Постоянные магниты стали незаменимым инструментом в медицине. Их ценность — в силе поля, возможности настраивать распределение этого поля и его градиентов, а также в простоте практического применения.

В новом исследовании, опубликованном в журнале KeAi Magnetic Medicine, ученые из Института физики Чешской академии наук показали, что биологический эффект постоянного магнитного поля зависит не только от его силы, но в еще большей степени от того, как именно это поле распределяется в пространстве.

С помощью точного компьютерного моделирования мы выяснили, как пространственное распределение магнитного поля и его характеристики кардинально меняются в зависимости от расстояния до поверхности магнита, — рассказывает автор исследования Виталий Заблоцкий. — Эти детальные карты полей, рассчитанные для магнитов разной формы, дают практические рекомендации для более эффективного использования магнитов в медицине и магнитобиологии.

Один из практических примеров — расчет распределения магнитного поля между двумя кольцевыми магнитами и силы их притяжения.

Это может помочь оптимизировать такие процедуры, как магнитный анастомоз — хирургическая техника соединения органов или тканей, используемая в малоинвазивных операциях на желудочно-кишечном тракте.

За последние десятилетия тысячи исследований сообщали о биологических эффектах статических магнитных полей. Но до сих пор нет четкого понимания, как именно эти поля влияют на клетки и внутриклеточные молекулярные процессы, — добавляет Заблоцкий. — Одна из причин в том, что большинство работ упоминают лишь среднюю силу поля и время воздействия, не анализируя реальное распределение поля, которое и вызвало наблюдаемый биологический эффект.

В своей работе авторы подчеркивают важность учета всех характеристик статического магнитного поля: его силы, направления, пространственного распределения, а также величины и направления его градиента.

Обычно исследователи не учитывают, что магнитная сила, действующая на клетки или биомолекулы, зависит как от направления, так и от силы градиента магнитного поля, — говорит соавтор работы Татьяна Полякова. — Что интересно, этот градиент достигает максимума не в центре магнита, а у его краев. Понятно, что без знания реально действующих магнитных сил невозможно по-настоящему понять механизмы наблюдаемых биологических эффектов.

Благодаря масштабируемости систем с постоянными магнитами — их поле зависит только от относительного размера самих магнитов — расчеты ученых можно напрямую применять к системам с магнитами размером как в миллиметры, так и в нанометры.

Это открывает путь к оптимизации микро- и наномагнитных систем для медицинских применений, например, для управления ионными каналами в клетках или навигации магнитных нанороботов внутри организма, — заключает Полякова.

Реальная польза этого исследования заключается в переходе от эмпирического, почти «слепого» применения магнитов в медицине и биологии к точному, инженерному подходу. Понимание пространственного распределения поля и градиентов позволяет:

• Создавать адресные медицинские инструменты. Например, хирургические магнитные системы для анастомоза можно рассчитать так, чтобы они создавали нужное усилие именно в зоне соединения тканей, минимизируя риск повреждения.
• Проводить воспроизводимые научные эксперименты. Теперь биологи, изучающие влияние магнитных полей на клетки, будут иметь четкий протокол: недостаточно указать «1 Тесла», нужно описать всю геометрию установки. Это снимет многие противоречия в данных.
• Разрабатывать принципиально новые методы терапии. Контроль ионных каналов с помощью локальных градиентов — потенциальный способ неинвазивно управлять работой нейронов или клеток сердца.
• Ускорить развитие магнитной наномедицины. Для управления нанороботами или целевой доставки лекарств критически важно точно рассчитывать силы, действующие на микроскопическом уровне. Данная работа дает для этого математический аппарат.

Исследование выполняет роль «переводчика» между физикой магнитных полей и практическими нуждами биологии и медицины.

Основное замечание касается того, что исследование, как и многие фундаментальные работы, делает лишь первый, хотя и критически важный, шаг. Авторы блестяще описали и систематизировали «физический ландшафт» (распределение полей и градиентов), но биологические объекты — клетки, белки, ионы — существуют в сложнейшей биохимической среде. Магнитная сила — лишь один из десятков факторов, влияющих на них. Клеточная мембрана имеет вязкость, заряд, текучесть; внутриклеточная среда — это гель с высокой концентрацией белков.

Неясно, как рассчитанные «чистые» магнитные силы будут трансформироваться в реальных условиях, где на тот же ионный канал одновременно действуют тепловое движение (броуновское), электрические поля и химические градиенты. Таким образом, работа дает идеальную карту, но для путешествия по реальной, болотистой местности живой ткани потребуются дополнительные „проводники“ — исследования на стыке биофизики и физиологической химии.

Ранее ученые усилили сверхтонкие магниты на 20%.