Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на живые клетки

ВЛИЯНИЕ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

НА ЖИВЫЕ КЛЕТКИ В.В. Богатырева

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.А. Тарлыков

В статье обсуждается влияние светового поля на биологические объекты. Описываются виды воздействия НИЛИ на живую ткань. Рассматриваются процессы, происходящие в биовеществе при облучении лазерным светом. Выделяются два основных подхода к описанию механизмов влияния НИЛИ на биообъекты на основе различия в выборе структурной единицы. Первый подход («квантовомеханический») основывается на избирательности поглощения оптического излучения по длине волны различными атомами и молекулами. Фотозависимые химические реакции, протекающие в мембранах живых клеток, вызывают биостимуляцию биообъектов. Второй подход основан на выборе клетки в качестве структурной единицы, являющейся наименьшей функциональной единицей живого организма. В таком случае сложно выделить узкие полосы поглощения оптического излучения, но можно говорить об энергоинформационном обмене с окружающей средой, о саморепродукции биоструктур вследствие самоподстройки распределения интенсивности лазерного излучения к клеточной структуре биоткани за счет эффекта Тальбота.

Введение

Свет - первичный источник всех процессов, протекающих на Земле. Под действием солнечного УФ излучения инициировались цепочки фотохимических реакций, которые привели к синтезу белковых структур - зарождению жизни на нашей планете.

За период своего существования люди научились не только использовать световую энергию от естественных источников, но и создавать искусственные. Самыми удивительными по своим свойствам являются квантовые генераторы - лазеры. Они активно применяются в науке и технике, биологических исследованиях и в практической медицине: хирургии, терапии и диагностике.

Воздействие лазерного излучения на живые биологические объекты чрезвычайно разнообразно и в основном зависит от интенсивности излучения и времени экспозиции, а также длины волны излучения, плотности мощности, плотности энергии [1-6].

Лазеры, применяемые в медицине, подразделяют на мощные (хирургические) и маломощные (терапевтические). В лазеротерапии используется низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ), так как замечено, что оно обладает выраженным терапевтическим действием: улучшает микроциркуляцию тканей, стимулирует восстановительные процессы, нормализует общий иммунитет, повышает резистентность организма. Лазерное излучение может вызывать структурные и другие изменения биологических сред.

Авторы многих статей выделяют следующие виды лазерного воздействия [7]:

• термическое - в результате поглощения клетками световой энергии лазерного излучения;

• механическое - основано на давлении света в результате воздействия потока фотонов на облучаемый объект;

• электромагнитное - очень слабое и пока не принимается в расчет;

• биологическое - вызывается НИЛИ и приводит к изменению параметров клеток, их структурных единиц.

Рабочая мощность терапевтических лазеров настолько мала, что не вызывает разрушающего или повреждающего действия и не повышает температуру облучаемого объекта. Механическое и электромагнитное воздействия минимальны и, следовательно, нет необходимости их учитывать. Исходя из этого, наиболее интересным предполагается биологическое воздействие лазерного излучения на живые структуры. Свет, поглощенный биотканями, возбуждает в них атомы и молекулы, вызывая фотохимические и фотофизические реакции.

Также в некоторых литературных источниках [1-3, 5, 8, 9] взаимодействие лазерного излучения с живыми объектами рассматривается с учетом переноса энергии и информации. Такое действие светового поля можно назвать энергоинформационным и отнести его к электромагнитному.

Рис. 1. Виды воздействия лазерного излучения

Одним из первых применений лазеров в медицине оказалось внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК). Хотя к настоящему времени феномен лазерной биостимуляции кровеносной системы посредством ВЛОК широко используется в биологической и медицинской практике, но механизм его действия остается неясным.

Были предложены многочисленные гипотезы для объяснения терапевтического эффекта низкоинтенсивного лазерного излучения. Одна из них - стимуляция биологических процессов через фоторегуляторную систему, которую гипотетически имеют живые организмы (Н.Ф. Гамалея) [1, 4]. По другой гипотезе предполагалось, что лазерное излучение реализует биостимулирующий эффект за счет передачи им энергии лазерного излучения (В.М. Инюшин) [1].

Анализируя эти подходы, можно отметить, что первоначальная дифференциация производится по выбору структурной единицы. В первом случае рассматривается действие НИЛИ на атомы и молекулы, из которых выстроен биосубстрат. Происходит селективное по длине волны резонансное поглощение света различными частицами биоткани (квантовомеханический подход). Учитывая, что наименьшей функциональной единицей живого является клетка, авторы, придерживающиеся второго подхода, выбирают именно такую структурную единицу. В этом случае о селективном поглощении не может быть и речи, тем более что по данным некоторых исследований благоприятное воздействие лазерного излучения на одну и ту же ткань наблюдалось при облучении светом из различного спектрального диапазона [3, 5, 10]. Клетка обладает энергией и несет в себе некоторую информацию, поэтому световое поле может оказывать влияние на живую систему посредством энергоинформационного обмена (энерго-информацион-ный подход).

Квантовомеханический подход

Под действием света в биоструктурах активизируются фотобиологические процессы. К ним относятся процессы, начинающиеся с поглощения кванта света биологически важным атомом или молекулой и заканчивающиеся какой-либо физиологической реакцией на уровне организма (рис. 2) [12]. При этом во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных барьеров химических превращений. Также, согласно основному закону фотобиологии [1], биологический эффект вызывается лишь излучением такой длины волны, при которой оно поглощается молекулами или фоторецепторами тех или иных структурных компонентов клеток. Поэтому одной из важных характеристик лазерного излучения является его спектральная характеристика или длина волны [1, 10, 11].

Рис. 2. Стадии фотобиологических процессов

Фотореакции подразделяются на фотофизические и фотохимические. Фотофизические реакции преимущественно обусловлены нагреванием объекта (в пределах 0.10.3 °С) и распространением тепла в биотканях. При поглощении световой энергии возникают различные физические процессы, основными из которых являются внешний и внутренний фотоэффекты, электролитическая диссоциация молекул и различных комплексов. Дополнительная энергия, полученная при лазерном облучении, инициирует фазовый переход клеточной мембраны (тепловое воздействие), что ведет к оттоку ионов Na+ и K+, раскрытию белковых каналов и увеличению транспорта ионов. Низкоинтенсивное лазерное излучение стимулирует метаболическую активность клетки (биосинтетические процессы) - выработку универсального источника энергии АТФ (АТР) в митохондриях, ускоряет скорость его образования, повышает эффективность работы дыхательной цепи митохондрий. В то же время количество потребляемого кислорода уменьшается (НИЛИ оказывает антиоксидантный эффект). Происходят перестройки в мембранах митохондрий [1, 2].

Рис. 3. Изменяющиеся характеристики молекул, перешедших в электронно-

возбужденное состояние

Фотохимические реакции обусловлены возбуждением электронов в атомах и молекулах поглощающего излучение вещества. На молекулярном уровне это выражается в виде фотоионизации вещества (появление свободных радикалов), которая запускает имеющие цепной характер процессы восстановления или фотоокисления биосубстратов (изменение рН среды); фотоизомеризации (конформационные изменения); изменения дипольного момента (рис. 3) [1, 2, 10, 12]. Кроме того, НИЛИ нарушает слабые взаимодействия атомов и молекул облученного вещества (ионные, ион-дипольные, водородные и гидрофобные связи, а также ван-дер-ваальсовые взаимодействия), при этом появляются свободные ионы, т.е. происходит электролитическая диссоциация.

Основным участником фотохимических реакций является молекулярный кислород. При поглощении веществом кванта света один из электронов, находящийся в основном триплетном состоянии 302, переходит в возбужденное синглетное состояние 102 с относительно большим временем жизни, а также бирадикальными свойствами. Синг-летный кислород является активным окислителем и может участвовать в цепных сво-боднорадикальных реакциях [1, 10, 12, 13]. Без участия молекулярного кислорода протекают прямые фотохимические реакции белков и мембранных липидов [2, 4, 11, 13]. Интенсивность свободнорадикального окисления в липидной фазе мембран клеток определяется соотношением насыщенных и ненасыщенных липидов, вязкостью липидной компоненты мембран, которые меняются при лазерной терапии, что отражается на структурных перестройках в мембране, ее функциональном состоянии, активности мембраносвязанных ферментов. Кроме того, процесс перекисного окисления липидов может изменить направление и эффективность темновых реакций мембранных белков, их подвижность и ориентацию в мембране и, как следствие, их функциональные и иммунологические свойства.

Повышение энергетической активности биологических мембран, которые принимают прямое и очень важное участие во всех функциях клетки, приводит к изменению биоэлектрических процессов, к увеличению активности транспорта веществ через мембрану, идущего в направлении, противоположном градиенту химического и электрохимического потенциала, усиливает основные биоэнергетические процессы, в частности, окислительное фосфорилирование.

Энергоинформационный подход

Живые организмы и биосфера в целом - не изолированные, а открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Все эти системы являются неравновесными, диссипативными, самоструктурирующимися и самоорганизующимися. Для эффекта лазерной биостимуляции (ЛБС) можно использовать понятие производства энтропии, которое введено в неравновесной термодинамике на основе принципа Пригожина. Система когерентный свет - биовещество идет по пути умень-шенияпроизводства энтропии [14, 15].

В живых системах при взаимодействии с когерентным излучением могут происходить и процессы самоорганизации, в результате чего наблюдается восстановление функций поврежденной биосистемы. Необходимым условием является использование лазерных источников света, так как они обладают высокой временной и пространственной когерентностью. Важно производить непрерывное облучение для обеспечения максимального согласования всего поля. Следует отметить, что, по данным некоторых источников [1, 3, 10, 15], абсолютное значение длины волны облучающего света не оказывает влияния на эффект биостимуляции. В связи с этим монохроматичность, возможно, не является необходимым условием. Отсутствие биологического эффекта от естественного света связано с тем, что в этом излучении энергия, приходящаяся на частоту, на которую реагирует некоторая выделенная степень свободы молекулы, слиш-

ком мала, чтобы создать существенную вероятность возбуждения именно такой моды, с которой может быть связан запуск того или иного биологического механизма. Хотя, в целом, пространственная плотность энергии в естественном свете может быть значительной [8].

Если в качестве элементарного биологического объекта рассматривать клетку, то естественным приемником излучения являются клеточные мембраны, обеспечивающие избирательное пропускание веществ в клетку, а также реагирование клетки на состояние окружающей среды. Нативные клетки при нормальном функционировании имеют гладкую поверхность. Нарушение функционирования клетки, по-видимому, в первую очередь вызывает накопление излишних продуктов биологических реакций, и для их выведения за пределы клетки реализуется увеличение поверхностной площади мембраны, что проявляется как возникновение выпуклостей, отростков клеточной мембраны. Это ведет к увеличению собственного дипольного момента клетки, приводя к повышению ее светочувствительности. Иными словами, болезнь сенсибилизирует клетку и обеспечивает селективность ЛБС.

Особое внимание следует уделить биожидкостям, так как они обязательно присутствуют в составе всех биообъектов [1, 8, 15]. В.М. Инюшин и соавторы на основании своих исследований считают, что при взаимодействии НИЛИ красного и ближнего ИК диапазона с биообъектом одним из главных звеньев этого процесса является передача энергии воздействия через жидкие среды организма. Это объясняется авторами наличием резонансной спектральной «памяти» в жидких средах при лазерном облучении. Очень тесно смыкается с этой гипотезой концепция C.B. Скопинова и соавторов, основанная на ведущем значении в механизме взаимодействия НИЛИ с биообъектом структурной альтерации жидких сред организма.

Структура биораствора может играть роль матрицы, на которой протекают все биохимические реакции. Накопление в биосистеме участков с измененной структурой вызывает неспецифическую модификацию энергетики и кинетики метаболических процессов, протекающих в водной матрице биожидкости, и последующие эффекты «биостимуляции».

Первопричиной ЛБС непрерывным излучением может служить только регулярная пространственная неоднородность светового воздействия. Ее возникновение можно объяснить только влиянием клеточной структуры биоткани, а именно, дифракцией на ней когерентного излучения. С оптической точки зрения биологическая ткань в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах является сильным фазовым диффузором, сочетающимся с регулярной трехмерной клеточной структурой. Поперечная периодичность поля лазерного излучения, прошедшего через клеточную структуру, приводит к возникновению продольной (вдоль направления распространения) его периодичности (эффект Тальбота) [15]. Экспериментально было установлено, что при лазерном облучении in vitro клеточного монослоя происходит переизлучение (эффект Тальбота) этими клетками электромагнитных волн с длиной, равной длине волны первичного излучения, на расстоянии до 5 см [1].

Высокая когерентность лазерного излучения и фазовый характер взаимодействия с биотканью приводят к быстрому (на малом отрезке оптического пути) изменению различных пространственно-временных распределений интенсивности света. Чем больший оптический путь пройден светом через биоткань, тем в большей степени его структурные характеристики - спекл-пятна и каустики - соответствуют характеристикам биоткани. Такой механизм обратной связи при лазерном облучении обусловливает неминуемую подстройку фронта световой волны к структуре облучаемой ткани, поскольку наибольшее пропускание имеет место для пространственно-временных мод, содержащихся в падающей волне и соответствующих наинизшей моде элементарной составляющей структуры - клетке [15].

По данным статьи [16], основную роль играет основная мода лазерного излучения, и на уровне ячейки клеточной структуры можно учитывать только параксиальные пучки. Для максимизации световой энергии, поступающей в биоткани, освещение следует производить лазерным пучком, параллельным оптической оси клеточной структуры (перпендикулярно слоям клеточной структуры).

Имеются резонансные условия для прохождения монохроматического излучения через клеточную структуру [8, 15]. В резонансной области (ё~Х) существенную роль играют так называемые собственные электромагнитные колебания (моды), возбуждаемые в объеме неоднородности (клетке) падающей волной. Основной вклад в рассеянное поле, распространяющееся далее в глубь биоткани, дает излучение той колебательной моды клетки, частота, поляризация и пространственная форма которой ближе к таковым для падающей волны.

В квазиоптической области (ё >>Х) основное влияние оказывают локальные неоднородности структуры, т.е. границы клеток. При этом считается, что относительный вклад мод колебаний отдельной неоднородности достаточно мал [15].

К лучевой структуре поля в биоткани, кроме явлений дифракции, могут приводить и фрактальные свойства биосреды [8, 16]. Изменение структуры светового фронта должно идти до тех пор, пока его фрактальная размерность не сравняется с фрактальной размерностью облучаемой биоткани, что обеспечит наилучшие условия возбуждения биологических структур и макромолекул [8].

В биологических структурах организма существуют собственные электромагнитные поля и свободные заряды, которые перераспределяются под влиянием фотонов лазерного излучения. При оптимальных дозах воздействия на организм низкоэнергетическим лазерным излучением мы осуществляем соответствующую энергетическую подкачку [9]. В ответ на это в системах и органах происходят процессы активизации саморегуляции, мобилизируются собственные резервы самогенеза [1].

Заключение

В настоящее время наблюдается интенсивное внедрение лазерного излучения в биологических исследованиях и в практической медицине. Замечено, что НИЛИ оказывает эффективное терапевтическое воздействие на биообъекты. Также лазерное излучение может вызывать структурные изменения биологических сред.

Рис. 4. Схематическое изображение двух основных подходов к описанию механизмов

влияния НИЛИ на биообъекты

В литературе предложены многочисленные гипотезы для объяснения терапевтического эффекта НИЛИ. Выделены два основных подхода к описанию механизмов влияния НИЛИ на биообъекты на основе различия в выборе структурной единицы. Первый подход - квантовомеханический - основывается на избирательности поглощения оптического излучения по длине волны различными атомами или молекулами. Второй соответствует выбору клетки в качестве структурной единицы (рис. 4).

Фотозависимые химические реакции инициируют фазовый переход клеточной мембраны. На молекулярном уровне это выражается в виде фотоионизации, его восстановлении или фотоокислении. Саморепродукция биологических структур происходит за счет взаимодействия структурированной воды и белковых макромолекул, вследствие чего происходит перестройка и самой макромолекулы.

Терапевтическое действие лазерного излучения определяется светокислородным эффектом: при участии молекулярного кислорода (квантовомеханический подход) или кислорода, входящего в состав молекул воды (энергоинформационный подход).

Когерентное излучение, попадая в биовещество, изменяет свое пространственное распределение интенсивности за счет оптической анизотропии живой ткани. Результирующий биологический эффект обусловлен воздействием излучения с комбинационной частотой, которая, в свою очередь, определяется нелинейными характеристиками биоткани, при этом нет критической зависимости от частоты падающего излучения. Процесс взаимодействия лазерного излучения с живой тканью является самоорганизующимся: сама ткань меняет пространственные и частотные характеристики первоначального излучения, которое, в свою очередь, меняет оптические характеристики ткани за счет возбуждаемых биологических процессов.

Воздействие лазерного излучения на живые биологические объекты зависит от интенсивности излучения и времени экспозиции. Абсолютное значение длины волны лазерного изучения не оказывает влияния на эффективность биостимуляции, однако из результатов спектроскопических исследований известно, что каждый атом имеет свой спектр поглощения излучения. Поэтому при исследовании влияния НИЛИ на живые ткани необходимо учитывать оба механизма воздействия.

Выявленный дуализм подхода к рассмотрению механизмов взаимодействия НИЛИ с биообъектом делает необходимым проведение дальнейших исследований в этой области.

Литература

1. Лазер и его действие на живые ткани. / Реферат. // www.erudition.ru

2. Владимиров Ю.А. Лазерная терапия: настоящее и будущее // СОЖ. 1999. №2. С. 2-8.

3. Захаров С.Д., Иванов A.B. Светокислородный эффект в клетках и перспективы его применения в терапии опухолей. // Квантовая электроника, 1999. Т. 29. №3. С. 192214.

4. Гамалея Н.Ф. Световое облучение крови - фундаментальная сторона проблемы // Тезисы Всесоюзной конференции «Действие низкоэнергетического лазерного излучения накровь». Киев, 1989. С. 180-182.

5. Захаров С.Д. Свет и тени лазерной терапии. // http://www.milta-f.ru/ru/mil/articles/2000/light_n_shadow.html

6. Загускин С.Л. Лазерная терапия - мифы и реальность, возможные пути развития // Лазер Информ, 1999. Вып. 2 (161). С. 1-6.

7. Союз врача и инженера. М: Знание, 1988. 64 с.

8. Москвин C.B., Буйлин В.А. Возможные пути повышения эффективности лазерной терапии // Лазерная медицина, 1999. Т. 3. Вып. 2. С. 32-43.

9. Саляев Р.К., Дударева Л.В., Ланкевич C.B., Сумцова В.М., Выговский Ю.Н., Малов А.Н., Неупокоева A.B., Тимина О.О., Фещенко B.C. Влияние пространственной структуры лазерного излучения на эффективность лазерной биостимуляции. // http://www.media-security.ru

10. Крайнов В.П. Ориентация и фокусировка молекул полем лазерного излучения // СОЖ, 2000. Т.6. Вып.4. С. 90-95.

11. Карандашов В.И., Петухов Е.Б., Зродников B.C. Фототерапия (светолечение): Рук-во для врачей / Под ред. Н.Р. Палеева. М.: Медицина, 2001. 392 с.

12. Холмогоров В.Е., Крыленков В.А., Османов М.А. Первичные фотопроцессы в крови и ее компонентах при действии оптического излучения // Молекулярные механизмы биологического действия оптического излучения. / Под ред. Рубина. М.: Наука, 1988. С. 164-175.

13. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М.: Высшая школа, 1989. 200 с.

14. Черницкий Е.А., Воробей A.B. Фотосенсибилизированные повреждения биологических мембран. Молекулярные механизмы биологического действия оптического излучения / Подред. Рубина. М.: Наука, 1988. С. 102-111.

15. Опритов В.А. Энтропия биосистем. // СОЖ, 1999. № 6. С. 33-38.

16. Малов А.Н., Малов С.Н., Фещенко B.C. Резонансная природа лазерной биостимуляции с точки зрения квази-оптики // Лазерная физика, 1996. № 5. С. 979-982.

17. Малов А.Н., Выговский Ю.Н. Физика лазерной биостимуляции // М., МИЛТА -ПКП ГИТ, 2002. 77 с.