CC BY
31
МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА
Вестник Омского университета, 2006. № 2. С. 62-64. (gl Н.А. Семиколенова, И.А. Юревич, 2006
УДК 577.3:616.849
МОДЕЛИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Н.А. Семиколенова, И.А. Юревич
Омский государственный университет, кафедра микроэлектроники и медицинской физики
644077, Омск, пр. Мира, 55а
Получена 20 марта 2006 г.
Question about mechanisms of influence laser beam on human's organism is not well studied yet. There are a few main hypotesa about laser's effect on cells has been considerated in this article.
1. Введение
Несмотря на широкое распространение методов лазерной терапии в практической медицине, вопрос о механизмах лазерного воздействия дискуссионен. В большинстве публикаций о действии низкоэнергетического лазерного излучения (НэЛИ) отмечены положительные эффекты при лечении многих заболеваний [1-3] и практически отсутствуют данные по побочным явлениям. Обобщение большого материала, основанного на применении плацебо и двойного слепого контроля, показало в некоторых случаях отсутствие статистически достоверных улучшений в состоянии больного. В тех же случаях, когда наблюдался лечебный эффект, отмечалась плохая воспроизводимость результатов, различия в чувствительности к облучению у больных, опасность передозировки, когда лечебный эффект облучения сменялся на неблагоприятный [4; 5].
Молекулярно-клеточные механизмы лечебного действия НэЛИ в настоящее время обсуждаются в литературе на уровне гипотез.
Основополагающим моментом любой гипотезы фотобиологического действия лазерного излучения на организм является поиск первичного хромофора-акцептора энергии поглощенного фотона лазерного облучения и установление клетки-мишени действия НэЛИ.
2. Гипотезы о механизмах действия лазерного излучения
На данный момент в литературе рассматривается несколько гипотез о механизме действия лазерного излучения:
1. Реактивация металлосодержащих фермен-тов-антиоксидантов [6; 9].
2. Гипотеза о взаимодействии НэЛИ с компонентами цепи транспорта электронов в митохондриях [10,11].
3. Фотовозбужденное образование синглетно-го кислорода [12-14].
4. Неспецифическое влияние на биополимеры
[15].
5. Неспецифическое влияние на структуру воды [13].
6.Гипотеза о фотодинамическом механизме действия НэЛИ [16-18].
Рис. 1. Схема лазерного воздействия
Далее кратко описываются основные положения вышеперечисленных гипотез (см. рис. 1).
1. В данной гипотезе акцепторами излучения гелий-неонового лазера, способными поглощать свет с длиной волны излучения 632,8 нм, могут быть железо- и медьсодержащие ферменты, такие как супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, церуллоплазмин [6-9]. Инактивация данных энзимов наблюдается при состояниях, связанных с ишемией, гипоксией, воспалением. Суть гипотезы заключается в том, что лазерное воздействие реактивирует важные металлосодержащие ферменты, участвующие в антиокислительных про-
Модели воздействия НэЛИ
63
цессах.
Эта гипотеза объясняет противовоспалительные эффекты НэЛИ. Известно, что СОД и ката-лаза способны перехватывать активные формы кислорода, которые участвуют в развитии воспалительного процесса. Вместе с тем данное предположение о механизме действия низкоэнергетического лазерного излучения требует дальнейшего изучения, так как экспериментальных доказательств в настоящее время недостаточно.
2. Суть гипотезы, предложенной Т.И. Кару, о взаимодействии лазерного облучения с компонентами цепей переноса электронов [10] сводится к тому, что хромофорами излучения гелий-неонового лазера в организме человека могут быть цитохромы-а и аз. цитохромоксидаза. Лазерное воздействие приводит к реактивации ферментов-переносчиков в дыхательной цепи (например, цитохромоксидазы), что восстанавливает поток электронов в дыхательной цепи и формирует трансмембранный потенциал митохондрий; происходит возрастание трансмембранного потенциала в митохондриях, увеличение продукции АТФ в клетках, активация транспорта Са2+. Это, в свою очередь, приводит к стимуляции внутриклеточных процессов.
Данная гипотеза о механизме действия НэЛИ предлагает вполне обоснованную цепь событий. Однако авторы опираются на факты, которые могут быть следствием, а не причиной эффектов НэЛИ. Кроме того, с помощью этой гипотезы трудно объяснить дистанционность и пролонги-рованность эффектов НэЛИ, отмечаемых в клинике.
3. Одним из аспектов биоэффекта инфракрасных лазеров является воздействие на кислород. В результате поглощения фотона молекулярный кислород переходит в очень короткоживущий, но с чрезвычайно высокой реакционной способностью синглетный кислород 1 Ог. Синглетный кислород 1 Ог , генерируемый в результате фотовозбуждения О г на нижние синглетные уровни 1А и 1Е, вносит существенный вклад в биоэффекты [19]. При «фотокислородном» механизме в первую очередь следует ожидать повреждений синглетным кислородом компонент дыхательной цепи, в которой утилизируется О2 . После образования синглетный кислород атакует субстраты: аминокислотные остатки белков, липиды мембран, основания нуклеиновых кислот — и окисляет их. Выход из строя ферментов дыхательного комплекса должен приводить к уменьшению продукции АТФ. Однако энергетический пул клетки, в частности внутриклеточная концентрация АТФ, сильно стабилизированы. В результате фотоповреждения будут приводить к включению компенсаторных механизмов и возврату к преж-
ней скорости производства клеткой АТФ.
4. Авторы гипотезы о неспецифическом влиянии НэЛИ на биополимеры [16; 17] считают, что воздействие светом гелий-неонового лазера приводит к изменению заряда белков крови, их конформацпонного строения и функционального состояния, а в итоге — к изменению процессов, в которых эти белки участвуют, например в транспорте различных веществ. В данном случае непонятно, что же является акцептором лазерного излучения. Кроме того, авторы не описывают физиологические эффекты НэЛИ, возникновение которых может быть объяснено в рамках этой гипотезы.
5. В гипотезе о неспецифическом влиянии на структуру воды фотоакцептором инфракрасного лазерного излучения является вода. Она находится в организме в состоянии непрерывных микрофазных гельзольных переходов. Авторы предположения о неспецифическом влиянии лазерного воздействия на структуру воды [16] считают, что НэЛИ изменяет ее «кластерную» структуру. Из самых общих соображений можно предполагать, что в результате изменяются гидрофобные взаимодействия белков, а следовательно, и процессы, в которых эти белки участвуют (меняется рН, электропроводность воды, степень растворимости в ней кислорода). Основным недостатком теорий о неспецифическом влиянии лазерного воздействия на структуру воды является отсутствие экспериментальных доказательств как in vitro, так и in vivo.
6. Основные положения гипотезы о фотодинамическом механизме действия низкоэнергетического лазерного излучения можно представить следующим образом.
— Хромофорами лазерного излучения в красной области спектра являются эндогенные пор-фирины, которые способны поглощать свет в этой области спектра и хорошо известны как фотосенсибилизаторы. Содержание порфиринов в организме увеличивается при многих заболеваниях и патологических состояниях человека. Мишенями лазерной энергии являются клетки, в частности лейкоциты, и липопротеины крови, содержащие порфирины.
— Порфирины, поглощая световую энергию низкоэнергетического лазерного излучения, индуцируют фотосенсибилизированные свободно-радикальные реакции, приводящие к инициации перекисного окисления липидов (ПОЛ) в мембранах лейкоцитов и липопротеинах с образованием первичных и вторичных продуктов ПОЛ. Накопление в мембранах продуктов ПОЛ, в частности гидроперекисей, способствует увеличению ионной проницаемости, в том числе для ионов Са2+.
64
H.A. Семиколенова, И.А. Юревич
— Увеличение содержания ионов Са2+ в цито-золе лейкоцитов запускает Са2+-зависимые процессы, приводящие к праймингу клеток [1618], что выражается в увеличении уровня функциональной активности клетки, к повышенной продукции различных биологически активных соединений (оксид азота, супероксид-анионрадикал, гипохлорит-анион и др.). Некоторые из них обладают бактерицидным эффектом, а также способны влиять на микроциркуляцию крови.
3. Выводы
Таким образом, существующие в настоящее время гипотезы о механизмах терапевтического действия НэЛИ имеют недостатки, которые можно разделить на две группы. Во-первых, часть авторов рассматривает эффекты НэЛИ без учета наличия хромофора. Во-вторых, некоторые предположения о механизмах действия лазерного излучения не подтверждены экспериментальными данными, или же эти данные противоречивы.
[1] Илларионов В.Е. Основы лазерной терапии. М.: Респект, 1992. 122 с.
[2] Козлов В.И., Вуйлин В.Н. Лазеротерапия. М.: Медицина, 1993. 149 с.
[3] Утц С.Р., Волнухин В.А. Низкоинтенсивная лазеротерапия в дерматологии. Саратов: Изд-во Саратов. ун-та, 1998. 92 с.
[4] Варбараш О.Л., Марцияш A.A., Шейбак Т.В., Чу-каееа И.И., Корочкин И.М., Сырнее A.A. Стресс-модулирующие эффекты лазеротерапии у больных ишемической болезнью сердца. // Тер. архив. 1996. № 12. С. 50-53.
[5] Зверева, К.В., Грунина Е.А. Отрицательные эффекты низкоинтенсивной лазерной терапии при ревматоидном артрите // Тер. архив. 1996. № 5. С. 22-24.
[6] Горбатенкова Е.А., Владимиров Ю.А., Парамонов Н.В., Азизова O.A. Красный свет гелий-неонового лазера реактивирует супероксиддисму-тазу // Бюл. эксп. биол. мед. 1989. Т. 57. № 3. С. 302-305.
[7] Жуманкулов М.С., Шабуневич Л.В., Басиладзе Л.И., Александрова Л.А. Фотореактивация це-рулоплазмина как один из механизмов действия гелий-неонового лазера на кровь // Лазеры и медицина. М., 1989. С. 73-74.
[8] Владимиров Ю.А. Три гипотезы о механизме действия лазерного облучения на клетки и организм человека // Эфферентная медицина. М.: ИБМХ РАМН, 1994. С. 51-67.
[9] Девятков Н.Д., Зубкова С.М., Лапрун И.В., Макеева. Н. С. Физико-химические механизмы биологического действия лазерного излучения // Успехи совр. биологии. 1987. Т. 103. № 1. С. 31-43.
[10] Kara Т. Primary and secondary mechanisms of action of visible and near infra red radiation on cells // J. Photochem. Photobiol. 1999. V. 49. № 1. P. 117.
[11] Kara Т., Smolyaninova N.. Zelenin A. Long-term and Short-term Responses of human Lymphocytes to He-Ne Laser Irradiation // Laser in Life Sci. 1991. V. 4. № 3. P. 167-178.
[12] Захаров С.Д., Еремеев В.В., Перов С.Н., Па-насенко М.А. Методы изучения и механизм действия лазерного излучения на эритроциты с участием молекулярного кислорода // Методы лазерной биофизики и их применение в биологии и медицине / Под ред. O.K. Скобелкина. Тарту, 1989. С. 59-92.
[13] Захаров С.Д., Скопионов С.А., Чудновский В.М. Первичные механизмы воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения в биологических системах: слабопоглощающие фотоакцепторы и структурное усиление локального фотовоздействия в биологических жидкостях // Лазеры и медицина. М., 1989. С. 81-82.
[14] Егоров С.Ю., Таубер А.Ю., Красновский А.А., Нижник А.Н., Нокаль А.Ю., Миронов А.Ф. Фотогенерация синглетного молекулярного кислорода компонентами производного гематопорфирина // Бюл. эксп. биол. мед. 1989. Т. 108. № 10. С. 440442.
[15] Лисиенко В.М., Минц Г.И., Скопионов С.А. Альтерация биологических жидкостей при лазеротерапии у хирургических больных // Применение лазеров в хирургии и медицине: Тез. докл. межд. симп / Ред O.K. Скобелкин; МЗ СССР. М., 1989. С. 529-530.
[16] Клебанов Г.И., Владимиров Ю.А. Клеточные механизмы прайминга и активации фагоцитов. // Успехи соврем, биологии. 1999. Т. 119. № 5. С. 462475.
[17] Клебанов Г.И.,Теселкин Ю.О., Вабенкова И.В., Башкуева Т.Ю., Модестова Т.М., СтекловаЛ. С., Владимиров Ю.А. Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на функциональный потенциал лейкоцитов // Бюл. эксп. биол. мед. 1997. Т. 123. № 4. С. 395-398.
[18] Клебанов Г.И., Стра.шкевич И.В., Чичук Т.В., Модестова Т.М., Владимиров Ю.А. Влияние эндогенных фотосенсибилизаторов на лазер-индуцированный прайминг лейкоцитов крови // Биол. мембраны. 1998. Т. 15. № 3. С. 273-285.
[19] Итоги науки и техники // Серия: Современные проблемы лазерной физики. М., 1990. Т. 3.
