Гомеостазу у відповідь на світлове збудження He-Ne лазером

Гіпотеза ефекту НІЛВ на системному рівні через реакцію

Ефекту НІЛВ на клітинні мембрани

Гіпотеза поляризаційно-неселективного

Дана гіпотеза зводиться до того, що поляризоване лазерне випромінювання переорієнтовує полярні головки ліпідів мембран, що ініціюють їх фазовий перехід. Висока чутливість до лазерного опромінювання клітинних і внутрішньоклітинних мембран, як границь фізико-хімічних середовищ, доведено в ряді експериментальних робіт. В дослідах з використанням флюоресцентних зондів було показано, що при опроміненні He-Ne лазером у мітохондріях печінки спостерігається, перш за все, структурна перебудова мембрани. Поглинання енергії лазерного випромінювання мембранами порушує структурну організацію водного шару, змінюючи тим самим функцію термолабільних каналів мембрани. Здатність електричного поля лазерного світла змінювати властивості і структуру ліпідів мембран клітин впливає на всі процеси обміну в клітині.

Ця гіпотеза припускає виникнення загальних адаптаційних процесів у відповідь на опромінення НІЛВ. Оскільки в процесі еволюції людина не зазнавала впливу монохроматичного світла, то вона не адаптована до нього і реагує на таке світло як на фактор збурення. Позитивна динаміка системного вегетативного гомеостатичного забезпечення відіграє важливу роль у лікувальному ефекті лазеротерапії. Дія НІЛВ на кров викликає системну гомеостатичну перебудову в організмі з певною направленістю в сторону ваготропності. Це сприяє підвищенню адаптаційних властивостей організму і дає можливість оцінити інтракорпоральну лазеротерапію, як один з нових немедикаментозних адаптаційних факторів.

Таким чином, на даний час можна говорити про комплексну дію НІЛВ на біологічний об'єкт, де поряд із резонансним поглинанням молекулами і передачею за тригерними механізмами енергії лазерного випромінювання, мають місце неспецифічні дії НІЛВ (наприклад, на білки плазми крові ), а

також системна дія на організм , яка виражається в стимуляції адаптогенних процесів [4].

Зміни, що відбуваються в тканинах під впливом лазерного світла з малим рівнем потужності, не можна спостерігати наочно, неможливо навіть помітити в мікроскоп, тому про ефекти дії лазерного опромінення можна судити лише, спостерігаючи зміни у функціонуванні клітинних органел [2]. На рис. 2.12 показано конкретні біофізичні ефекти, які виникають після абсорбції випромінювання малої і середньої потужності. Ефекти, представлені на рис. 2.12, виникають при низьких густинах потужності і відносно тривалому часі освітлення. Абсорбція випромінюваної лазерної енергії викликає в тканині біохімічні, біоелектричні і біоенергетичні ефекти.

Рисунок 2.12 - Біофізичні ефекти, які виникають після абсорбції випромінювання малої і середньої потужності

Біоелектричні ефекти приводять до нормалізації потенціалу мембрани. Відомо, що кожна клітина має більше негативного заряду ніж позитивного, а потенціал складає від -60 до 90 мВ. У випадку патології потенціал спадає внаслідок проникнення через мембрану позитивних іонів, наприклад Nа⁺. Щоб запобігти цьому процесу клітина потребує енергії, яку може отримати від процесу гідролізу, наприклад кислоти АТФ. Освітлення лазерним випромінюванням стимулює виділення АТФ.

В роботі [5] дається об'єктивне обгрунтування біоелектричного ефекту внаслідок дії низькоінтенсивного лазерного світла. Підхід базується на тому, що дія лазерного випромінювання зумовлює неоднорідність температурного поля в біотканинах, внаслідок нерівномірного розподілу центрів поглинання (біологічних мембран, білків та іонів у розчині). Характер такої температурної неоднорідності значною мірою залежить від довжини хвилі і спектральної густини випромінювання. Показано, що така температурна нерівноважність може приводити до суттєвих деформацій клітинних мембран.

Одним з найбільш можливих механізмів дії лазерного випромінювання на біооб'єкти автори [5] вважають механізм активації фотопроцесів. Дослідження в цьому напрямку зв'язані з пошуком молекулярних сполук - світлоакцепторів при різних довжинах хвиль випромінювання, в результаті яких відбувається ініціювання біохімічних реакцій. При такому розгляді не зрозуміло, як найрізноманітніші фотопроцеси приводять до однакової стимулювальної дії лазерного світла в діапазоні 0.4-0.6 мкм. Труднощі також виникають при поясненні біостимуляції випромінюванням в діапазоні 0.8-1.0 мкм, в якому відсутнє резонансне поглинання в біооб'єктах. Основну увагу в даній роботі приділено дослідженню змін, які виникають у біологічних мембранах при їх опроміненні.

Плазматичні мембрани є не тільки механічними перегородками клітин від зовнішнього середовища, але й високо вибірковими фільтрами, що підтримують різницю концентрацій іонів, наприклад калію і натрію по обидві сторони мембрани. Порушення рівності концентрацій або температур з різних сторін мембрани приводить до виникнення осмотичного тиску на мембрану:

 P = nRT(T/t + n/n). (2.4)

Тиск Р виникає внаслідок різної проникності мембран для води (характерний час дифузії через мембрану _в~10^-4 с) і для іонів ( _і ~10⁰- 10² с). У цьому випадку, коли область зміни температури і концентрації поблизу мембрани обмежена розміром d,тиск приводить до поперечного зміщення мембрани на x=Р²d/hE (H/м²), де h - товщина мембрани (~10 нм), Е- модуль зсуву Юнга (~ 10⁵Н/(м²). Виходячи з того, що e=х/l (l- розмір клітини) та використовуючи (2.4), рівняння руху мембрани в часі, меншому t_n, буде мати вигляд

де а=nRTd²/(hlE). Зміна температури DТ зумовлюється різницею коефіцієнтів поглинання по обидві сторони мембрани і описується рівнянням:

DТ = bI(t) - DT/t_T , (2.6)

де b=a/(Cr), a- різниця коефіцієнтів поглинання в області d і поза нею, С і r - теплоємність і густина води, І(t)-густина потоку лазерного випромінювання, t_т- час температурної релаксації t_т=d²/c (c- температуропроводність). Дифузія іонів натрію і калію з зовнішніх областей (не через мембрану), а також зміщення мембрани, що супроводжується дифузією води через неї, зумовлює через нерівномірне нагрівання зміну різниці концентрації по обидві сторони мембрани. В реальних умовах терапії He-Ne лазером (І=1Вт/см²), a=10⁴см^-1) з врахуванням розмірів оптичних неоднорідностей d=1-10 мкм, деформація клітин складає e=10^-2-10^-1. Припускається, що біологічна дія низькоінтенсивного випромінювання полягає в зміні обмінних процесів у тканинах за рахунок мікродеформації мембран.

Лікувальна дія лазерного випромінювання зумовлюється, як показали досліди по вивченню морфології опромінених тканин щурів, суттєвим збільшенням числа функціональних капілярів. Розглянуті коливання мембран клітин не є єдиними наслідками лазерної дії. Порушення рівності концентрацій іонів всередині і поза клітиною приводить до зміни електричного потенціалу на мембрані:

,

де F- число Фарадея [5]. В інших працях зроблено припущення про зміну потенціалу за рахунок термодифузійних потоків при лазерній дії.

Біоенергетичні ефекти стимулюють ріст і регенерацію клітин, а також міжклітинні процеси.

Вищеописані первинні ефекти, які безпосередньо виникають в освітлюваних тканинах, приводять до появи і інших ефектів лазерної терапії, які називаються вторинними ефектами і мають місце не тільки в опромінених, але одночасно і в сусідніх тканинах. Вторинні результати лазерної терапії діляться на три групи: протибольові, протизапальні і біостимуляційні.

Протибольові ефекти викликані лазерним опроміненням приводять до:

- гіперполяризації поверхонь нервових клітин;

- виділення ендорфіну;

- ефективної передачі енергії протонів до нейтральних пунктів акупунктури.

Протизапальні ефекти викликають:

- розширення кровоносних судин;

- покращання мікрообігу;

- стимуляцію міграції макрофагів.

Стимуляційні ефекти покращують кровообіг, відживляють і регенерують клітини. При підведенні певної порції лазерного випромінювання до клітин відбувається також стимуляція синтезу білка. Дія лазерного світла викликає ще й такі вторинні процеси:

- зростання фібропластів і колагенових волокон;

- регенерація кровоносних судин;

- зростання нервових клітин.

Слід зазначити, що найкращі біостимуляційні ефекти виникають при опроміненні з густиною потужності до 50 мВт/(см²), протибольові ефекти - при 50 -200 мВт/(см²) і протизапальні ефекти - при 300 - 400 мВт/(см²) [1].

В роботі [2] дається таке пояснення біостимуляційного ефекту, який виникає під впливом лазерного випромінювання. Фоторецептор абсорбує фотони світла. Це приводить до трансдукції і підсилення сигналу. Результатом такої дії буде фотореакція в тканині. В даній моделі світло поглинається оксидазою цитохрому, що приводить до змін окислення і редукції як у мітохондріях, так і в клітинній цитоплазмі. А це має вплив на пропускну здатність оболонки клітини, в якій змінюється співвідношення іонів Nа⁺/K⁺і збільшується активність Nа⁺/K⁺АТФ фази. Активне транспортування іонів К⁺і Nа⁺через оболонку клітини зростає внаслідок безпосередньої стимуляції ензимів фотонами лазерного випромінювання. Це збільшує також приплив іонів Са²⁺, які , як видно, передають біохімічні зміни між клітинами.

Внаслідок оксидаційної фосфориляції внутрішньоклітинних білків відбувається синтез ДНК і РНК - ці процеси приводять до проліферизації клітин (розмноження).

Перебіг цих процесів зображено на рис. 2.13 і 2.14.

Обидві схеми показують вплив фоторецепції видимого та інфрачервоного випромінювання на рівні хімічних зв'язків і іонів (рис. 2.13) або на рівні клітини (рис.2.13). На даних рисунках суцільними стрілками позначено підтверджені рівні дії фоторецепційного випромінювання (видимого і ІЧ). Пунктирними стрілками позначено ймовірні рівні фоторецепції.

Слід також зазначити, що енергетичні процеси або фотоактивація значно прискорюють перебіг фагоцитозу ( поглинання і знешкодження шкідливих бактерій) і поділу клітин (поліферація) [2].

Практика лазерної терапії показує, що випромінювання в діапазоні 0.4 - 1 мкм приводить до активації імунної системи, регенераційних процесів клітин фагоцитарної системи, збільшення гемоглобіну в крові, покращення властивостей клітинних мембран і т.д. [5].