Механизмы биостимулирующего действия низкоэнергетического излучения ГНЛ
Лазерное излучение является для живого организма неординарным искусственным раздражителем, не встречающимся в обычных условиях. Под биологическим действием лазерного излучения понимают совокупность структурных, функциональных и биохимических изменений, возникающих в живом организме в результате облучения монохроматическими лучами. В отличие от физических химические и биологические процессы, лежащие в основе облучения лазеров с биологическими объектами, мало изучены.
Результаты воздействия лазерного излучения на биологические объекты определяются как физическими свойствами отдельных тканей организма (отражающей и поглощающей способностью, теплоемкостью, теплопроводностью, акустическими и механическими свойствами), так и характеристиками лазерного излучения, основными из которых являются энергия в импульсе, плотность мощности, длина волны излучения.
Несмотря на активное использование в клинике и эксперименте излучения ГНЛ механизм стимулирующего действия низкоэнергетического излучения во многом остается неясным. Изучение природы первичной реакции привело к рождению гипотезы, что в биологическом объекте мишенью для излучения ГНЛ кроме обычных светочувствительных пигментов типа родопсина является и фермент каталазы. Один из максимумов резонансного поглощения каталазы находится в красной области спектра (длина волны 628 нм), что очень близко к длине волны излучения ГНЛ. Облучение им гомогенатов печени ведет к повышению ферментативной активности каталазы. Особо выразительный эффект активации каталазы под действием лазерного облучения выявляется, если до облучения внутримышечно вводить ингибитор З-амино-1, 2, 4-триазол. Так, если в обычных условиях лазерное облучение области печени у крыс в течение 30 мин при плотности мощности излучения 2,5 мВт/см2 ведет к повышению активности каталазы на 16%, то на фоне действия ингибитора, когда фоновая активность каталазы подавлена, этот же показатель возрастает на 41%. Активация каталазы под действием ГНЛ стимулирует усиление образования АТФ в митохондриях и снижение свободнорадикального окисления (С. М. Зубкова, 1978). Высокой чувствительностью к лазерному облучению обладают клеточные и внутриклеточные мембраны как границы физико-химических сред.
Есть предположение, что при повышении интенсивности или недостаточности адекватных мишеней в организме вода может стать основным носителем энергии ГНЛ. В этом случае возрастает удельный вес теплового эффекта и теряется специфичность действия лазерного излучения. Следовательно, меняется направленность метаболических сдвигов.
Стимулирующее действие ГНЛ пытались объяснить давно известным наблюдением о том, что самые различные повреждающие агенты химической и физической природы в малых дозах способны несколько стимулировать биологическую активность органов и систем. Но эта точка зрения не объясняет уникальную способность к стимулирующему действию лазеров с длиной волны излучения именно в красной области спектра (Н. Ф. Гамалея, 1981).
Биостимулирующее действие должно быть детерминировано спектральными характеристиками излучения (Н. Ф. Гамалея, 1981). Длина волны имеет важное значение, поскольку способность к биостимулирующему действию является качественным отличием излучения ГНЛ от других лазеров. Помимо технических трудностей обилие неисследованных вопросов связано с отсутствием простого теста на определение лазерной биостимулирующей активности в биологическом объекте.
Подтверждением важной роли длины волны для особенностей биологического действия являются данные о том, что свет красной области проникает в биологические ткани лучше, чем излучение других участков видимого и УФ-диапазонов спектра. А. М. Уразаев сравнивал ослабление излучения ГНЛ и аргонового лазера при прохождении через различные участки тела живых депиллированных крыс. Было выяснено, что глубина проникновения излучения красной области спектра выше, чем сине-зеленого излучения, причем наиболее резко эта разница выражена в случае интенсивно васкуляризованного органа с обильным кровенаполнением. По данным С. Д. Плетнева и др. (1978), глубина проникновения при действии гелий-неонового, гелий-кадмиевого и азотного лазеров не превышает 2,5 мм, причем наименьшая у гелий-кадмиевого (синее излучение). Н. Б. Лапрун (1977) разработала способ измерения проникновения лучей ГНЛ в ткани животных.
Фундаментальный вклад в проблему изучения механизмов биостимулирующего действия излучения ГНЛ внесен киевской группой авторов под руководством Н. Ф. Гамалея, которые в течение многих лет являются первопроходцами внедрения лазеров разных типов в биологию и медицину Н. Ф. Гамалея (1981), отталкиваясь от положения о единстве общебиологических закономерностей для животных и растений, а также учитывая, что в процессе эволюции красный свет стал ярко выраженным биотическим фактором, объяснял стимулирующее воздействие излучения ГНЛ влиянием его на специфические системы фоторегуляции, присущие всем живым организмам. По его мнению, в пользу предположения о том что биостимулирующее действие ГНЛ реализуется через особую фоторегуляторную систему, свидетельствует сходство между характером проявления биологической активности лазерного излучения и особенностями функционирования фоторегулирующих систем растений и микроорганизмов. Отличительными чертами этих систем, в частности, являются высокая чувствительность к свету (Л. Б. Рубин, 1969; W. Briggs, Н. Rige, 1972), которую следует сопоставить с удивительно малыми дозами, дающими эффект при практическом применении излучения ГНЛ; их способность контролировать фоторегуляторные системы над синтезом РНК и белка.
А. П. Ракчеев и др. (1981) предложили рассматривать излучение ГНЛ как новый вид неспецифической терапии, рефлекторно действующий на периферические нервные окончания и способствующий улучшению обменных процессов в очаге облучения путем создания условий для восстановления нормальной трофики в пораженном очаге.
По мнению А. Д. Чеснокова и В. Д. Чесноковой (1976), возможный механизм восприятия монохроматического излучения в ткани связан со специфической организацией пластинчатых структур составных элементов целого ряда клеток и транспорта носителей заряда вглубь структуры. Лазерное излучение, действующее на пластинчатую систему, поглощается в пограничных слоях, вследствие чего концентрация носителей тока вблизи границы системы оказывается больше, чем в ее глубине. Авторами сделано предположение о том, что пластинчатые системы преобразуют энергию лазерного излучения в электрический потенциал, который и обусловливает биологический эффект воздействия.
Следствием биостимулирующего действия является способность излучения ГНЛ вызывать высокую пролиферативную активность тканей. Так, при облучении кожи ГНЛ мощностью 2,5 мВт/см2 в течение 10 мин отмечается увеличение числа соединительно-тканных элементов в поверхностном слое дермы, повышение плотности и толщины эпителиального слоя волосяных влагалищ, при этом индекс митотической активности возрастает в 5 раз по сравнению с интактными животными. Интенсивность восстановительных процессов повышается не только непосредственно в облучаемом участке кожи, но и во внутренних органах. Так, курс облучений эпигастральной области у крыс способствует усилению регенерации в печени после ее частичной резекции. В печени облученных крыс количество РНК спустя 30 ч после облучения составляет 37% от исходного уровня, тогда как у необлученных – 29% (О. В. Крылов, 1980).
Помимо активации пролиферации курс лазерного облучения плотностью энергии 13 Дж/см2 оказывал у крыс радиозащитное действие по показателю выживаемости при воздействии гамма-лучами в дозе 600 рентген. Так, выживаемость к 30 дню после ионизирующей радиации у крыс, подвергнутых предварительному воздействию ГНЛ, составляла 95%. Следует отметить, что при воздействии только ионизирующей радиации в дозе 600 рентген животные погибают на второй неделе после облучения, а при предварительном лазерном воздействии их гибель сдвигается к третьей неделе. Таким образом, при действии ионизирующей радиации лазерное облучение способствует выживаемости и увеличению продолжительности жизни. В |основе формирования устойчивости организма к ионизирующей радиации лежат, вероятно, снижение свободнорадикального окисления, повышение потенциала клетки и усиление пролиферативной активности.
М. Т. Александров и А. А. Прохончуков (1981) также выдвинули гипотезу механизмов биостимулирующего действия ГНЛ. По их биогенные эффекты как результат воздействия лучевых факторов, могут быть условно подразделены на три основные категории. К первой носятся первичные эффекты (изменение энергетического содержания электронных уровней молекул живого вещества, стереохимические стройки его молекул, коагуляция белковых структур), вторичные эффекты (фотодинамический эффект и эффект фотореактивации, эффект стимуляции биопроцессов или их угнетение), изменение функционального состояния как отдельных систем, так и организма в целом, и так называемые эффекты последействий (упругие колебания свернувшегося белка, образование токсических продуктов тканевого обмена). Авторы подчеркивали, что при анализе комплекса вторичных эффектов необходимо учитывать еще один важный момент, вносящий коррекцию в состояние биологической системы. Имеются в виду вторичные факторы лучевого воздействия, которые генерируются непосредственно облученными тканями. К этим факторам следует отнести нелинейные оптические эффекты, электрострикцию, ультразвуковые колебания.
Сведения по поводу этих факторов минимальны, однако свидетельствуют об определенной роли, которую они играют в механизмах развития комплекса биогенных эффектов лазерного облучения. В частности, нелинейные оптические эффекты связаны с возбуждением в живых тканях, облученных в диапазоне волн заданной длины, «вторичных гармоник», представляющих собой излучение с новыми параметрами. Так, при облучении в красной области спектра тканевые субстраты начинают излучить в УФ-диапазоне, обладающим хорошо известным биогенным действием.
Следует подчеркнуть, что вторичные эффекты облучения представляют собой комплекс реакции организма, направленных на восстановление его гомеостаза. Причем первичные эффекты определяют непосредственные изменения в тканях, а вторичные находятся с ними в корреляционной зависимости.
В биостимулирующем действии излучения ГНЛ в равной степени участвуют нервные и гуморальные звенья регуляции вегетативных систем организма. При изучении системного биологического действия небольших интенсивностей лазерного излучения А. Н. Семеновым и В. А. Сынгаевской (1969) было установлено, что воздействие ГНЛ продолжительностью 10-20 мин вызывает у крыс гормональную реакцию со стороны надпочечников, которая проявляется уменьшением количества эозинофилов в периферической крови на 30–70%, увеличением веса надпочечников на 20% и уменьшением содержания липоидов в коре надпочечников. Но через 2-3 ч после облучения гормональная реакция снижалась до исходного уровня. У крыс со слабым типом нервной системы возвращение к исходному уровню протекало более длительно (5–6 ч). Подобная гормональная регуляция обнаруживалась лишь после многократного облучения импульсными лазерами.
В. М. Инюшин и П. Р. Чекуров (1975) приводят данные о сравнительном анализе субстанционных изменений в надпочечнике при воздействии монохроматическим поляризованным красным светом и излучением ГНЛ. Обычно после однократного двухминутного облучения монохроматическим красным светом снижалась сорбция красителя, что свидетельствовало о повышении функции надпочечников. К третьему дню после начала двухразовых облучений сорбция надпочечника увеличивалась более чем на 50% и к шестому дню опять начинала приближаться к норме. Лазерный свет вызывал более быстрый подъем сорбции, который отмечался уже через 30 мин после однократного облучения. Потом шло нарастание сорбции почти в два раза с последующим спадом на 6 и 10-й день. Следовательно, надпочечники отвечают более заметным изменением своей функции при воздействии на них монохроматического красного света с длиной волны 632 нм, чем монохроматическим некогерентным излучением с максимумом около 640 нм.
Н. М. Никитин и А. И. Маслаков (1977) также отмечали резкие изменения функционального состояния гипофизарно-надпочечниковой системы под влиянием излучения ГНЛ. В крови экспериментальных животных значительно возрастало содержание кортикостероидов в течение сеанса и сохранялось несколько часов после его окончания.
О роли в механизмах биостимулирующего действия излучения ГНЛ на реакцию нервных образований указывает А. Б. Узденский (1981). Он установил, что длительное непрерывное микрооблучение вызывало фазные изменения импульсной активности нейрона растяжения рака: после латентного периода (фаза 1) частота импульсов увеличивалась (фаза 2), затем уменьшалась (фаза 3), потом вторично возрастала (фаза 4), после чего происходило необратимое блокирование импульсации активности (фаза 5). Из четырех различных функционально специализированных областей нейрона наиболее чувствительной оказалась околоаксонная область сомы, наименее чувствительной – дендрит. Автор также обратил внимание, что лазерное излучение в синей области спектра обладает значительно более высокой биологической эффективностью, чем излучение в красной области спектра. Поэтому была высказана рекомендация исследовать возможность применения излучения гелий-кадмиевого лазера в физиотерапии.
По мнению В. М. Инюшина (1970), клинико-экспериментальные данные свидетельствуют о том, что под действием малых интенсивностей излучений ГНЛ происходит активирование энергетических процессов в нервной системе. Частоты, лежащие в коротковолновой части красного спектра, оживают энергезирующее влияние на нервные рецепторы. Поэтому наиболее перспективным местом приложения воздействия излучения ГНЛ является нервная система с ее многочисленными рецепторными элементами. Липидные мембраны последних обладают полупроводниковыми свойствами. Порог активации таких мембран лежит в красной части спектра.
Активация как первичный процесс будет проявляться в увеличении концентрации свободных носителей заряда.
Исследования Т. А. Аджимолаева и О. А. Крымова (1977) биоэнергетических процессов полярографическим методом в остром опыте показали, что при облучении мозга лазерное излучение влияет на активность митохондрий коры головного мозга, уменьшая количество потребленного кислорода, укорачивая время фосфорилирования и повышая коэффициент фосфорилирующей активности. Усиление биоэнергетических процессов в митохондриях связано с повышением пероксидазной активности этих органелл, что отчетливо выявляется в опытах с АТ (З-амино-1, 2,4-триа-зол). Этот ингибитор пероксидазной активности каталазы действует на митохондрии контрольных животных следующим образом: снижается скорость окисления глютамата и сукцината, уменьшается скорость дыхания митохондрий в третьем и четвертом состояних. Митохондрии животных, подвергшихся лазерному облучению, иначе реагируют на этот ингибитор; скорость окисления глютамата не уменьшается так резко, как у контрольных животных, а коэффициент фосфорилирующей активности сохраняется на уровне нормы.
Б. А. Атчабаров и 3. Ф. Бойко (1980) в работах, связанных с облучением нервной ткани, показали, что монохроматический красный свет вызывает снижение адаптационных свойств ткани, т. е. повышает ее чувствительность, что ведет к возникновению усиленной ответной реакции на раздражитель.
Действие лазерного излучения малой мощности на кожу, вызывает расширение сосудов, увеличение количества тучных клеток в ней и некоторое повышение активности ферментов энергетического обмена, что демонстрирует стимулирующее влияние такого излучения на процессы обмена в коже (Г. М. Цветкова, А. П. Ракчеев, 1976). Воздействие излучением ГНЛ на кожу и слизистую полости рта белых крыс вызывало обменно-структурные перестройки, обусловленные изменениями функциональной активности клеточных элементов эпителия.
