Механизмы физического взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Фотофизические и фотобиологические процессы в биотканях Факторно-рецепторная цепь преобразований

На основе предыдущего материала сделаем вывод о том, что факторами оптического излучения, определяющими тип и характер фото- биологических процессов, протекающих в тканях организма, являются длина волны и интенсивность излучения. Таким образом, более тонкое управление этими факторами открывает широкие возможности для формирования фотобиологических процессов в организме. То же самое касается и регуляции времени воздействия излучения на ткани. Такие возможности представляются при использовании лазерных оптических источников излучения. Лазер, или оптический квантовый генератор, - это техническое устройство, испускающее свет в виде направленного сфокусированного, высококогерентного монохроматического, поляризованного пучка электромагнитных волн.

Существующие лазеры охватывают широкий диапазон длин волн: от ультрафиолетового до субмиллиметрового.

В зависимости от характера взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями различают три вида фотобиологических эффектов.

  • 1. Фотодеструьсгивное воздействие, при котором тепловой, гидродинамический, фотохимический эффекты света вызывают деструкцию тканей. Этот вид лазерного взаимодействия используется в лазерной хирургии. Заметим, что с помощью лазеров возможно достигнуть плотности энергии излучения около 1015 Вт/м2, в то время, как плотность излучения Солнца составляет только порядка 107 Вт/м2.
  • 2. Фотофизическое и фотохимическое воздействие лазера, при котором поглощенный биотканями свет возбуждает в них атомы и молекулы, вызывает фотохимические и фотофизические реакции. На этом виде взаимодействия основывается применение лазерного излучения как терапевтического.
  • 3. Невозмущающее воздействие, когда биосубстанция не меняет своих свойств в процессе взаимодействия со светом. Это такие эффекты, как рассеивание, отражение и проникновение. Этот эффект используют для диагностики (например, лазерная спектроскопия).

Способность биотканей накапливать световую энергию с определенными частотными характеристиками в пространстве и во времени, может быть использована для селективного воздействия излучения на атомы, ионы, молекулы и молекулярные комплексы, позволяющего запускать фотофизические и фотохимические процессы в тканях, а также рефлекторные реакции в организме, в том числе и на информационном уровне.

Фотофизические реакции обусловлены преимущественно нагреванием объекта до различной степени (в пределах 0,1...0,3 °С) и распространением тепла в биотканях. Разница температуры более выражена на биологических мембранах, что ведет к оттоку ионов Na+ и К+, раскрытию белковых каналов и увеличению транспорта молекул и ионов. Фотохимические реакции обусловлены возбуждением электронов в атомах поглощающего свет вещества. На молекулярном уровне это выражается в виде фотоионизации вещества, его восстановления или фотоокисления, фотодиссоциации молекул, в их перестройке - фотоизомеризации.

В биологических структурах организма за счет перераспределения под влиянием фотонов лазерного излучения собственных электромагнитных полей и свободных зарядов происходит прямая «энергетическая подкачка» облучаемых элементов организма. Первичные химические реакции сопровождаются появлением свободных радикалов в небольшом количестве, которые в свою очередь запускают процессы окисления биосубстратов, имеющие цепной характер.

В настоящее время доказано, что низкоинтенсивное лазерное излучение обладает выраженным терапевтическим действием.

В лазеротерапии применяются световые потоки низкой интенсивности, не более 100 мВт/см2, что сопоставимо с интенсивностью излучения Солнца на поверхности Земли в ясный день.

Под воздействием низкоинтенсивного (недеструкгивного) лазерного излучения происходит стимуляция метаболической активности клетки. Стимуляция биосинтетических процессов может быть одним из важных моментов, определяющих действие низкоинтенсивного излучения лазера на важнейшие функции клеток и тканей, процессы их жизнедеятельности и регенерации (восстановления).

Спектр поглощения биополимерами электромагнитных волн оптического диапазона весьма широк. Так, белки (в том числе аминокислоты, различные остатки белковых молекул и др.) в зависимости от сложности их структуры поглощают свет от ультрафиолетового до инфракрасного спектра.

Биологические жидкости, являясь сложными многокомпонентными системами и обладая свойствами жидких кристаллов, реагируют структурной альтерацией вещества даже на слабые внешние физические воздействия. Наличие в их составе (в частности, в крови) форменных элементов (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты и др.) существенно повышают восприимчивость и чувствительность жидких сред организма к внешнему воздействию различных физических факторов, в том числе низкоэнергетического лазерного излучения.

Низкоэнергетическое лазерное облучение биообъекта вызывает в тканях и органах различные эффекты, связанные с непосредственным и опосредованным действием электромагнитных волн оптического диапазона.

Основными проявлениями этого действия могут быть переизлуче- ние клетками электромагнитных волн, передача эффекта воздействия низкоэнергетического лазерного излучения через жидкие среды организма либо передача энергии этого излучения по каналам сенсорной системы организма.

Описанные механизмы распространения действия лазерного излучения в организме подтверждают, что в высокоорганизованной системе (в частности, в человеческом организме) все ее элементы тесно взаимосвязаны и каждый из них может изменять свое состояние, лишь отражая или вызывая изменение любого другого элемента или системы в целом.

Таким образом, электромагнитные поля и излучения имеют определенное пространственно-временное распределение энергии в биотканях, которая при их взаимодействии на пути своего распространения трансформируется в другие виды (механическую, химическую, тепловую и др.), что в свою очередь вызывает генерацию потенциалов в сродственных им рецепторах (тензорецепторах, терморецепторах и др.). Комплекс реакций ЦНС, включающий в себя первичные отклики, непосредственно вызванные воздействием физического фактора, а также корректировочные или «следовые» реакции, определяемые в обратной связи изменениями в биотканях под воздействием этих откликов ЦНС, вызывают физико-химические сдвиги и биологические процессы в организме, которые формируют конечный терапевтический эффект, возникающий в результате воздействия этого физического фактора на организм.

Следовательно, терапевтический эффект от воздействия физического фактора (например, лазерного излучения) на элементы живого организма и, в частности, на биоткани, определяется степенью гомеостаза объекта. Степень гомеостаза в свою очередь характеризует состояния и процессы, обеспечивающие реакцию систем организма на внешние возмущения.

С точки зрения применения физических методов исследования процессов, происходящих в биотканях, вызванных воздействием физических факторов, наибольший интерес представляют преимущественно области очень малых и очень больших интенсивностей. В первой из них возможно применение ряда наиболее чувствительных физических методов исследования, не требующих сильных световых потоков и, следовательно, не вносящих искажений в результаты измерений за счет гомеостатических реакций даже на локальном уровне.

Традиционная прикладная фотобиология с использованием источников света, основанная на тепловых воздействиях, довольно успешно развивалась на протяжении многих веков (есть свидетельства о том, что еще в Древнем Египте и Индии тысячи лет назад применялась фототерапия с помощью солнечного света и лекарственных препаратов, изготовленных из растений) и в настоящее время переформировалась в практическую фотомедицину с тремя главными направлениями: диагностика, терапия и хирургия. Наряду с решением задач, уже достаточно давно основанном на использовании знаний об электромагнитных полях оптического диапазона и физических особенностей источников этих излучений, вместе с возникновением в практике источников, формирующих новые, редко встречаемые во внешней среде, типы излучений (в частности, лазерного), стимулируется постановка и успешное решение таких проблем, которые ранее или вовсе не ставились, или решались косвенным путем, а также обеспечивается новый уровень при решении традиционных вопросов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >