Дипломная (вкр): Медицинское действие поляризованного света на клетку

Рисунок 13-Зависимость абсорбации света от длины волны

Красный диапазон λ=650 нм проникает до 25 мм, особенно эффективен для воздействия на мышцы и органы, расположенные на небольшой глубине под кожей: поддерживает продукцию эритроцитов и гемоглобина, оказывает регулирующее действие на органы чувств, ускоряет кровоток, обеспечивает быструю дезинтоксикацию путем выведения токсинов через кожу, активизирует регенерацию поврежденных тканей (рисунок 13).

Его энергетическое воздействие, при той же длительности и мощности, выше, чем у ИК излучения[11, 12]. При воздействии на локальные кожные зоны красный цвет изменяет местную температуру в облученных тканях, вызывает расширение сосудов, увеличение скорости кровотока, что проявляется легкой гиперемией. Он повышает тонус поперечнополосатой и гладкой мускулатуры, стимулирует созревание коллагеновых структур. Отмечается выраженная стимуляция иммунитета и увеличивает количество эритроцитов. Красный цвет активизирует регенерацию поврежденных тканей, что используется для более быстрого заживления раневых и язвенных дефектов кожи и слизистых оболочек.

Зеленый и синий диапазоны энергетически значительно мощнее, задерживаются эпидермисом. Зеленое излучение поглощается более поверхностными тканями - эпидермисом и дермой, в подкожную жировую клетчатку проникает лишь 5% излучения. Глубина проникновения зеленого излучения в ткани составляет 3-5 мм. Зеленый диапазон λ=530 нм, оказывает стимулирующее действие на функцию гипофиза, регулирует гормональную сферу. Отмечено благоприятное действие зеленого цвета на микроциркуляцию, оказывает умеренное антиспастическое действие, что приводит к уменьшению отечности тканей. Обладая десенсибилизирующим эффектом уменьшает кожный зуд.

Синее излучение λ=460 нм тормозит нервно-психическую деятельность, понижает возбудимость нервных окончаний, оказывает противовоспалительное действие, способствует транспорту кислорода в ткани и кровь. Многочисленными исследованиями показана высокая терапевтическая эффективность светового излучения в зеленом и синем диапазонах длин волн [11]. Кроме того, глубина проникновения светового излучения в биоткань человека, а также поглощение и отражение, зависят в сильной степени от длины волны излучения. Так, в области диапазона 650 - 1200 нм наблюдается так называемая оптическая прозрачность биотканей, что означает наиболее глубокое проникновение в организм. Глубина проникновения излучения с длиной волны 950 нм может достигать 40 - 70 мм и уменьшается с уменьшением длины волны от красного к синему излучению.

В 1958 году появилось сообщение о снижении билирубинемии у детей с физиологической желтухой, подвергшихся действию солнечного света. R. Cremer показал, что энергия видимого света превращает непрямой билирубин плазмы крови в прямой, причем наиболее эффективно действует синий свет с λ=420 - 460 нм. Отдаленные наблюдения показали, что фототерапия не оказала какого-либо токсического действия, не повлияла на рост, развитие и нервную систему детей[13].

3. Исследования взаимодействия поляризованного света с биомолекулами

3.1 Воздействие света на клетку

Любое заболевание начинается с нарушения согласованной работы клеток, в том числе нормального взаимодействия клеток между собой.

Наше тело состоит из огромного количества клеток. Каждое расстройство здоровья отражается на клеточном уровне. В клетках организма же за регулирование обмена веществ отвечает мембрана. Как известно, она состоит из двойного фосфолипидного слоя. Молекулы фосфолипидов мембраны состоят из двух частей: одна из них несет заряд и гидрофильна (головка), другая - не заряжена и гидрофобна (хвостик). В клеточной мембране заряженные гидрофильные участки молекул фосфолипидов от одних молекул направлены внутрь клетки, а от других - наружу. В толще клеточной мембраны молекулы фосфолипидов взаимодействуют незаряженными гидрофобными участками (рисунок 14) [15].

Рисунок 14 - Здоровая клеточная мембрана

Со временем свойства мембраны нарушаются и клетка умирает. Этот процесс является нормальным, так как клетка заменятся новой. Однако в болезненном состоянии количество погибших клеток или повреждений превышает регенеративные возможности клетки. Источником нарушения мембраны может быть химическое воздействие (химическое отравление), физическое (асбест) или с помощью инвазивных микроорганизмов. Нарушение функции клеточной мембраны (пришедшие в беспорядочное движение полярные головки и липиды) приводит к нарушению функционирования энзимов мембраны и их рецепторов (отвечают за питание и поступление энергии в клетку), нарушаются проводящие функции. А это, в свою очередь, может привести к уменьшению активности цепи клеточного дыхания с дефицитом АТФ, химическая активность клетки снижается с уменьшением клеточного потенциала (энергии) приблизительно до 20 мВ. Затрудняется поступление информации, хранящейся в ДНК. Регенерационные процессы могут прекратиться (рисунок 15).

Рисунок 15 - Поврежденная клеточная мембрана

Падающий поляризованный свет воздействует на полярные головки фосфолипидов. То есть поляризованный свет физиологически воздействует на полярные головки в клеточной мембране. Выравниваются каналы в мембранах, благодаря которым происходит перенос веществ из клетки в межклеточное пространство и наоборот. И тем самым появляется возможность энзимам и их рецепторам продолжать процессы обмена. Это позволяет клетке быть оптимально функциональной. Митохондрии, отвечающие за дыхание клетки (энергетические резервы клетки) снова производят АТФ, клетка становится активной, и клеточный потенциал (разность потенциалов) повышается до уровня здоровой клетки - 70 мВ. Информация в ДНК может снова использоваться. Это способствует действию регенерационных процессов (рисунок 16).

Рисунок 16 - Результат действия поляризованного света

Поляризованный свет способен менять структуру мембраны, что отражается в изменении заряженных компонентов на ее поверхности. Поляризационные свойства линейно поляризованного света проявляются в поверхностных тканях примерно на глубине 0,025-0,03 см, а сам свет способен проникать на глубину 2,5 см [16].

Утрата поляризационных свойств, возможно, может произойти из-за того, что биологические ткани являются разнородными структурами и световые волны проходят разные оптические пути. Неоднородность структуры тканей обуславливает градиентное изменение коэффициентов преломления, не подчиняющееся известным законам, а зависящее только от структуры чередующихся тканей. Поэтому механизмы и особенности биологических эффектов линейно поляризованного света, прежде всего, обусловлены воздействием его на форменные элементы крови, находящиеся в момент облучения в сосудистой сети поверхностных тканей; поверхностно лежащие ткани; разнообразные рецепторные окончания, находящиеся на поверхностных тканях, а также действием на более глубокие ткани света с измененными свойствами. Помимо многочисленных опосредованных эффектов установлено прямое влияние поляризованного света на мембраны клеток. Мембрана в живых клетках находится в метастабильном состоянии, следовательно, может быть изменено прямым воздействием электрической составляющей электромагнитной волны. Линейно поляризованный свет действует на липидный бислой мембраны и вызывает в ней структурные изменения. Изменяется распределение структурных элементов мембраны, модифицируется поверхность клетки и, по-видимому, могут нарушаться связи между липидами и белками. Это объясняется изменением конформационной структуры липидного бислоя под действием поляризованного света. Мембранные изменения происходят в результате взаимодействия индуцированного поля полярных участков мембраны и электрической составляющей электромагнитной волны. При температуре около 37 °С состояние липидного бислоя близко к переходу в нестабильное состояние, поэтому даже минимальная энергия способна вызвать изменение комформации липидного бислоя. Так как в мембранах имеется очень тесный контакт между липидами и белками, то изменение конформационной структуры липидного бислоя оказывает влияние на процессы, протекающие с участием клеточной стенки [16].

Принцип действия поляризованного света сводится к следующему: под влиянием поляризованного света увеличивается энергетическая активность клеточной мембраны. Приводятся в действие регенерационные процессы, поглощение кислорода тканью увеличивается. Поляризованный некогерентный свет оказывает прямое воздействие на нервные окончания, меридианы и нервную систему.

Таким образом, свет вызывает изменения в организме на различных уровнях:

клетка: увеличение отрицательного поля клетки, положительное изменение активности клеточной мембраны, стимуляция обменных регенерационных процессов;

ткань: регенерация и нормализация ткани;

организм: поляризованный свет способствует улучшению общего самочувствия и укрепляет организм.

В своей исследовательской работе я рассматривала две гипотезы о механизме действия поляризованного света на клетку:

гипотеза о фотодинамическом действии;

гипотеза офотореактивация фермента супероксиддисмутазы(СОД).

Перовой гипотезой о действии поляризованного света на клетку является фотодинамическая гипотеза. Первичное действие поляризованного излучения направлено на мембраны и может сводиться к увеличению проницаемости данной мембраны для ионов кальция, растворённых в окружающей клетки среде. Вероятной причиной увеличения внутриклеточного кальция при поляризованном свете облучении может служить фотосенсибилизированное перекисное окисление (фотопероксидация) липидов клеточной и внутриклеточных мембран. Эндогенный хромофор, поглотивший квант света, инициирует фотосенсибилизированные реакции с образованием свободных радикалов, которые затем оказывают окисление липидов клеточной мембраны, сопровождающееся увеличением внутриклеточного  и возбуждением клетки [24].То есть окислительное повреждение различных биологических структур происходит в результате их облучения в присутствии поглощающих свет веществ, называемых фотосенсибилизаторами. Сенсибилизаторами могут быть разные природные соединения, в зависимости от длины волны действующего излучения. Примером сенсибилизатора в видимой области спектра могут служить порфирины, гемоглобин. Под действием поляризованного излучения электрон, сначала связанный с атомом, поглотив энергию фотона, разрывает связь с ядром атома и становится свободным. Следовательно, при облучении ткани поляризованным излучением в ней повышается концентрация свободных электронов [24]. Липидный бислой мембран становится проницаемым для ионов кальция в результате перекисного окисления. Это приводит к пассивному вхождению кальция в клетки, где его концентрация на 4 порядка величины ниже, чем в окружающей среде. Небольшое увеличение концентрации ионов приводит к стимуляции внутриклеточных процессов. Тогда как более высокие концентрации внутриклеточногоповреждают клетку.

При облучении поляризованным светом остеобластов с увеличением внутриклеточногонаблюдалась пролиферация этих клеток [25]. В другой работе было показано, что при облучении лазером иммунокомпетентных клеток мышей с увеличением внутриклеточного  наблюдалось увеличение продукции интерлейкина-2, увеличивалась скорость деления тимоцитов, клеток костного мозга, клеток киллеров[26]. Поэтому можно предположить, что последовательность событий в данных и многих других случаях выглядит так: после поглощения фотона света эндогенным фотосенсибилизатором, пероксидации липидов, далее вход  в клетку и происходит активация внутриклеточных процессов.

Чтобы проверить работу этой гипотезы, был проведен опыт. Для этого взяли пробу крови с наличием эндогенных хромофоров. Затем облучали эту пробу лазерным излучением низкой интенсивности. Мощность излучения составила 11 мВт, площадь облучения взята как 1. Доза облучения Dрассчитывалась по формуле:

(5)

где P - мощность излучения (Вт);

 - площадь воздействия излучения ;

t - время воздействия (с);

Рисунок 17 - Зависимость концентрации кальция от дозы облучения

По построенному графику видно, что концентрация кальция в цитоплазме лейкоцитов сначала растет пропорционально дозе излучения, а затем, достигнув определенного значения, уменьшается (рисунок 17).

Я считаю, что данная гипотеза допустима для получения стимулированного эффекта от поляризованного света. И по полученным данным, можно выдвинуть предположение о том, что по концентрации кальция можно определить наиболее эффективную дозу излучения.

Однако, необходимо учитывать, что повышенная концентрация кальция в клетке ведет к ее разрушению [27].

Второй гипотезой является фотореактивация супероксиддисмутазы. В соответствии с известным законом фотохимии, свет может действовать только на те компоненты клетки, которые это излучение поглощают. В области видимого излучения обладают поглощением железо- и медь-содержащие ферменты, такие как каталаза, цитохром-оксидаза, Cu-Mn-супероксиддисмутаза (Cu-Zn-СОД) и церулоплазмин. Cu-Zn-СОД - внутриклеточный фермент, выделяемый обычно из эритроцитов. В других клетках он также присутствует в виде пероксисомального фермента в фибробластах.

Существует работа в которой изучались спектры поглощения некоторых ферментов[24]. НативнаяCu-Mn-СОД обладает максимумами поглощения при 450 и 640 нм. При облучении поляризованным светом происходила реактивация СОД (рисунок 19).

Супероксиддисмутаза уменьшает концентрацию супероксидного радикала O2-, катализируя реакцию дисмутации. Защитное действие СОД обусловлено снижением концентрации супероксидных радикалов.O2- в среде в результате их дисмутации с последующим удалением перекиси водорода в реакциях, катализируемых каталазой и глутатион-пероксидазой.

Рисунок - 18 Активность СОД

Поляризованный свет ускоряет заживление ран. Одна из возможных причин такого действия лазерного облучения - стимуляция деления клеток и активация фагоцитов, основанная на рассмотренном выше увеличении проницаемости мембран клеток для ионов Ca2+. Вторая причина - снижение апосредованного цитотоксического действия супероксидных радикалов за счёт фотореактивации СОД (рисунок 18).

По исследованию двух гипотез я пришла к следующим выводам: