Биостимуляция лазерным излучением

Биостимуляция представляет собой действие низкоинтенсивного лазерного излучения без термических и выраженных фотохимических эффектов. Она нашла широкое эффективное терапевтическое применение во многих областях медицины. В то же время биофизические механизмы, лежащие в основе терапевтического действия, остаются гипотетическими.

Для биостимуляции используется низкоинтенсивное лазерное излучение в пределах плотности мощности излучения q = 0,1 – 100 мВт/см² и плотности энергии . Оно не вызывает видимых деструктивных изменений в тканях. Длина волны излучения обычно лежит в пределах 0,34 – 1,3 мкм. Чаще используется излучение He-Ne лазера (0,63 мкм) и излучение ближнего ИК диапазона. Отчасти это связано с глубиной проникновения излучения в биоткань.

Лазеротерапевтические методы получили широкое распространение в различных медицинских специальностях, но особенно в стоматологии, дерматологии, хирургии, офтальмологии и оториноларингологии.

В хирургии излучение He-Ne лазера применяется при гнойных маститах, обострениях хронического остеомиелита, послеоперационных инфильтратах. По имеющимся данным, у всех больных после нескольких лазерных воздействий отмечается стихание воспалительного процесса, уменьшение болей и инфильтрации тканей.

He-Ne лазер применяют для терапии больных с трофическими язвами и длительно незаживающими и инфицированными ранами либо как самостоятельный метод, либо в комбинации с высокоинтенсивным лазерным излучением.

He-Ne лазер применяют в хирургии в комплексе с другими методами лечения при флегмонах, абсцессах, воспалительных инфильтратах, артритах, остеомиелитах.

В стоматологии терапевтическое действие лазерного излучения используется в профилактике и лечении пульпитов, периодонтитов, гингивитов, различных форм стоматитов, при травмах и предраковых заболеваниях слюнных желез, невралгии тройничного нерва.

В оториноларингологии терапевтическое действие лазерного излучения используется при заболеваниях носа, глотки, околоносовых пазух и уха.

На основании экспериментальных исследований были установлены следующие основные закономерности:

– биологический эффект увеличивается с увеличением мощности излучения (в определенном диапазоне),

– биологический эффект зависит от интервалов между сеансами,

– эффективность лечения зависит от суммарной дозы облучения,

– выбор оптимальной терапевтической дозы определяется: а) физическими параметрами излучения, б) оптическими свойствами биообъекта, в) индивидуальными особенностями биообъекта и г) стадией патологического процесса,

– необходимость разделения «стимулирующей» дозы (0,1 – 100 мВт/см²), противовоспалительной и анальгезирующей дозы (до 200 мВт/ см²) дозы для фотодинамической терапии (400-800 мВт/см²) и рефлексотерапевтической дозы (обычно 0,1 – 0,6 мВт при диаметре области 1,5 мм, что составляет 10 мВт/см², иногда используется высокоинтенсивное лазерное излучение),

– эффективно сочетание различных методик воздействия (например, крови, проекционных зон позвоночника, местное облучение кожи),

– эффективно сочетание различных доз (например, при лечении воспалительных заболеваний: на первых стадиях – противовоспалительные дозы, на последней – стимулирующие).

В настоящее время часто используются импульсные терапевтические лазеры мощностью в импульсе от 4 до 400 Вт и даже до 1 кВт при наносекундной длительности. Реально используются мощности до 10 Вт. При этом плотность мощности излучения составляет величину до 10 Вт/см².

Преимущества частотного режима воздействия:

1. Частота следования импульсов (или частота модуляции излучения) может быть резонансной к частотам функциональной активности тех или иных биологических структур.

2. К импульсным воздействиям, по сравнению с непрерывными, в меньшей степени развивается адаптация, что позволяет достичь лучшего терапевтического эффекта.

3. При импульсном воздействии уменьшается тепловое воздействие.

4. Импульсное воздействие гораздо разнообразнее непрерывного по своим физическим характеристикам. Это облегчает индивидуализацию терапии.

На уровне тканей и органов действие низкоэнергетического лазерного излучения проявляется в следующем:

– стимуляция изменений рецепторной чувствительности,

– укорочение фазы воспаления,

– увеличение потребления тканями кислорода,

– улучшение микроциркуляции крови,

– активизация переноса веществ через сосудистые стенки.

Результирующий фотобиологический эффект действия лазерного излучения на организм в целом выражается в противовоспалительной, регенеративной, иммунокорректирующей и бактериостатической реакциях. Вызывает спазмолитическое действие и нормализацию липидного обмена.

Противопоказания для лазерной терапии:

– наличие или потенциальная угроза кровотечения,

– острые воспалительные и, особенно, воспалительно-деструктивные процессы,

– активные формы онкологических заболеваний,

– фотодерматозы и другие виды патологических реакций на фотовоздействие,

– некоторые формы гематологических заболеваний и ряд других.

В целом, лазерную терапию не следует применять во всех сомнительных случаях, когда неясен патогенез заболевания или отсутствуют данные о положительном опыте применения лазерной терапии в подобных ситуациях.

Основные модели действия низкоэнергетического лазерного излучения на биологические ткани.

Действие лазерного излучения на биологические ткани обсуждается в научной среде последние 30-35 лет. Однако единой общей теории терапевтического действия лазерного излучения пока не существует.

Большинство исследователей рассматривают физическое действие лазерного низкоинтенсивного излучения со следующих позиций. Основной закон фотобиологии заключается в том, что биологический эффект вызывает лишь излучение такой длины волны, при которой оно поглощается молекулами или фоторецепторами тех или иных структурных компонентов клеток. Поиски фоторецепторов и фотоакцепторов ведутся давно. Данные современной физиологии не подтверждают наличие на коже животных и человека специфических фоторецепторов. Однако некоторыми исследователями их наличие принимается возможным.

В отношении акцепторов электромагнитного излучения оптического диапазона мнения ученых разделились: одни считают, что существуют специфические акцепторы строго определенных длин волн излучения, другие считают, что поглощение излучения идет неспецифическими фотоакцепторами. Эти неспецифические фотоакцепторы могут быть разделены на 2 большие группы:

1) биополимеры (белки, ферменты, биологические мембраны, пигменты и др.)

2) биологические жидкости (лимфа, кровь, плазма, внутриклеточная вода).

Кожа человека, через которую обычно действует лазерное излучение, по-разному пропускает электромагнитные волны светового диапазона. В диапазоне от 0,6 до 1,2 мкм наблюдается так называемая оптическая прозрачность биологических тканей, в ближней ИК области свет может проникать фактически на несколько сантиметров в глубину ткани.

В механизме лечебного действия можно рассмотреть несколько стадий. Первая стадия – поглощение лазерного излучения. В этой стадии происходящие процессы могут быть описаны как физические. При поглощении веществом кванта света один из электронов молекулы переходит на верхний энергетический уровень, при этом молекула переходит в возбужденное синглетное или триплетное состояние. Дальнейшее преобразование энергии может происходить как ряд физико-химических процессов в организме.

Возможности реализации энергии атома или молекулы в синглетном состоянии следующие:

1) превращение в тепло,

2) испускание квантов флюоресценции,

3) фотохимическая реакция,

4) передача энергии другой молекуле,

5) переход атома или молекулы в триплетное состояние.

Возможности реализации энергии атома или молекулы в триплетном состоянии:

1) безызлучательный переход в основное состояние,

2) испускание кванта фосфоресценции,

3) фотохимическая реакция,

4) передача энергии возбуждения другой молекуле.

Производство синглетного кислорода – первичная причина стимулирующего действия низкоинтенсивного лазерного излучения.

Согласно модели (Ильичев В. И., 1989), вблизи каждой возбужденной молекулы происходит перестройка окружающей среды. Если раствор находится в метастабильном состоянии, что типично для биологических жидких сред, то рост центров новых структур происходит без затрат энергии. Это приводит к изменениям энергетики и кинетики метаболических процессов, что способствует развитию биостимулирующего эффекта.

Существует также теория (Каплан М.А.,1990), основанная на предположении, что воздействие лазерного излучения приводит к возникновению неоднородного температурного поля в биоткани вследствие неоднородности расположения поглощающих центров. В результате происходит изменение концентрации ионов в растворе вблизи клеточной мембраны, что нарушает ионный баланс. Увеличивается осмотическое давление на мембрану, и она деформируется, что влияет на метаболические процессы в клетках.

Существует теория биоэлектрического триггера (Илларионов В.И., 1992), что предполагает «включение» биологической реакции при поглощении излучения. Ее основные положения следующие.

1. Электрический статус клетки или группы клеток в зоне облучения определяется триггерным механизмом приспособления в ответ на действие физических факторов, включая низкоинтенсивное лазерное воздействие.

2. Изменение электрического статуса клеток под действием физиотерапевтического фактора играет ведущую роль в развитии последующих ответных реакций организма.

3. Биоэлектрические параметры клеточного метаболизма являются определяющими для выработки объективных критериев оптимизации доз физиотерапевтического действия лазерного излучения.

Последовательность возможных реакций вещества при воздействии низкоинтенсивного излучения на атомно-молекулярном уровне можно представить себе таким образом:

– поглощение света фотоакцепторами ткани,

– внутренний фотоэлектрический эффект и/или его проявление,

– электрическая диссоциация ионов, возбуждение атомов и молекул,

– рассеяние энергии,

– первичные фотофизические акты,

– появление первичных фотопродуктов.

Таким образом, восприимчивость биоструктур к низкоэнергетическому лазерному излучению обусловлена наличием совокупности специфических и неспецифических фотоакцепторов, которые поглощают энергию этого излучения и обеспечивают ее трансформацию в биофизических и биохимических процессах.

Низкоэнергетичное лазерное облучение биообъекта вызывает в тканях и органах различные эффекты, связанные с непосредственным и опосредованным действием излучения. Непосредственное действие проявляется в объеме тканей, подвергшихся облучению. При этом лазерное излучение взаимодействует с фотоакцепторами, запуская весь комплекс фотофизических и фотохимических реакций. Помимо фотоакцепторов, воздействие излучения происходит также на различные молекулярные образования, в которых происходит нарушение слабых атомно-молекулярных связей. Это усиливает действие лазерного излучения.

Опосредованное действие связано либо с трансформацией энергии излучения и ее дальнейшей миграцией, либо с передачей энергии различными путями и способами. Основные проявления этого действия следующие:

– переизлучение клетками электромагнитного излучения,

– передача эффекта воздействия излучения через жидкие среды организма,

– передача энергии излучения по каналам рефлексотерапии.

Модель информационного действия низкоинтенсивного лазерного излучения была предложена А.А.Прочухановым в начале 2000-х годов, в отличие от других исследователей, рассматривающих эту проблему в рамках классической биофизики и молекулярной биологии, она предполагает, что терапевтическое действие лазерного излучения определяется преимущественно не его энергетическими характеристиками, а когерентностью.

Основой построения теоретической модели явились следующие экспериментальные факты. Исследования выжигания злокачественных опухолей лазерным излучением (меланома у мышей), быстро прогрессирующие заболевания, показало, что действие лазерного излучения не сводится исключительно к физическому удалению опухоли, но приводит к усилению противоопухолевой защиты, причем не только вокруг некроза, но и в регионарных лимфатических узлах – усиление фагоцитарной реакции. Встал вопрос о механизме усиления иммунной защиты. Одна из гипотез связывала его с рассеянным низкоинтенсивным излучением в окружающих тканях ( 5 Дж). В связи с этим проводились исследования действия низкоинтенсивного излучения разного спектрального диапазона и мощности на нормальные ткани. Наблюдалась стабилизация клеточного метаболизма и усиление местной иммунологической защиты при действии излучения от синего до ИК диапазона в пределах дозы 0,1 – 1 Дж. Дальнейшие эксперименты, проведенные на миокарде, показали неспецифичность действия низкоинтенсивного лазерного излучения на биологический объект, отличие от обычного фотохимического эффекта и классических фотобиологических представлений о трансформации энергии.

Результатом исследований явилось выдвижение следующих гипотез. Биологический эффект не зависит от основных физических параметров излучения. Принципиальной является временная когерентность. Мощность, длина волны и прочие параметры определяют лишь степень реакции биосистемы, а не ее характер и качество (не сущность реакции). Роль самой биосистемы в ее реакции на биологически активный фактор определяется ее исходным состоянием и фазой жизненного цикла конкретных клеток при взаимодействии с биологически активным фактором. Низкоинтенсивное лазерное излучение как биологически активный фактор взаимодействует с биосистемой независимо от наличия или отсутствия фоторецепторов. Это взаимодействие определяется не энергообменом, а биоинформационными процессами в конкретных биологических структурах. Чтобы конкретная биосистема, например клетка, почувствовала информационный сигнал, достаточно минимального количества энергии 1Дж/ , что составляет Дж на клетку. Это диапазон энергетических параметров транспортных процессов в биомембранах клеток. Таким образом, лазерное излучение воздействует на биосистему, потому что оно когерентно и когерентность заложена в биосистеме на любом уровне ее организации как основное свойство всего живого.

Модель информационного действия низкоинтенсивного лазерного излучения определяет основные закономерности.

1. Нормальные клетки не реагируют на низкоинтенсивное лазерное излучение при отсутствии в них признаков повреждения.

2. Протективный характер действия низкоинтенсивного лазерного излучения (сохранение порогов устойчивости того оптимального биопериодического процесса, который определяет организацию данной биосистемы).

3. Сохранение в памяти биосистемы эффекта низкоинтенсивного лазерного излучения (повышение устойчивости биосистемы к действию повреждающего фактора может быть реализовано предварительным облучением).

4. Передача информации как в пределах данного клеточного региона, так и за его пределы – на уровень регулирующих систем организма.

5. Наличие биологических посредников, то есть трансляторов биологического действия. В частности, кровь является универсальным биотранслятором.