CC BY
49
РОЛЬ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ В ВЫБОРЕ АДЕКВАТНЫХ ДОЗ ИК ОБЛУЧЕНИЯ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ
А.Б. Веселовский, А.С. Митрофанов, Д. Сидельников, С.И. Фокин, Л.М. Студеникин, Л.И. Янтарева
В работе рассматривается роль плотности мощности инфракрасного излучения и длительности воздействия (времени экспозиции) при выборе оптимальных энергетических доз облучения биологических объектов. На примере одноклеточных организмов показано, что чрезмерно высокая плотность мощности излучения даже при минимальных экспозициях может вызвать дисфункциональные и деструктивные изменения в клетках
Введение
В клинической практике все более широкое применение находят полупроводниковые лазеры, генерирующие инфракрасное излучение.
Инфракрасное (ИК) излучение (800-1400 нм) проникает на глубину 40-70 мм. Поглощаясь молекулами воды, кислорода, ИК излучение превращается в тепловую вибрацию молекул. Особенностью физико-химических механизмов действия ИК излучения является повышение температуры клеточных мембран. Это приводит к градиенту температур в околомембранных областях, который обеспечивает термодиффузионный отток ионов №++ и К+ от мембраны. Вследствие этого происходит раскрытие белковых каналов и активация транспорта ионов и активных молекул, изменяется электрохимический ионный баланс, увеличивающий энергию клетки. Широкое практическое применение ИК излучения определяется широким спектром его лечебного действия: ускорение ферментативных реакций и повышение обменных процессов в организме; образование биологически активных веществ (гистамина, АЦХ, брадикинина) и продуктов белкового распада, расширение сосудов и ускорение кровотока в результате нейро-гуморального и нервно-рефлекторного действия биологически активных веществ. Тепловое действие ИК-излучения приводит к спазмолитическому эффекту, уменьшению ригидности, снижению напряжения поперечно-полосатых мышц, снятию болевых синдромов.
Известно, что терапевтический эффект любого воздействия на организм определяется его параметрами. Любая функциональная система на уровне клетки и ткани работает на низком энергетическом уровне, в силу чего большое количество энергии не повышает, а наоборот, угнетает функцию системы [1, 2].
Данные литературы свидетельствуют об очень большом разбросе значений доз (энергетических экспозиций Ез) лазерного облучения, используемого в практике: от 0,002 до десятков Дж/см2. С этим связана противоречивость получаемых исследователями данных о реакциях различных систем организма на лазерное воздействие.
Экспериментальные исследования показали, что не всегда существует пропорциональная зависимость доза/эффект, кривые носят преимущественно колоколообраз-ный характер [3], а плотность мощности излучения и длительность воздействия (время экспозиции) являются самостоятельными параметрами, имеющими принципиально важное значение. В данной работе под плотностью мощности излучения понимается поверхностная плотность мощности (облученность Рз [мВт/см2]).
При выборе плотности мощности излучения и времени экспозиции необходимо учитывать, что на характер ответной реакции биологической системы существенное влияние оказывает ее исходное функциональное состояние. Кроме того, тепловой эффект ИК-излучения может привести к дисфункциональным и деструктивным последствиям вследствие чрезмерного повышения температуры ткани. Поскольку при одной и той же дозе облучения можно воздействовать большой плотностью мощности короткий
промежуток времени и, наоборот, длительное время облучать малой плотностью мощности, выбор исходных параметров облучения требует особого внимания.
Известно, что все эффекты биоактивации организма начинаются с реакций на клеточном уровне. В связи с этим представлялось целесообразным изучить реакцию одноклеточного организма на воздействие инфракрасного лазерного (ИКЛ - 850 нм) и инфракрасного светодиодного (ИКС - 980 нм) излучения при разных дозах облучения (0,5-10,0 Дж/см2) и при разных исходных параметрах облучения: плотности мощности и времени экспозиции.
Материал, оборудование и методы
В качестве модели фотобиологического эффекта были выбраны одноклеточные простейшие, инфузории Spirostumum ambiguum (сем. Spirostomedia, кл. Ро1ШутепорЬога), имеющие особое строение реснитчатого аппарата (кинетосом, мио-нем). Уровень функциональной активности двигательного аппарата зависит от изменения мембранного потенциала, активации энергетического метаболизма (АТФ), проницаемости для Са++.
Наблюдения за двигательной активностью Spirostumum, имеющих длину тела 0,7-0,9 мм и ширину 0,05 мм, осуществляли с помощью телевизионного микроскопа МТ-9 (ЛОМО). Скорость движения (мм/сек) рассчитывали по специальной компьютерной программе (Video Test .4.0 ISTA Ltd. St-Реtersburg), позволяющей оценивать геометрические и скоростные параметры видеозаписи. Температуру среды регистрировали микродатчиком от специального электротермометра. Плотность мощности лазерного излучения (X = 850 нм), проходящего в кювету, составляла 140 и 1000 мВт/см2; светодиодного излучения (X = 980 нм) - 30 мВт/см2. Облучение проводилось при дозах 0,5 Дж/см2; 1,0 Дж/см2; 5,0 Дж/см2 и 10 Дж/см2 от аппарата «Спектр ЛЦ» (УНП «Лазерный центр ИТМО»).
Время облучения при плотности мощности 30 мВт/см2 (светодиодное излучение) составляло, соответственно дозам, 17 сек, 35 сек, 165 сек и 330 сек.
В случае лазерного облучения:
• при плотности мощности 140 мВт/см2 время облучения составляло 3,5 сек, 7 сек, 35 сек и 70 сек,
• при плотности мощности 1000 мВт/см2 время облучения составляло 0,5 сек, 1 сек, 5 сек и 10 сек.
В последнем случае, за счет использования оптического волокна, достигалась возможность облучения каждой особи в отдельности. В целях обеспечения локальности воздействия и увеличения плотности мощности излучения был использован оптический световод фирмы «Воло», представляющий собой многомодовое моноволокно в полимерной оболочке с диаметром сердцевины 0,4 мм. Для ввода лазерного излучения в волокно и минимизации потерь был спроектирован и изготовлен специальный стыковочный узел, трехмерная модель которого представлена на рис.1.
Лазерный диод помещается в теплоотвод (1) и фиксируется резьбовым кольцом (2). Переходная втулка (3) завинчивается в теплоотвод до упора с резьбовым кольцом. Размеры втулки и резьбового кольца таковы, что в собранном положении внутренняя поверхность втулки не оказывает давления на излучатель. В свободное отверстие втулки вставляется входной конец волокна, имеющий ограничитель, и фиксируется резьбовым соединением. Торец волокна находится в одной плоскости с внутренней поверхностью втулки и имеет зазор с поверхностью лазерного диода 0,2±0,1 мм, что предохраняет его от возможного механического повреждения. Этот зазор обеспечивается размерами втулки и резьбового кольца с соответствующими допусками (из-за ограниченности возможностей программы SolidWorks(r), в которой проектировалась данная конструкция, резьба на трехмерной модели не показана).
Для экспериментальных исследований инфузории Бр^оБШтит помещались в специальные ячейки (имеющие диаметр 6,0 мм и высоту 10 мм) в планшетах для иммунологических исследований с питательной средой.
Инфузории Бр^оБШтит были разделены на 4 группы:
1 группа - интактные, необлученные особи,
2 группа - особи, облученные ИК светодиодным излучением (РБ = 30 мВт/см2),
3 группа - особи, облученные ИК лазерным излучением (РБ = 140 мВт/см2),
4 группа - особи, облученные ИК лазерным излучением (РБ = 1000 мВт/см2). Каждая группа делилась на 4 подгруппы по дозе облучения: 0,5; 1,0; 5,0; 10
Дж/см2. Наблюдение за поведением инфузорий проводилось через 30 мин, 4 часа и 24 часа.
Рис. 1 Трехмерная модель узла стыковки лазера с оптическим волокном 1 - теплоотвод; 2 - полупроводниковый лазерный излучатель;3 - резьбовое кольцо;
4- переходная втулка; 5 - входной торец волокна.
Результаты исследования
Исследования показали, что в 1-й контрольной группе скорость движения интакт-ных особей составляла, в среднем, 0,63 мм/сек. Через 4 часа достоверных изменений скорости движения не отмечалось (0,53 мм/сек, р<0,05), а через 24 часа движение особей, находящихся в той же ячейке, резко замедлялось (0,22 мм/сек, р <0,05). Здесь и в дальнейшем р - это уровень значимости, который является дополнением доверительной вероятности до 1 и указывает на возможную вероятность ошибочности. Достоверность результатов, в соответствии с программой обработки данных, оценивалась по уровню значимости р.
Как следует из рис.2а, светодиодное облучение (Л, = 980 нм.) с разными дозами не оказывало влияния на скорость движения инфузорий, но через 4 часа на фоне общего снижения скорости движения (р<0,05) были выявлены некоторые различия. Более активными оказались особи, облученные дозой 0,5-5,0 Дж/см2 (скорость движения составляла 0,39-0,41 мм/сек). При облучении дозой 10,0 Дж/см2 скорость движения особей падала и через 24 часа не отличалась от контрольной. Таким образом, ИК-светодиодное облучение с разными дозами облучения не оказывало существенного влияния на функциональную активность двигательного аппарата инфузорий, несмотря на повышение температуры на 3,5°С.
а) ИК-св-30мвт/см2
—♦—0,5 Дж/см2 —■— 1 —А— 5 —х—10 —Ж— контроль
0 -I-,-1-1-,-
исх обл 30 мин 4 часа 24 часа
б) ИКЛ-140 мвт/см 2 —♦—0,5 Дж/см2 И 1 А 5 X 10 Ж контроль
исх обл 30 мин 4 часа 24 часа
в) ИКЛ-1000 мвт/см 2
—♦-0,5 Дж/см2 -и-1 -±-5
10 —Ж— контроль
0,8 0,6 0,4 0,2 0
исх обл 30 мин 4 часа 24 часа
Рис. 2 Скорость движения инфузорий в питательной среде
Как следует из рис. 2б, сразу после облучения ИК лазерным излучением (Рз=140мВт/см2) с разными дозами поведение инфузорий не отличалось от контрольного, но через 4 часа отмечалось достоверное повышение активности особей, облученных дозой 0,5 Дж/см2 - скорость движения (0,67 мм/сек) была достоверно выше исходной (0,58 мм/сек, р <0,05). Во время облучения температура среды повышалась от 0,6°С (при дозе 0,5 Дж/см2) до 2,2°С (при дозе 10,0 Дж/см2), что не оказало существенного влияния. Через 24 часа стимулирующий эффект ИК лазерного облучения дозой 0,5 Дж/см2 сохранялся - скорость движения (0,78 мм/сек) была достоверно выше, чем в контроле и при других дозах облучения.
Использование целенаправленного излучения от волокна с высокой плотностью мощности (Рз = 1000 мВт/см2), не изменяющего температуру среды даже при самых
больших дозах, показало выраженное угнетающее влияние (см. рис. 2в) как на скорость движения (при дозах 0,5-10 Дж/см2), так и на жизнедеятельность. Через 4 часа особи останавливались и превращались в недвижимые спороподобные образования, расплавляющиеся через 24 часа.
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что при проведении физиотерапевтических процедур облучения ИК излучением выбор оптимальной дозы облучения связан с оптимальным выбором плотности мощности излучения и времени экспозиции.
Чрезмерно высокая плотность мощность излучения даже при минимальных экспозициях (0,5 сек) вызывает выраженные дисфункциональные и деструктивные изменения в клетках.
Вполне вероятно, что реакция одиночной клетки на облучение направлена на поддержание постоянства только своей физиологии. В организме поведение клетки определяется интересами организма в целом, поэтому реакция клеток неоднозначна. Чем более высокоорганизованна система, тем более она чувствительна к воздействиям излучения оптического диапазона.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при решении терапевтических задач увеличение дозы облучения является последней возможностью коррекции патологии.
Литература
1. Обросов А.Н. О теориях рефлекторного механизма действия физических факторов и функциональных систем организма // Вопросы курортологии. 1985. № 3. С.46-48
2. Козлов В.И., Буйлин В. А. Лазеротерапия с применением АЛТ «Мустанг» // М.: Техника, 1998. С.33-39
3. Москвин С.В., Буйлин В. А. Оптимизация лазерного воздействия // В сб. Низкоинтенсивная лазерная терапия, М., 2000. С.141-210
