ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЖИВЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.8

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЖИВЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ

ОБЪЕКТЫ

ГАФУРОВ САФАРХОН ДЖУРАХНОВИЧ

канд. физ-мат наук, доцент, заведующий кафедры основы медицинской подготовки и БЖД ТНУ, Таджикистан, г. Душанбе

ЮСУФОВ ШАРИФ ФАЙЗИЕВИЧ

ассистент кафедры основы медицинской подготовки и БЖД ТНУ, Таджикистан г. Душанбе

ГАФУРОВА СУМАН САФАРХОНОВНА

ассистент кафедры функциональной диагностики и клинической лаборатории ТНУ, Таджикистан г. Душанбе

Аннотация: В статье рассматривается влияние лазерного излучения на биологические объекты. Описываются механизмы и некоторые особенности воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения на живой организм. Рассматриваются различные биологические процессы, происходящие в биологические объекты при облучении лазерным светом. Приведены примеры и изложены перспективы практического применения низкоинтенсивного лазерного излучения в различных областях медицины. Выделяются основные подходы к описанию механизмов влияния низкоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани на основе различия в выборе структурной единицы. Выделено два основных воздействия лазерного излучения на биологические клетки - термическое и биологическое. Приводятся данные по изменению оптических и механических характеристик биологические тканей за счет возбуждаемых биологических процессов.

Ключевые слова: лазер, излучение, биообъект, организм, ткань, клетка, мембрана, кровь, реакция.

Лазерное лечение с каждым годом широко и широко применяется в современной медицине. Это способствует, с одной стороны, созданию эффективных устройств, а с другой стороны, получению данных, демонстрирующих высокую эффективность низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) в различных нормальных состояниях организма.

Лазерное излучение представляет собой электромагнитное излучение оптического диапазона, обладающее когерентными, монохроматическими, поляризационными и направленными свойствами [1,2].

Уникальность лазера заключается в максимальном фокусировании энергии на пространстве, времени и спектральном диапазоне, что делает использование прибора уникальным в различных областях человеческой деятельности, в том числе и в медицине [7].Современную хирургию невозможно представить без лазерных ножей, с помощью которых операции выполняются практически бескровно. Область применения лазерного излучения в медицине вышла далеко за рамки классического понимания лазера как устройства, заменяющего нож [10].

Одним из направлений медико-биологического применения лазеров является их использование в качестве средства воздействия на биологические объекты. Существует три типа таких воздействия. Первый тип - воздействие на источник дефекта импульсными или непрерывными лучами. Применение лазеров в дерматологии и онкологии для данного вида воздействия подходит для лечения патологических осложнений тканей, приводящих к их

ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"

свёртыванию. Второй тип - тканевая резка, при которой под действием импульсного или непрерывного облучения часть ткани испаряется, и возникает осложнение. При этом интенсивность мощности облучения может быть увеличена два раза (107 Вт/м2) и более. Для этого типа воздействия подходит использование лазеров в хирургии. Третий тип — воздействие на ткани и органы низкоэнергетическим излучением (один или десятки ватт на м2), которое обычно не вызывает радикальных морфологических изменений, но приводит к определенным биохимическим и физиологическим изменениям в организме, т.е. физиотерапевтические методы лечения. К этому виду воздействия следует отнести использование гелий-неоновых лазеров с целью биологического стимулятора при медленнотекущих раневых процессах, трофических язв и т.п. [13].

Применение низкоэнергетического лазерного излучения с физиотерапевтическими целями показало хорошую переносимость больными, отсутствие изменений системы кровообращения, сосудов и адаптации. Лазер воздействуя на электрические свойства кожи, повышает ее температуру до 1-3°С, вызывая биофизические, биохимические, гистологические и структурные изменения [14].

Квантовые генераторы благодаря своим свойствам являются наиболее привлекательными лазерами. Они широко используются в науке и технике, биологических исследованиях и практической медицине: хирургии, лечении и диагностике.

Действие лазерного излучения на живые биологические объекты весьма разнообразно и зависит в основном от интенсивности излучения и продолжительности облучения, а также от длины волны, мощности и плотности энергии [2,3,4].

При поглощении световой энергии происходят различные физические процессы, важнейшими из которых являются явления внутреннего и внешнего света, электролитический распад различных молекул и комплексов. Лазеры, применяемые в медицине, делятся на мощные (хирургические) и маломощные (терапевтические).Методы лазерного лечения очень разнообразны. Применяют лазерное лечение через кожу, точечное лазерное лечение, лазерное лечение крови (гемотерапию), методы взаимодействия НИЛИ с лечебными средствами. Лазерное излучение может вызывать структурные и другие изменения в биологической среде. В процессе взаимодействия лазерного излучения с биологическими средами происходят фотобиологические реакции, протекающие поэтапно: поглощение кванты света и внутримолекулярное перераспределение энергии (фотофизические процессы), межмолекулярный перенос энергии и первичные фотохимические реакции, биохимические процессы с участием световых продуктов, вторичные реакции и общефизиологические реакции организма на воздействие света [4,5].

Существует несколько гипотез о механизме терапевтического действия НИЛИ (таблица 1) [4]:

Таблица 1. Виды лазерного воздействия на биологические объекты

Термическое воздействие Механическое воздействие Биологическое воздействие

Возникает в результате поглощения световой энергии лазерного излучения клетками Основана на выдавливания потока фотонов на облучаемые объекты. Формируется посредством НИЛИ и приводит к изменению размеров клеток, их структурных единиц.

Рабочая мощность терапевтических лазеров настолько мала, что они не вызывают деструктивного воздействия и не повышают температуру облучаемого объекта. Механические и электромагнитные воздействия минимальны, поэтому их не следует принимать во внимание. Поэтому биологические воздействие лазерного излучения на живые структуры очень привлекательно. Свет, поглощаемый биологическими тканями, возбуждают атомы и молекулы, вызывая фотохимические и фотофизические реакции.

ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"

Прежде всего, температурное воздействие характерно для высокоинтенсивных лазерных систем. Высокоинтенсивное лазерное воздействие (8 Дж/см2 и более) применяют в качестве лазерного ножа при эндоваскулярных и других хирургических вмешательствах, для внутритканевой гиперемии в онкологии. Высокоинтенсивное лазерное воздействие приводит к изменению физического состояния тканей, вызывая абляцию и гиперемию [1,9].

Низкоинтенсивное лазерное излучение влияет на энергетическую способность молекул и способствует кинетике биохимических процессов. Биообъекты очень чувствительны к низкоинтенсивному лазерному излучению. Терапевтический эффект НИЛИ может быть обусловлен термодинамическими реакциями при поглощении когерентных, монохроматических и поляризованных внутриклеточных элементов.

Одним из методов лазерного лечения является лазерная обработка крови (лазерная гематотерапия), которая включает внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК) и чрескожное лазерное облучение крови (ЧЛОК).Учитывая, что кровь представляет собой многофункциональную систему, выполняющую в организме транспортную функцию, ее облучение обеспечивает ответную реакцию организма на внешние воздействия. Поэтому отличие лазерного воздействия крови, чем другие излучения заключается на практике не в качестве средства лечения конкретного заболевания, а в качестве стимулятора организма, которое применяются при различных патологических состояниях [11].

Низкоинтенсивное лазерное воздействие (0,1-3,0 Дж/см2) успешно применяется практически во всех областях медицины для восстановления иммунитета, улучшения реологических свойств крови и малого кровообращения, усиления восстановительных процессов.

Таким образом, можно разделить два основных вида воздействия лазерного излучения на биологические клетки - тепловое и биологическое. Если биологический эффект возникает в результате действия НИЛИ и приводит к активации физиологических процессов, то тепловой эффект возникает в результате высокоинтенсивного лазерного воздействия и приводит к необратимым последствиям.

Под действием света в биологических структурах активизируются фотобиологические процессы.

К ним относятся процессы, которые начинаются с поглощением квантов света, биологически важного для атомов или молекул, и заканчиваются какой-либо физиологической реакцией на уровне организма [1]. Кроме того, во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для устранения активных барьеров химического обмена. Также, согласно основному закону фотобиологии [8], биологические эффекты возникают только за счет излучения такой длины волны, что оно поглощается молекулами или фоторецепторами того или иного структурного компонента клетки. Поэтому одной из важных особенностей лазерного излучения являются его спектральные характеристики или длина волны [1,10].

Регенерация биологических структур происходит за счет того, что падающеена биологическое вещество когерентное излучение изменяет пространственное распределение интенсивности из-за оптической анизотропии ткани. Низкоинтенсивное лазерное излучение нарушает взаимодействие атомов и молекул облучаемых веществ (ионные, ионно-дипольные, водородные и гидрофобные связи, а также Ван-дер-вальсовое взаимодействие), кроме того, образуются свободные ионы, т.е. происходит электролитический распад.

Живые организмы и биосфера в целом не являются неразрывными, а представляют собой открытые системы, взаимодействующие со средой вещества и энергии. Все эти системы нестабильны, разбросаны, самовоспроизводятся и самоорганизуются. Поэтому в организованных системах, в том числе и в организме человека, все эти элементы тесно взаимосвязаны, и каждый из них может изменять свое состояние и изменять любой другой элемент или систему в целом.

ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"

Следует отметить, что согласно некоторым источникам [2,13,8], абсолютная величина длины волны облученного света не влияет на явление биологического стимулятора. Поэтому монохроматичность, вероятно, не является обязательным условием.

Особое внимание следует уделить биологическим жидкостям, так как они присутствуют во всех биологических объектах [14,3]. Одним из основных звеньев в процессе взаимодействия красного НИЛИ и пределы видимого инфракрасного света с биологическим объектом является передача энергии воздействия через жидкостную среду организма. Структура биологических растворов играет роль матрицы, в которой протекают все биохимические процессы.

В биологических структурах организма существуют специфические электромагнитные поля и свободные заряды, которые перераспределяются под действием фотонов лазерного света. При малых дозах воздействия на организм низкоэнергетическим лазерным лучом мы выполняем накачку соответствующей энергии [6]. В ответ на это в системах и органах происходят процессы активизации саморегуляции, мобилизуются специфические ресурсы самообразования [8,5].

Заключение

В настоящее время наблюдается интенсивное использование лазерного излучения в биологических и практических медицинских исследованиях. Отмечено, что НИЛИ оказывает хорошее терапевтическое воздействие на биообъект. Мы постарались изучить очень широкую область современной медицины — использование лазерного излучения для восстановления здоровья человека.

Обзор литературы, основанный на результатах существующих исследований лазерного воздействия на биоткани, показал, что механизм действия до конца не изучен. Опубликованной информации по этой теме не так много. Таким образом, необходимы дальнейшие исследования, чтобы найти подходящие режимы лазерного облучения для повышения эффективности воздействия на биоткани.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Гафуров С. Дж., Талабов М.С. Асосх,ои хдмтаъсирии майдонх,ои физикй бо объектх,ои билогй. Душанбе, ДМТ, 2019. 260с.

2. Гафуров С. Дж., Каттахонов Ш.М., Холмонов М.М. Особенности применения лазеров в медицине // «European science». london. № 3 (45). 2019.-С.58-62.

3. Елагин В.В., Шахова М.А., Карабут М.М. и др. Оценка режущих свойств лазерного скальпеля, оснащенного сильно поглощающим покрытием оптического волокна // Биомедицинские исследования. -2015. -Т.7, №3. -С.55-60.

4. Захаров С.Д. Свет и тени лазерной терапии// http://www.miltaf.ru/ru/mil/articles/2000/light_n_shadow.html

5. Захаров С.Д., Иванов А.В. Светокислородный эффект в клетках и перспективы его применения в терапии опухолей. // Квантовая электроника, 1999. Т. 29. №3. -С.192-214.

6. Загускин С.Л. Лазерная терапия - мифы и реальность, возможные пути развития // Лазер Информ, 1999. Вып. 2 (161). -С. 1-6.

7.Карандашов В.И., Петухов Е.Б., Зродников B.C. Фототерапия (светолечение): Рук-во для врачей / Под ред. Н.Р. Палеева. М.: Медицина, 2001. 392 с.

8.Малов А.Н., Малов С.Н., Фещенко B.C. Резонансная природа лазерной биостимуляции с точки зрения квазиоптики // Лазерная физика, 1996. № -С. 979-982.

9. Опритов В.А. Энтропия биосистем. // СОЖ, 1999. № 6. -С. 33-38.

10. Скобелкин О.К. Лазеры в хирургии. - М.: Медицина, 1989. -256с.

11. Саляев Р.К., Дударева Л.В., Ланкевич С.В., и др. Влияние пространственной структуры лазерного излучения на эффективность лазерной биостимуляции.//http://www.media-security.ru

12. Щербаков А.И. Лазерная физика в медицине // УФН. -2010. - Т.180, №6. -С.661-665.

13. Щербаков А.И. Лазерная физика в медицине // УФН. -2010. - Т.180, №6. -С.661-665.

14. Черницкий Е.А., Воробей А.В. Фотосенсибилизированные повреждения биологических мембран. Молекулярные механизмы биологического действия оптического излучения / Подред. Рубина. М.: Наука, 1988. С. 102 -111.

© С.Дж. Гафуров, Ш.Ф. Юсуфов, С.С. Гафурова 2022