Медицинское действие поляризованного света на клетку

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра физики и информационных систем

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

МЕДИЦИНСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА НА КЛЕТКУ

Работу выполнила

Спасская Елизавета Владимировна

Научныйруководитель

канд. пед. наук,доцент

Л.Ф.Добро

Краснодар 2015



Реферат

Выпускная квалификационная работа 53 с., 25 рис., 2 табл., 28 источников.

ПОЛЯРИЗОВАННОСТЬ, КЛЕТКА, КРОВЬ, ПОЛИХРОМАТИЧНОСТЬ, КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА, НЕРВНЫЕ ОКОНЧАНИЯ, ЛЕЧЕБНОЕ ДЕЙСТВИЕ.

Объектом исследования данной дипломной работы является клетка, а именно ее ответные реакции на действие поляризованного света.

Целью работы является исследование гипотез о механизме действия поляризованного света на клетку.

В результате выполнения выпускной квалификационной работы было определено, что данный способ лечения является щадящим и безвредным. Также экспериментально была исследована одна из гипотез действия поляризованного света на клетку, благодаря которой найдена зависимость концентрации кальция в клетке от дозы облучения. Выяснено непосредственное действие поляризованного света на клетку, кровь и нервные окончания. Поляризованный свет обладает как лечебными, так и профилактическими свойствами.



Содержание

Введение

1. Поляризации света

1.1 Общие сведения об электромагнитных волнах

1.2 Виды и способы получения поляризации

1.3 Развитие терапии поляризованным некогерентным светом

2. Действие поляризованного света на биоткань

2.1 Взаимодействие поляризованного света с биотканями

2.2 Механизм действия света видимого и ближнего ИК диапазонов набиологические объекты

3. Исследования взаимодействия поляризованного света с биомолекулами

3.1 Воздействие света на клетку

3.2 Воздействие света на кровь

3.3 Воздействие света на нервную систему

4. Аппараты для терапии поляризованным некогерентным светом

Заключение

Список использованных источников



Введение

Исследования медико-биологического применения поляризованного света являются актуальными в настоящее время. Все жизненные процессы на Земле происходят в световой среде. Солнечный свет - энергетическая основа всех жизненных процессов на планете. По своей природе человек настроен, прежде всего, на восприятие электромагнитных волн диапазона 360-780 нм, то есть на видимый спектр солнечного света. Поэтому в настоящее время активно начинают разрабатываются и успешно применяются во всем мире специальные приборы для светотерапии, которые излучают электромагнитные волны солнечного спектра.Важно, что явления, протекающие на первых, биофизических стадиях: поглощение света; перераспределение энергии в молекуле, находящейся в электронном возбужденном состоянии; межмолекулярный перенос энергии; образование первичных фотопродуктов (обычно свободнорадикальной природы) и превращение их в первые химически устойчивые соединения,-- оказываются общими для всех фотобиологических процессов. В то же время многие специалисты по световой и лазерной терапии отмечают, что одновременное использование различной длины волн поляризованного света, способствует многофакторному положительному воздействию на облучаемые ткани.

Использование низкоинтенсивных бесконтактных неповреждающих методик приобретает все большую популярность. К их числу относят блок светотерапевтических воздействий, ведущим фактором которых является тот или иной диапазон видимого света с рассеянным или упорядоченным направлением движением электромагнитных волн. Источники света от солнечного до ламп накаливания имеют анизатропное излучение в широком спектральном диапазоне. Светодиодные источники имеют узкий спектральный диапазон и их излучение не поляризовано. Лазерные аппараты создают поток поляризованного света достаточной мощности, однако его очень узкий спектральный диапазон, а также малая площадь светового пятна запускает биологические ответы, специфические именно для такого диапазона.

Щадящий вид светотерапии - поляризованный свет, представляющий собой полихроматическое некогерентное излучение низкой интенсивности. Подобно лазерному свету, поляризованный некогерентный свет обладает высокой степенью поляризации (более 95%), что делает его более концентрированным и в биологическом отношении более эффективным. При этом, в отличие от лазерного излучения, этот свет - некогерентный, т.е. волны света не синхронизированы по фазе, поэтому энергетическая нагрузка на кожу при лечении небольшая. То есть он наносит щадящий эффект на организм человека. К настоящему времени в экспериментах изучены основные механизмы формирования лечебного эффекта поляризованного света на клеточном, тканевом уровнях и уровне целостного организма. Выявлено биостимулирующее действие поляризованного света на биологические мембраны, повышение активности клеточных ферментов, улучшение тканевого дыхания, обменно-трофических процессов. Особую ценность представляют данные о фотомодифицирующем действии поляризованного света на форменные элементы крови, что сопровождается усилением продукции иммуноглобулинов, фагоцитарной активности, восстановлением и стимуляцией антиинфекционной и противовирусной защиты организма.

Высокая эффективность метода для лечения заболеваний и травм опорно-двигательного аппарата позволила широко использовать его в ревматологии, травматологии и ортопедии, а также в спортивной медицине. Его применение в комплексном лечении патологии мышц, суставов и связочного аппарата позволяет уменьшить острые воспалительные явления, болезненность, отечность, нормализовать трофику тканей и улучшить функционирование конечностей, способствует более быстрому заживлению травм и рассасыванию гематом. Действие поляризованного света активно применяется в дерматологии и хирургии при лечении кожных заболеваний, ожогов различного происхождения, пролежней, трофических венозных язв, посттравматических и послеоперационных ран. Широкий спектр длин волн, представленный в поляризованном свете, оказывает на организм многообразное лечебное действие.

Целью работы является исследование гипотез о механизме действия поляризованного света на клетку.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

- изучить действие поляризованного света на биоткань;

- исследовать гипотезу о фотодинамическом действии;

- исследовать гипотезу о фотореактивация супероксиддисмутазы.

электромагнитный волна поляризация свет



1. Поляризации света

1.1 Общие сведения об электромагнитных волнах

Электромагнитная волна представляет собой распространяющиеся в пространстве переменные электрическое и магнитное поля, изменяющиеся с одинаковой частотой.В электромагнитной волне колеблются векторы Е и Н. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора E. Поэтому электрический вектор Е также называют световым вектором [1].

Световые волны есть волны электромагнитные. Векторы напряженности электрического поля Е, индукции магнитного поля В и вектор скорости волны v образуют взаимно перпендикулярную тройку векторов: (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структура электромагнитной волны

Теория электромагнитных волн была развита Максвеллом и в ее основе лежат два экспериментально установленных факта:

- переменное электрическое поле создаёт в окружающем пространстве переменное магнитное поле той же частоты;

- переменное магнитное поле создаёт в окружающем пространстве вихревое электрическое поле той же частоты.

При распространении электромагнитной волны ее энергия периодически переходит из электрической формы в магнитную и наоборот. При этом их максимальные значения одинаковы и равны полной энергии электромагнитной волны. Электромагнитные волны могут распространяться в любых средах, но в хорошо проводящих средах (металлах) они быстро затухают из-за сильного поглощения [2].

Все электромагнитные волны независимо от частоты имеют общую природу и, как уже отмечалось, представляют собой распространяющиеся в пространстве переменные электрические и магнитные поля одинаковой частоты. Однако методы и устройства генерирования и регистрации этих волн, области их технического применения, а также характер воздействия на

биологические объекты, в том числе и на человека, существенно зависят от частоты (длины волны) электромагнитной волны. Поэтому всю шкалу электромагнитных волн принято делить на крупные диапазоны, в пределах которых свойства этих волн, методы их получения, применения и регистрации, степень воздействия на человека примерно одинаковы (рисунок 2) [3].

В зависимости от длины волны (частоты) электромагнитные волны подразделяют на следующие диапазоны:

- - радиоволны;

- - инфракрасное (тепловое) излучение;

- 760нм > л > 400нм - видимый диапазон (760нм - его красная граница, а 400нм - фиолетовая граница);

- 400нм > л > 80нм - ультрафиолетовое излучение;

- 80нм > л > - рентгеновское излучение;

- л < нм - гамма-излучение.

Длинные электромагнитные волны вплоть до видимого диапазона при существующих в природе интенсивностях мало опасны для человека. В очень небольшом по величине видимом диапазоне благодаря зрению человек получает более 90% информации об окружающем его мире - этот диапазон электромагнитных волн наиболее полезен и важен для человека и других биологических организмов. Вредное воздействие на биосистемы начинается уже с короткого ультрафиолетового излучения, еще более опасными для живых организмов являются рентгеновское и гамма- излучения [3].

Рисунок 2 - Диапазоны электромагнитных волн

Вектора напряжённости электрического поля E и напряжённости магнитного поля H перпендикулярны между собой и по отношению к направлению распространению света. Физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, называется поляризацией света. Свет, направления колебаний в котором упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Если задано направление распространения и направление одного из векторов, например Е, то направление другого (Н) определяется однозначно.

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающих элементарных излучателей (атомов или молекул), испускающих независимо друг от друга волны с различными направлениями светового вектора. Накладываясь друг на друга, эти волны образуют результирующую волну, в которой направление векторов Е и Н беспорядочно изменяется с течением времени, хотя векторы Е, Н, v остаются взаимно перпендикулярными в каждый момент времени. Такой свет называется неполяризованным или естественным [2].

Свет, испускаемый каким-либо атомом или молекулой, всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей. При этом пространственные ориентации векторов Е в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем излучении направлениеЕ в каждый момент времени непредсказуемо. Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным светом [3].

1.2 Виды и способы получения поляризации

В зависимости от того, какую кривую описывает световой вектор Е и определяется вид поляризации [3].

1) Линейная (плоская) поляризация - колебания светового вектора происходят только в одной плоскости. Конец вектора Е (соответственно и Н) в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, описывает за период световых колебаний прямую, длина которой равна удвоенной амплитуде (рисунок 3).

Рисунок 3 - Линейная поляризация (модель)

2) Круговая (циркулярная) поляризация - вектор Е волны за один период волны делает полный оборот вокруг направления распространения волны, при этом его длина остается постоянной (рисунок 4). В плоскости наблюдения проекция вектора Е описывает круг, что и определяет название такой поляризации.

Рисунок 4 - Круговая поляризация (модель)

3) Эллиптическая поляризация: при этой поляризации вектор Е волны за один период волны тоже делает полный оборот вокруг направления распространения волны, но длина вектора Е при этом изменяется таким образом, что конец его описывает в плоскости наблюдения эллипс. Если вектор Е вращается по часовой стрелке, то поляризация называется правой, а если против - левой эллиптичной (рисунок 5) [1]. Любую из этих видов поляризации можно перевести в другую с помощью специальных поляризационных приборов.

Рисунок 5 - Эллиптическая поляризация (модель)

Естественный свет - совокупность линейно поляризованных волн со всеми возможными направлениями колебаний вектора Е, причем амплитуда этих векторов одинакова во всех направлениях, так что концы их лежат на окружности. Источниками являются: солнце, пламя, лампочка (рисунок 6).



Рисунок 6 - Естественный свет (модель)

Частично поляризованный свет представляет собой совокупность линейно поляризованного и естественного света. Его можно рассматривать также как совокупность линейно поляризованных волн с различными направлениями колебаний вектора Е, но амплитуда его не одинакова в различных направлениях, поэтому концы этих векторов лежат не на окружности (как у естественного света), а на эллипсе (рисунок 7) [3].

Рисунок 7 - Частично поляризованный свет (модель)

Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. Для получения полностью или частично линейно поляризованного света служат оптические приборы, называемые линейными поляризаторами (или просто поляризаторами). Существуют несколько способов получения поляризованного света. Одним из них является поляризация при отражении и преломлении.

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рисунке 8 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче -- колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке 8 эти колебания обозначены двусторонними стрелками). Степень поляризации зависит от угла падения.

Рисунок 8-Поляризация при отражении и преломлении

Другим способом является поляризация при двойном лучепреломлении. Все кристаллы, кроме кристаллов кубической системы - изотропных кристаллов, являются анизотропными, то есть свойства кристаллов зависят от направления. Явление двойного лучепреломления впервые было обнаружено Барталином в 1667 г. на кристалле исландского шпата (разновидность). Явление двойного лучепреломления заключается в следующем: луч света, падающий на анизотропный кристалл, разделяется в нем на два луча- обыкновенный и необыкновенный, распространяющиеся с разными скоростями в различных направлениях (рисунок 9). Кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением, подразделяются на одноосные и двуосные. У одноосных кристаллов один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления, в частности он лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой о. Для другого луча, называемого необыкновенным (его обозначают буквой n), законы преломления не действуют. Кроме того, необыкновенный луч не лежит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Примерами одноосных кристаллов могут служить исландский шпат, кварц и турмалин. У двуосных кристаллов (слюда, гипс) оба луча необыкновенные -- показатели преломления для них зависят от направления в кристалле [1, 2].

Рисунок 9 -Двойное лучепреломление (модель)

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов - анизотропных кристаллов, пропускающих свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин).Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором (рисунок 10).

(1)

Закон Малюса: интенсивность света, прошедшего через анализатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света на квадрат косинуса угла между главными плоскостями поляризатора и анализатора [1].

Рисунок 10 -Поляризатор и анализатор

1.3 Развитие терапии поляризованным некогерентным светом

Использование светотерапии в медицине имеет длинную историю. Первым источником света, который применялся в фотомедицине, был естественный солнечный свет. Его использовали в лечебных целях ещё в Древнем Египте. В 1893 году датский врач Нильс РибергФинсен создал один из первых приборов, излучающий технически синтезированный "солнечный свет". В конце XIX века он открыл в Копенгагене Институт светолечения, где исцелялись различные заболевания. Нильс Риберг Финсен открыл эффект разрушения микроорганизмов ультрафиолетовым излучением и научно обосновал метод его лечебного применения. Его работы получили признание ученого мира того времени, и в 1903 году он третьим из числа врачей и физиологов был удостоен Нобелевской премии в области Медицины. Доктор Финсен считается основоположником светотерапии (рисунок 11).



Рисунок 11 - Нильс Риберг Финсен

За научными успехами Н.Финзена пристально следили российские ученые. Первая экспериментальная работа по светолечению в России была выполнена доктором МХА А.В.Кондратьевым в 1880 г. («О влиянии различного освещения на течение искусственного гнилостного раздражения у животных»). Автор установил неодинаковое влияние на микроорганизмы различных видов оптического излучения [4].

В начальный период развития фотомедицины в современной светотерапии главным образом использовалась инфракрасная и ультрафиолетовая части спектра. В начале 1980-х годов исследовательская группа учёных создала источник света, который первоначально был основан на низкоэнергетической лазерной терапии, но при этом работал почти во всём диапазоне излучения в видимой области спектра и частично в диапазоне инфракрасного излучения. В 1981 году впервые венгерскими учеными, занимавшимися лазером, было установлено, что биологическая активность лазерного излучения обусловлена прежде всего поляризацией. На основании полученных данных был предложен и научно-обоснован новый вид светотерапии - поляризованный свет, представляющий полихроматическое некогерентное излучение низкой интенсивности. Для практического воплощения этого нового метода фототерапии в тех же годах в Швейцарии был создан аппарат "Биоптрон", генерирующий видимую и инфракрасную часть спектра солнечного света [5].



2. Действие поляризованного света на биоткань

2.1 Взаимодействие поляризованного света с биотканями

Биологические ткани являются оптически неоднородными поглощающими средами со средним показателем преломления большим, чем у воздуха, поэтому на границе раздела биообъект - воздух часть излучения отражается, а остальная часть проникает в биоткань. Хорошо известно, что основным источником рассеяния света в биотканях является различие в значениях показателей преломления различных компонент биотканей, т.е. между митохондриями, ядром, другими компонентами и цитоплазмой клеток, или внутритканевой жидкостью и структурными элементами соединительной (фиброзной) ткани (коллагеновыми и эластиновыми волокнами) [6].

С оптической точки зрения, биоткани (включая и биожидкости: кровь, лимфу и пр.) можно разделить на два больших класса:

- сильно рассеивающие (оптически мутные), такие как кожа, мышцы, хрящ, мозг, стенка сосуда, кровь, склера;

- слабо рассеивающие (прозрачные), такие как ткани переднего отрезка глаза (роговица, хрусталик).

Каждая ткань в силу своей биологической природы неоднородна, имеет сложную микроструктуру. Поэтому воздействие излучения на ткани для разных тканей и длин волн излучения различается количественно и качественно [7].

Действие поляризованного излучения на биологический материал обусловлено взаимодействием фотонов с молекулами и соединениями молекул ткани, последующими молекулярными процессами и биологическими реакциями. При попадании поляризованного света на поверхность биологической ткани могут наблюдаться следующие явления: поглощение, отражение, рассеяние и пропускание [8].

Характер воздействие поляризованного света на биоткань зависят:

- от свойств излучения (длина волны , длительность облучения , частота повторения воздействия f);

-от свойств биологической ткани.

При проникновении первичного электромагнитного излучения в биоткань его частота колебаний остается неизменной. Поэтому энергия кванта до момента взаимодействия с молекулами внутри биоткани по сравнению с энергией в свободном пространстве не изменяется. Однако, в связи с тем, что биоткань является оптически более плотной средой по сравнению со свободным пространством, скорость распространения в ней и длина волны внутри биоткани становится меньше, чем в свободном пространстве в несколько раз.

При падении электромагнитной волны от внешнего (первичного) излучателя на биоткань существует несколько видов взаимодействия излучения с биотканью: отражение от кожи, преломление, рассеяние, поглощение.

Рисунок 12 -Оптические эффекты, наблюдаемые в коже



Из них полезным лечебным фактором является лишь поглощение оптического излучения в биоткани (рисунок 12).

Отражением является процесс возвращения электромагнитного излучения поверхностью, на которую оно падает. Вообще, отражающая поверхность - это физическая граница двух сред с разными показателями преломления, например, таких как воздух и биоткань. Отражение от поверхности кожи является диффузным. Другими словами, если величина шероховатости отражающей поверхности сравнима или даже больше, чем длина волны излучения, имеет место диффузное отражение [9].Диффузное отражение является обычным явлением для всех тканей, поскольку ни одна из них не имеет сильно отполированной поверхности, как у оптических зеркал. Только в отдельных случаях, таких как увлажненные поверхности тканей, зеркальное отражение может быть больше, чем диффузное.

Коэффициент отражения равен отношению отраженной мощности к падающей. При этом отношение полезной мощности, проникающей в биоткань, к падающей на её поверхность , равно:

(2)

Для белой гладкой жирной и влажной молодой женской кожи значение достигает 0,55, а для сильнопигментированной (загорелой) сухой и морщинистой старческой кожи значение Kо - порядка 0,1. При этом потери мощности за счет отражения составляют 55% и 10% соответственно. Так, при = 0,5 отношение = 0,5. Отражение зависит от спектра излучения, а также от степени пигментации и морщинистости кожи, наличия жира и влаги, которые, в свою очередь, зависят от пола, возраста и цвета кожи (расы). В инфракрасном диапазоне кожа может отражать до 40% излучения, имеются некоторые различия, связанные с полом и возрастом больного, пигментацией его кожных покровов и др. Уменьшить отражение и тем самым повысить эффективность воздействия можно путем очистки зоны воздействия от жира и пота путем протирки спиртом или эфиром. Поэтому состояние кожных покровов желательно учитывать при назначении дозировки пациентам.

Преломление в биоткани происходит за счет изменения плотности среды при переходе луча из воздуха в оптически более плотную слоистую биоткань. Одним из эффектов является полное преломление небольшой части све-тового потока из-за изменения коэффициента преломления в разных слоях биоткани с выходом части мощности из биоткани обратно в верхнюю полусферу. Для обычных биотканей эта величина составляет единицы процентов и при определении дозировки ею можно полностью пренебречь. Преломление также происходит вследствие изменения скорости световой волны. Простое математическое отношение, описывающее преломление, известно как закон Снеллиуса:

,(3)

где - угол падения;

- угол преломления;

х - скорость света в среде до отражающей поверхности;

х? - скорость света в среде поле отражающей поверхности;

Показатель преломления достаточно сильно зависит от длины волны излучения. Даже если бы эта зависимость была весьма слабой в видимом диапазоне, ее было бы необходимо учитывать для наилучшего предсказания результатов. Вообще, для многих типов тканей показатели преломления трудноизмеримы вследствие поглощения и рассеяния. Отражение от таких тканей должно быть получено опытным путем [9].

При проникновении электромагнитной волны в биоткань происходит рассеяние луча вследствие взаимодействия первичных фотонов внешнего излучателя с электронами молекул и последующее излучение вторичных фотонов возбужденными (переведенными на более высокие орбиты) электронами этих молекул. Это приводит к конусообразному расширению луча в биоткани, обеспечивая воздействие на больший объем биоткани и к уменьшению плотности потока излучения с увеличением глубины проникновения. Кроме того возбужденные молекулы крови и лимфы по сосудам разносятся по всему организму, значительно увеличивая объем воздействия. Если частота волны равна естественной частоте колебаний частиц, происходит резонанс, сопровождающийся значительным поглощением. Рассеяние имеет место на частотах, не совпадающих с естественными частотами частиц.

Результирующее колебание называется вынужденным колебанием. Рассеянные фотоны постепенно удаляются от оси пучка, но в среднем они сохраняют ее направление и формируют ореол вокруг конуса основного пучка. Размер этого ореола и доля энергии, которая в нем содержится, в значительной степени зависят от оптических свойств биоткани и от поперечного диаметра пучка света.

Различают упругое и неупругое рассеяние, в зависимости от того, изменяется ли начальная энергия фотона во время процесса рассеяния [8,9].

Основным эффектом поглощения является взаимодействие энергии фотонов света и электромагнитных волн с клетками на атомно-молекулярном уровне.

Вследствие поглощения интенсивность падающей электромагнитной волны ослабляется при прохождении через среду. Поглощательная способность среды определяется как отношение поглощенной и падающей интенсивностей. Поглощение является следствием частичного перехода световой энергии в тепловое движение или колебания молекул поглощающего вещества. Полностью прозрачная среда не поглощает свет, то есть полная световая энергия, вошедшая в такую среду и вышедшая из нее одинаковы. Среди биологических тканей почти прозрачными для видимого света можно считать роговицу и хрусталик глаза. Структуры же, в которых падающее излучение практически полностью ослабляется, называют непрозрачными. Селективное (избирательное) поглощение это преимущественное поглощение определенных длин волн относительно других.

Способность вещества поглощать электромагнитное излучение зависит от некоторого количества факторов, главным образом от электронного состава его атомов и молекул, длины волны излучения, толщины поглощающего слоя и внутренних параметров, таких как температура или концентрация поглощающих центров. Зачастую используется закон, который описывает влияние толщины или концентрации на поглощение, соответственно. Обычно его называют законом, Бугера - Ламберта - Бера и записывают следующим образом:

,(4)

где -толщина слоя вещества, через которое проходит свет, м;

- интенсивность на расстоянии ,Вт/мІ;

- падающая интенсивность, Вт/мІ

- коэффициент поглощения среды.

В биологических тканях поглощение в основном вызвано молекулами воды или макромолекулами. Если рассматривать биоткани в целом, например, кожу, стенку аорты и роговицу, то среди них, наиболее сильно поглощающей будет являться кожа, тогда как роговица почти совершенно прозрачна в видимом диапазоне спектра [9].

2.2 Механизм действия света видимого и ближнего ИК диапазонов на биологические объекты

Взаимодействие света и живой материи начинается с акта поглощения фотонов и перехода молекул в возбужденное состояние. Видимый свет - это электромагнитное излучение с длиной волны от 400 до 700 нм. Способность химического соединения поглощать свет зависит от характера распределения электронов вокруг атомных ядер в его молекуле. При поглощении молекулой фотона один из ее электронов переходит на более высокий энергетический уровень. Происходит это по закону «все или ничего»: чтобы перевести электрон на более высокий энергетический уровень, фотон должен обладать определенным минимальным количеством энергии. Молекула, поглотившая фотон, находится в высокоэнергетическом возбужденном состоянии, которое, как правило, нестабильно. Если отключить источник света, то «высокоэнергетические» электроны обычно быстро вновь переходят на свои низкоэнергетические орбитали; при этом молекула возвращается в исходное стабильное, так называемое основное состояние, высвобождая энергию возбуждения (в форме света или тепла). Величина энергии квантов возрастает от инфракрасного к ультрафиолетовому излучению.

Таблица 1 - Энергия фотонов

Длина волны, нм	Цвет	ккал/эйнштейн
400	Фиолетовый	71,8
500	Голубой	57,7
600	Желтый	47,8
700	Красный	40,6

Все процессы перераспределения энергии электронного возбуждения, разыгрывающиеся начиная с поглощения кванта, называют фотофизическими процессами [10].

Видимое излучение близко по биологическому действию к инфракрасному излучению, но в связи с более короткой длиной волны оно обладает большей энергией для возникновения фотохимических реакций и меньшим тепловым воздействием (рисунок 14). После воздействия ИК и красного света наступает расширение сосудов и ускорение кровотока, повышается активность процессов обмена, ферментативных реакций и фагоцитоза.

Рисунок 13-Зависимость абсорбации света от длины волны

Красный диапазон л=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 л=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 л=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 л=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:

- после входа Ca2+ в клетку, происходит активация внутриклеточных процессов;

- концентрация Ca2+ в цитоплазме клеток зависит от дозы излучения;

- по концентрации Ca2+ в цитоплазме клеток можно найти оптимальную дозу излучения;

- активность СОД растет при воздействии поляризованного света;

- данные гипотезы работают как в совокупности, так и в отдельности.

3.2 Воздействие света на кровь

В животном организме имеется большое количество различных биологических молекул, интенсивно поглощающих видимый и инфракрасный свет: прежде всего, это гемоглобин эритроцитов, ферменты, участвующие в клеточном дыхании, антиоксидантной защите, и многие другие молекулы. Поэтому вполне закономерно, что благодаря сходству с солнечным излучением видимый и инфракрасный поляризованный (ВИП) свет может вызывать в организме целый ряд положительных эффектов (рисунок 9). К части спектра невидимой для человеческого глаза относится ультрафиолетовый свет и инфракрасный. Ультрафиолетовый может оказывать опасное действие на организм человека. Поэтому его не включают в спектр приборов, используемых в терапевтических целях. Инфракрасный же спектр используется в целях теплового действия [21].

Исследователи выяснили фотомодификацию крови при воздействии поляризованного света в видимой и инфракрасной части спектра (противовоспалительного, иммуномодулирующего, ранозаживляющего и нормализующего обмен веществ действия).

В качестве основного объекта исследования служила кровь 50 добровольцев до и после воздействия аппаратом поляризованного света. Спектральный диапазон 480-3400 нм (видимый и часть инфракрасного), Р=95% поляризации, мощность светового потока - 40 мВТ/см, терапевтическая доза - 12-19 Дж/см, диаметр облучаемого участка - 5-15 см. Возраст обследованных составил приблизительно 23 года, соотношение полов составило 1:1. В основную группу вошли 30 человек, которым проводились одно- и пятикратные ежедневные облучения поляризованным светом, облучение образцов крови проводилось параллельно с первым облучением добровольцев. Контрольную группу составили 20 человек, которым проводилась имитация воздействия поляризованным светом [22].

Эритроциты крови оценивались по количеству, скорости оседания в венозной крови, уровню насыщения гемоглобином артериальной крови кислородом. Тромбоциты в венозной крови оценивались по количеству, адгезивной и агрегационной способности. Лейкоциты крови оценивались по экспрессии мембранных маркеров и фагоцитарной активности.

Изменения крови через 0,5-1 час после ее облучения поляризованным светом и после смешивания облученной и необлученной аутологичной крови в соотношении 1:10 выражались в следующих показателях: в эритроцитарном звене отмечалось возрастание в объеме циркулирующей крови количества клеток, уменьшение скорости оседания эритроцитов, повышение связывания кислорода с гемоглобином; в тромбоцитарном звене отмечалось снижение адгезивных и агрегационных, в том числе индуцированной агрегации, свойств тромбоцитов и увеличение их активных форм; в лейкоцитарном звене отмечена достоверная модуляция экспрессии мембранных маркеров мононуклеаров, активация фагоцитоза, моноцитов и гранулоцитов, стимуляция цитотоксической активности натуральных киллеров; в плазме - снижение содержания воспалительных цитокинов, циркулирующих иммунных комплексов, глюкозы, атерогенных липидов и повышение уровня противовоспалительных цитокинов. Согласно данным, поляризованный свет активирует клеточный и гуморальный иммунитет, при этом повышение показателей отмечается при их исходно ”низком” значении и понижение при исходно ”повышенном” уровне (рисунок 19).



Рисунок 19 - Показатели фагоцитоза

Поляризованный свет, стимулируя фагоцитоз (захват и переваривание твердых тел), секрецию иммуноглобулинов (антител), оптимально изменяя соотношение между провоспалительными(ИЛ-1в, TNF-б, ИЛ-6, ИЛ-12) и противовоспалительными (ИЛ-10, TGF-в1) факторами (цитокинами) в плазме крови, усиливает противовоспалительный эффект, что влечет за собой некоторые терапевтические последствия:

- увеличение в плазме количества Ig M и Ig А (антитела) позволяет применять поляризованный свет для стимуляции сниженного противоинфекционного иммунитета и повышения защитных механизмов слизистых оболочек;

- увеличение количества Ig позволяет использовать поляризованный свет с целью профилактики и лечения хронических инфекций дыхательных путей, а также для предупреждения развития некоторых аллергических состояний, характеризующихся сниженным уровнем Ig А;

- снижение в плазме крови уровня некоторых провоспалительных цитокинов, предотвращение массивного выхода других факторов воспаления и повышение уровня противовоспалительных цитокинов (ИЛ-10,TGF-в1) может составить важный механизм противовоспалительного действия поляризованного света.

Очевидно, кровь облученная поляризованным светом стимулирует размножение фибробластов (клеток соединительной ткани) слабее, чем эндотелиальных клеток. Это различие может объяснить способность поляризованного света ускорять ранозаживление без гиперпродукции клеток соединительной ткани, т.е. без образования гипертрофированных рубцов. Процесс заживления сильно зависит от уровня локального кровотока, который определяется состоянием микроциркуляторного русла реологическими свойствами крови, состоянием свертывающей и противосвертывающей систем. Поляризованный свет снижает агрегацию тромбоцитов (рисунок 20).

Рисунок 20 - Количество тромбоцитов в агрегатах при воздействии поляризованного света

Следовательно, полученные результаты достоверно доказали роль фотомодификации крови в развитии таких важнейших эффектов при воздействии поляризованного видимого и ИК-света, как противовоспалительного, иммуномодулирующего, ранозаживляющего и нормализующего обмен веществ действия. Основные триггерные механизмы лечебных эффектов света можно объединить в следующие:

- полихроматический видимый и инфракрасный свет индуцирует в поверхностных сосудах кожи структурную модификацию клеток и компонентов плазмы небольшого количества крови, изменения их свойств и функций, освобождение растворимых факторов, вследствие чего небольшой объем крови приобретает свойства биологически активного препарата с широким спектром активностей;

- модифицированная светом кровь, контактируя в сосудистом русле с остальной кровью, транслирует ей вызванные светом изменения, вследствие чего весь объем циркулирующей крови приобретает свойства биологически активного препарата с широким спектром активностей.

Молекулярные механизмы действия поляризованного света заключаются в следующем:

- быстрые изменения всей циркулирующей крови при воздействии на нее видимого и ИК-света являются следствием образования облученными клетками крови активных форм кислорода.

Таким образом, исследование показало профилактические и лечебные возможности использования поляризованного света, а также новые направления научных исследований по изучению данного феномена при различных физиологических и патологических состояниях [22].