Лазеры генерируют электромагнитное излучение в одночастотных и многочастотных режимах во всех участках спектрального диапазона от ультрафиолетового до инфракрасного. Мощность лазерных установок колеблется от долей милливатт до сотен мегаватт. При этом можно получить как луч направленного действия, так и расфокусированное излучение [1-2]. В медицине используется низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ), которое относится к красному и инфракрасному диапазонам. Воздействие НИЛИ на биологические ткани зависит от активизации биохимических реакций и физических параметров излучения [3]. Под влиянием НИЛИ атомы и молекулы биологических тканей переходят в возбужденное состояние, активнее участвуют в физических и физико-химических взаимодействиях [7]. Известно, что биологические объекты, в том числе бактериальные клетки, способны поглощать кванты лазерного излучения. Согласно закону Эйнштейна-Старка о фотохимическом эквиваленте, на каждый поглощенный фотон при фотохимической реакции образуется активированная частица (атом, молекула, свободный радикал). Эффект лазерного излучения определяют физические свойства излучения и свойства биологического объекта воздействия.
Одной из главных характеристик лазерного излучения является его интенсивность. Лазерное излучение высокой интенсивности вызывает обезвоживание, испарение жидкой части клеток, облучение средней интенсивности – коагуляцию белковой фракции клетки. Низкоинтенсивное лазерное излучение (не более 100 мВт/см2) влияет на энергетический потенциал молекул, что отражается на кинетике биохимических процессов. Степень соответствия длины волны излучения максимуму поглощения определяет проницаемость тканей для лазерного излучения. Биологические объекты весьма чувствительны к излучению лазеров низкой интенсивности. Существует несколько гипотез, отражающих предполагаемый первичный эффект взаимодействия НИЛИ с биологическими системами. Лазерное излучение активизирует некоторые ферменты-акцепторы, спектр поглощения которых совпадает с его энергетическим спектром. Считают, что такими акцепторами для гелий-неоновых лазеров являются каталаза, церрулоплазмин, супероксиддисмутаза [7], НАДФН-дисмутаза, протопорфирин и его производные. Ведущая роль в абсорбции излучения гелий-кадмиевого лазера принадлежит рибофлавину и цитохромоксидазе [4]. Поглощая энергию лазерного излучения, акцепторы (ферменты, биологически активные вещества) запускают регулируемые ими биохимические процессы. Вторая концепция предполагает неспецифическое действие излучения на биополимеры (белки, липиды, мембраны, ферменты). При этом меняется их конформационное строение и функциональное состояние. Энергия, необходимая для конформационных переходов биополимеров, невелика, поэтому слабые энергетические факторы (низкоинтенсивное лазерное излучение) могут влиять на электронно-конформационные взаимодействия. Согласно третьей концепции, в результате действия НИЛИ образуются активные формы кислорода (синглетный кислород), которые индуцируют окислительные процессы. Одним из механизмов действия НИЛИ является изменение физико-химических характеристик воды [10]. Четвертая гипотетическая модель основана на влиянии энергии лазерного излучения на скорость переходов реакции ассоциации-диссоциации структурных элементов воды с сохранением или с изменением количества ассоциаций и диссоциаций молекул. Преобладание диссоциации в системе ассоциированных компонентов ускоряет деструкцию элементов и наоборот. Лазерная энергия может накапливаться, создавая эффект пружины [6]. В.Е. Кузьмичев предлагают концепцию, базирующуюся на нелинейности поглощения энергии [13]. Квант света увеличивает колебательную энергию многоатомных биомолекул или становится источником энергии, используемой в биохимических процессах. Отклик системы на физический фактор определяются выраженностью изменений колебательной энергии молекул. Максимальный положительный биологический эффект достигается определенной оптимальной дозой лазерного излучения, создающей максимальную вероятность возбуждения большого количества молекул и дальнейшего их перехода на другой энергетический уровень.
Согласно биофотонной концепции F. Popp при возбуждении биополимеров (например, ДНК), возбужденный электрон делокализуется в электронном облаке молекулы, образуя нелинейные устойчивые вихревые сгустки энергии (поляритоны) [19] . Поляритоны способны накапливать энергию, а затем терять ее в виде излучения с большей длиной волны. Этот процесс описывается явлением возврата Ферми-Паста-Улама. НИЛИ стимулирует изменения, которые реализуются на всех уровнях организации живой материи: субклеточном, клеточном, тканевом, органном, организменном [11]. Экспериментальные и клинические исследования свидетельствуют об изменении энергетической активности и конформационного состояния мембран, основных ферментных систем, биосинтетических и окислительно-восстановительных процессов, структурно-функциональных преобразованиях межклеточного пространства, увеличении продукции макроэргических соединений, повышении митотической активности клеток.
Следует подчеркнуть, что НИЛИ способствует улучшению жизнедеятельности только при адекватной дозировке, в других случаях его действие является или неэффективным, или угнетает функции биологического объекта [15]. Возможность передозировки лазерного излучения установлена И.М. Байбековым с соавт. [3] на основании изучения морфологических эффектов различных видов НИЛИ, вызывающих обратимые и необратимые альтерации клеточных структур. Одним из эффектов лазерного поражения клетки является вакуолизация цитоплазмы, связанная с нарушением проницаемости клеточной оболочки за счет инактивации преимущественно а-каналов, внутриклеточных мембран [8]. Степень выраженности повреждающего действия зависит от типа клетки, длины волны, мощности излучения.
Одним из важнейших вопросов в проблеме взаимодействия НИЛИ с биологическим объектом является вопрос об акцепторе фотонов лазерного луча. Поиски фотоакцепторов (фоторецепторов) лазера были начаты на культурах прокариотических клеток, в том числе на клетках E.coli и кокков [5], паразитических простейших Leishmania spp. [2]. Результаты этих исследований неоднозначны. Одними авторами показано, что лазерное излучение с длиной волны 0,63 мкм и мощностью от 30 до 80 мВт не оказывает влияния на бактериальные клетки. В частности – на биологические и культуральные свойства E. Coli [5]. Другие авторы показали, что в результате воздействия лазерного излучения в ранах отмечается снижение микробных ассоциаций: в 3 раза реже обнаруживается грамотрицательная флора, в 2 раза реже – гемолитический стрептококк и грамположительные палочки [9]. Большое число работ по изучению влияния лазерного излучения выполнено не только на клеточном и молекулярном уровнях, но и на организме экспериментальных животных и человека.
Летальные эффекты лазерного излучения на некоторые виды кокков и кишечной палочки наблюдали С. Файн и Э. Клейн [16]. Были получены обнадеживающие экспериментальные данные по стерилизации молока путем облучения лазером. Гибнут бактерии при воздействии лазера длинной волны около 700 нм с энергией 200 Дж. При этом происходит денатурация белка и повреждение нуклеиновых кислот.
При исследовании влияния когерентных лучей ультрафиолетового лазера на содержание Streptococcus lactis в молоке, в зависимости от частоты дозы и времени облучения, было обнаружено, что лазерное облучение Streptococcus lactis с частотой 50 имп/с и суммарными дозами 31, 62 и 750 мВт • с/см2 практически не влияет на количественный состав микроорганизмов. Облучение Streptococcus lactis импульсным лазером, действующим в ультрафиолетовой области спектра с длиной волны (337 ± 1,5) нм и частотой 50 имп/с в течение 20 мин вызывает летальный исход бактерий на 41,3%. Облучение с частотой 100 имп/с в течение 10 и 20 мин вызывает гибель их соответственно на 30,8 и 63,7% [17]. Установлено, что лазерное излучение с длиной волны 805 нм и интенсивностью 46 мВт/см2 подавляет рост клеток S. Aureus на 5%– 21% по сравнению с контрольными данными [12].
Использование красного излучения (625 нм) при фотовоздействии на P. acnes было достаточно эффективным. Снижение числа КОЕ происходило после 5 мин облучения на 33%, после 10 мин – на 20%, после 15 мин – на 34%, после 30 мин – на 51% [14]. Лазерная и световая терапия с длинами волн 400–700 нм находит терапевтическое обоснование ввиду фотохимических особенностей молекул порфиринов – эндогенных красителей в клетках P. acnes. Наиболее эффективно порфирины поглощают свет с длинами волн 400−420 нм, что соответствует так называемой полосе Соре. Но существуют и Q-полосы менее эффективно поглощающие излучение с длинами волн 500−700 нм. Подобное воздействие приводит к образованию порфиринами активных радикалов, которые незамедлительно вызывают разрушение бактериальной клетки [18].
Таким образом, действие лазера, в зависимости от мощности, интенсивности, частоты излучения, времени экспозиции, позволяя избирательно воздействовать на субклеточные структуры, вызывает у прокариотических клеток изменения морфологических и биохимических свойств на различных уровнях, от адаптации и активации физиологических процессов до утраты жизнеспособности.
Библиографическая ссылка
Мальцев А.П. Механизмы действия лазерного излучения на прокариотические клетки // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 6. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=16676 (дата обращения: 19.04.2024).