Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Количественное выражение СБД представляет собой сложную задачу, требующую прежде всего конкретизации системного уровня взаимодействия. Так, при рассмотрении поглощения света на молекулярном уровне можно записать кинетическое уравнение (см. 3.3): 193 й~ 1Я вЂ” = — з) пл(~) Й й~> где д — квантовая эффективность процесса; о — сечение поглощения света в пересчете на единичный квант; л(~) — концентрация продукта, возникающего в результате взаимодействия; 1[1) — интенсивность падающего света; йа — энергия поглощаемого фотона. п(~) Функция 1'(Х) = — — скоросп возникновения биомолекул Ф данного вида в пересчете на один фотон с длиной волны Х вЂ” является количественным выражением СБД (см. 3.3).
Таким образом, СБД есть та часть спектра поглощения, которая непосредственно связана с определенным фотобиологическим эффектом. СБД можно рассматривать не только на молекулярном, но на любом системном уровне. Все излучение, поглощаемое биообъекгом, составляет его спектр поглощения. СБД формируется только теми молекулами, которые инициируют данный эффект. Поэтому естественно называть дифференциальными молекулы, ответственные за СБД [в отличие от фоновых молекул, ответственных за весь спектр поглощения).
Часто СБД рассматривается как алдитивная часть спектра поглощения [70). Но такой подход можно признать корректным только в том случае, если имеется рецепт вьщеления СБД из спектра поглощения. Полагая поведение дифференциальных молекул сигналом, а фоновых— шумом, видим, что шум может быть как аддитивным, так и мультипликативным. Если шум мультипликативен, то выделение полезной информации осложняется. Аддитивность СБД по отношению к спектру поглощения можно рассматривать только в случае линейности взаимодействия лазерного излучения с биосредой. Однако, как правило, всякий фотобиологический эффект носит пороговый характер, т. е.
проявляет нелинейные свойства. Поэтому для регистрации СБД необходимо: ° подобрать стандартный биообъект со стабильными и воспроизводимыми характеристиками; ° выбрать параметр, характеризующий биообъект на более высоком (в данном случае клеточном) уровне. Параметр должен быть линейно связан с вероятностью микрособытия — первичного акта возбуждения биомолекулы, — чтобы его измерение не вносило возмущений в клетку; ° использовать источник излучения, перестраиваемый в заданном диапазоне спектра с достаточно высокой монохроматично- 194 стью и заданной интенсивностью, обеспечивающей достижение требуемого фотобиологического эффекта.
Сформулированные условия, отнесенные к переходу с молекулярного уровня на субклеточный или клеточный, могут быть без существенного ограничения общности (конечно, с соответствующей перефразировкой) перенесены на любой более высокий системный уровень. Выполнение этих условий представляет большие практические затруднения, поэтому приводимые в литературе сведения об измерении СБД в большинстве своем несостоятельны с методической точки зрения.
Дозиметрические аспекты низкоинтенсивной фототерапии. Низкоинтенсивное оптическое излучение (НОИ), в первую очередь лазерное, нашло широкое применение в медицине [65, 7Ц. Имеется много работ по изучению механизмов действия НОИ на биологические объекты разного уровня организации — от молекулярного до организменного [65].
В свете необходимости исследования СБД без выяснения этих механизмов не может быть корректной постановки основной задачи дозиметрии. Однако до сих пор нет общепринятой концепции механизма действия НОИ на живые организмы. Есть несколько альтернативных точек зрения, объясняющих частные явления или эксперименты [65).
Употребление термина НОИ, а не НИЛИ (низкоинтенсивное лазерное излучение), обусловлено тем, что из основных характеристик лазерного излучения прежде всего имеют значение длина волны и спектральная плотность. Когерентность и поляризация лазерного излучения влияют на лечебный эффект в меньшей степени, хотя утверждать, что они вообще не имеют значения, достаточных оснований нет. Проблема выяснения механизмов действия НОИ на биообъекты является центральной как для медиков и биологов, так и для разработчиков аппаратуры в течение вот уже почти 40 лет развития низкоинтенсивной лазерной терапии (НИЛТ).
Пока она далека от разрешения, хотя сам факт резкого повышения интереса к НИЛТ в последние 10 лет говорит о положительных сдвигах в ее изучении. В среде медиков и биологов сформировалось представление о специфичности и неспецифичности взаимодействия НОИ с живыми организмами. Специфическим называют взаимодействие света с биообъектом, связанное с интенсивным молекулярным поглощением света, т, е, таким, для которого установлены специфические фотоакцепторы„осуществляющие первичное поглощение света и запускающие затем ряд специфических фотохимических реакций.
Типичный пример такого взаимодействия 195 фотосинтез. Соответственно, неспецифическим взаимодействие считается тогда, когда биологический отклик велик, а поглошение света настолько мало, что однозначно установить первичный акцептор не представляется возможным. Именно этот аспект — установление первичных акцепторов при отсутствии сильного поглощения — и вызывает наиболее ожесточенные дискуссии, поскольку превращение неспецифического взаимодействия в специфическое открывает путь к практическому применению НИЛТ не на эмпирической, а на строго научной основе, так как позволяет осуществить продвижение в решении проблемы дозиметрии.
Спектральный диапазон, в котором работают фототерапевтические аппараты, соответствует «окну прозрачности» бнотканей (600...1200 нм) и находится далеко от характерных полос электронного поглошения всех известных хромофоров организма (исключение — пигменты глаза, поглошающие на длинах волн 633 и 660 нм).
Следовательно, ни о какой значительной (по сравнению с падающей) поглощенной энергии не может быть и речи. Тем не менее под действием НОИ наблюдается целый ряд клинических эффектов, которые в течение длительного времени служат основой НИЛТ. Если попытаться обобщить все эти эффекты, то можно сформулировать неспецифическое интегральное действие на клеточном уровне: лазерное излучение воздействует на функциональную активность клеток.
При этом оно не меняет самой функции, но может усиливать ее интенсивность. Иначе говоря, под действием НОИ изменяется скорость процессов клеточного метаболизма. На физико-химическом языке это означает, что потенциальные барьеры ключевых биологических реакций меняют свою высоту и ширину. В частности, НОИ может сильно повлиять на мембранный потенциал. С ростом напряженности поля мембраны активационные барьеры ферментативных реакций, связанных с мембранным транспортом, снижаются, обеспечивая тем самым экспоненциальный рост скорости фсрментативных реакций [7! ].
Наиболее разработанной моделью на сегодня можно считать светокислородную [70), в которой предполагается, что первичным фотоакцептором (на молекулярном уровне) является растворенный молекулярный кислород, который при поглощении кванта света 3 ! переходи~ в синглетное состояние. Переход Ог — Оз происходит на длинах волн 1270, 1060, 760, 633, 570, 480 нм, причем для изолированной молекулы Оз этот переход запрещен.
Однако в водной среде образование синглетного кислорода возможно, и это прежде всего проявляется в спектре возбуждения клеточной реакции эрит- 196 роцитов (как изменение упругости мембраны). Максимум этого эффекта соответствует 1270. 1260 нм (полоса поглошения молекулярного кислорода), а форма спектра возбуждения указанной клеточной реакции детально совпадает с линией перехода из основного состояния в первое возбужденное состояние молекуляр- 3 ! ного кислорода ( Х вЂ” б ). Синглетный кислород играет ключевую роль практически во всех процессах клеточного метаболизма, причем для изменения характера ферментативных реакций требуется очень малое изменение его концентрации (в пределах порядка).
Эксперименты последних лет [71, 72! показали, что скорость клеточного роста для важнейших клеточных культур (лейкоциты, лимфоциты, фибробласты, злокачественные клетки и др.) сушественно изменяется в зависимости от 2 плотности энергии (в пределах от 10 до 500 Даем ), режима и длины волны падающего излучения. Переход с молекулярного уровня на клеточный осуществляется через изменение структуры водной матрицы. Как известно, тушение синглетного кислорода может происходить либо химическим, либо физическим путем.
В отсутствие фотосенсибилизаторов можно считать, что преобладает физическое тушение. При физической дезактивации молекул синглетного кислорода на колебательные подуровни окружающих молекул передается энергия порядка 1 эВ. Этой энергии достаточно для разрыва водородных связей, создания ионных или ориентационных эффектов, т. е, локальное высвобождение энергии 1 эВ приводит к сильному возмущению структуры ближнего окружения растворенной молекулы синглетного кислорода. В термодинамически устойчивом состоянии единичное возмушение на расстояниях молекулярного масштаба не может играть заметной роли и должно с гарантией разрушаться тепловыми флуктуациями. Однако биожидкости нельзя рассматривать как термодинамически равновесные структуры.
Для моделирования процессов в биожидкостях следует использовать метастабильное состояние растворов биомолекул, возникаюшее в начальных фазах процесса растворения. Особенность таких метастабильных состояний — высокая чувствительность к локальным возмущениям. Внутриклеточная или внутритканевая вода представляет собой структуру, близкую к жидкому кристаллу (одномерный дальний порядок), с расстоянием между молекулами 2,7 10 м [71). !97 Изменение структуры водной матрицы должно отражаться в изменении показателя преломления раствора биожидкости, что наблюдалось экспериментально при облучении растворов биожидкостей излучением Не-Хе лазера (Х = 632,8 нм) [72].
Отметим, что динамические возбуждения жидкокристаллической воды могут при определенных условиях приводить к возникновению коллективных динамических состояний. Ситуация аналогична превышению порога генерации в лазере, где обозначается лавинообразное возрастание преобладания индуцированного излучения. Иначе говоря, динамика воды становится когерентной, и структура жидкости в объеме некоторого кластера делается доминирующей во всем объеме раствора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
