Биофизические основы физиотерапии - часть 19

рое существенно превышает kТ. В этом случае сравнение вы-

деляющейся свободной энергии с kТ при поглощении кван-

тов магнитного поля теряет смысл. При таких условиях

лечебные эффекты магнитного поля (МП) могут быть обу-

словлены интерференцией угловых квантовых состояний

ионов и вращательных состояний молекул в белковых спира-

лях ионных каналов. Устойчивость интерференционной кар-

тины по отношению к тепловым колебаниям среды обуслов-

лена особенностями их взаимодействия с угловыми и враща-

тельными состояниями.

3.2. Воздействие оптического излучения на организм

Взаимодействие электромагнитных волн оптического диапа-

зона с биологическими объектами проявляется как в волно-

вых, так и в квантовых эффектах, вероятность формирования

которых изменяется в зависимости от длины волны. При

оценке особенностей лечебного действия ЭМП оптического

диапазона наряду с такими закономерностями его волнового

распространения, как отражение, рассеяние и поглощение,

необходимо также учитывать корпускулярные эффекты —

фотохимический, фотоэлектрический, фотолитический и др.

В механизме фотобиологического действия ЭМП оптиче-

ского диапазона определяющим является поглощение энергии

световых квантов атомами и молекулами биологических тка-

ней (закон Гротгуса—Дрейпера), в результате которого образу-

ются электронно-возбужденные состояния молекул с перено-

сом энергии кванта (внутренний фотоэффект) и происходит

электролитическая диссоциация и ионизация биологических

молекул. Характер первичных фотобиологических реакций

определяется энергией квантов оптического излучения. В ин-

фракрасной области энергии фотонов [(1,6—2,4)*10

-19

 Дж] до-

статочно только для увеличения энергии колебательных про-

цессов биологических молекул. Видимое излучение, энергия

фотонов которого составляет (3,2—6,4)*10

-19

 Дж, способно вы-

звать их электронное возбуждение и фотолитическую диссо-

циацию. Наконец, кванты ультрафиолетового излучения с

энергией (6,4—9,6)* 10

-19

 Дж вызывают ионизацию молекул и

разрушение водородных связей (рис. 3.3).

На следующем этапе энергия оптического излучения

трансформируется в тепло или образуются первичные фото-

продукты, выступающие пусковым механизмом фотобиоло-

гических процессов. Первый тип энергетических превраще-

ний присущ в большей степени инфракрасному излучению, а

второй — ультрафиолетовому. Анализ природы происходя-

щих процессов позволяет утверждать, что специфичность ле-

чебных эффектов различных участков оптического излучения

зависит от длины волны.

148

Рис. 3.3. Фотохимические реакции квантов оптического излучения.

Фотобиологические свойства ультрафиолетового излучения

связаны главным образом с фотоионизацией, фотодиссоциа-

цией и фотоизомеризацией нуклеотидов и аминокислот. Бак-

терицидное действие коротковолнового ультрафиолета в наи-

большей степени связано с димеризацией тимина, однако в

присутствии фотосенсибилизатора (бензофенона или ацетофе-

нона) димеризапия тимина наступает при облучении длинно-

волновым ультрафиолетом с длиной волны всего 360 нм.

Молекула бензофенона, поглощая квант с длиной волны

360 нм, переходит в возбужденное синглетное состояние, за-

тем электрон безизлучательно переходит с синглетного на

триплетный уровень. Если расстояние между молекулами ти-

мина и бензофенона достигает 1 нм, происходит переход элек-

трона с бензофенона на возбужденный триплетный уровень

тимина, а электрон с основного уровня тимина переходит на

основной уровень бензофенона, заполняя образовавшуюся там

вакансию. Таким образом, в присутствии фотосенсибилизато-

ра возбуждение пиримидиновых оснований возможно без не-

посредственного возбуждения их синглетных уровней, и по-

этому достижимо квантами более «мягкого» ультрафиолета.

В роли фотосенсибилизатора в клинике применяют псорален

(PUVA-терапия). Таким образом, в клетках тканей, содержа-

щих фотосенсибилизаторы, длинноволновое ультрафиолето-

вое излучение вызывает такие же биологические эффекты, ка-

кие в интактных тканях вызывает только жесткое коротковол-

новое ультрафиолетовое излучение с рядом побочных фото-

токсических и фотоаллергических эффектов.

Кроме обменно-резонансного, возможен индуктивно-ре-

зонансный перенос энергии возбуждения с донора на акцеп-

тор. Например, если спектр люминесценции вещества-донора

перекрывается со спектром поглощения (абсорбции) вещест-

ва-акцептора, происходит безизлучательный перенос возбуж-

149

Рис. 3.4. Образование меланина в организме.

денного состояния с донора на акцептор. Вероятность перено-

са возбуждения тем выше, чем точнее совпадают спектры

люминесценции донора и абсорбции акцептора. В отличие от

обменно-резонансного переноса, эффективного на межмоле-

кулярных расстояниях до 1 нм, индуктивно-резонансный пе-

ренос энергии возможен при расстояниях между донором и

акцептором до 10 нм.

Кроме димеризации, важным компонентом бактерицидно-

го и мутагенного действия ультрафиолета является фотогид-

ратация пиримидиновых оснований. Продукт такой реакции

разрушается только термически, т.е. реакция практически не-

обратима.

Важным аспектом механизма действия ультрафиолетового

излучения является взаимодействие с белками и аминокисло-

тами. Возбуждение УФ-излучением аминокислоты тирозина

лежит в основе последовательности реакций, приводящих к

синтезу дигидрофенилаланиновых меланинов (эумеланинов).

Максимальная стимуляция меланиногенеза достигается при

облучении средневолновым ультрафиолетом с длинами волн

260—320 нм. Среди физиотерапевтов и косметологов широко

распространено неверное мнение, что максимальная актив-

ность меланиногенеза происходит при облучении длинновол-

новым ультрафиолетовым излучением с длиной волны

360 нм. Для этой цели применяются солярии с лампами, из-

лучающими преимущественно длинноволновое УФ-облуче-

ние, однако оно способствует не синтезу нового меланина в

меланоцитах, а транспорту меланиновых гранул по дендритам

из тел меланоцитов в кератиноциты, чем и достигается види-

мый косметический эффект — загар. Для синтеза меланина

необходимо ультрафиолетовое излучение с длиной волны не

более 320 нм. На рис. 3.4 представлен синтез меланина, кото-

рый проходит через разные этапы превращения тирозина.

150

Рис. 3.5. Зависимость интенсив-

ности образования эритемы (1)

и витамина D

3

 (2) от длины

волны ультрафиолетового излу-

чения.

По оси абсцисс — длина волны оп-

тического излучения, λ мкм; по

оси ординат — интенсивность обра-

зования эритемы (1) и витамина D

3

(2), I.

СУФ (средневолновое ультрафиолетовое)-излучение с дли-

ной волны от 300 нм и менее приводит, однако, к фотоионн-

зации аминокислот и является канцерогенным, повышая

риск развития рака кожи. Самая чувствительная к фотоиони-

зации аминокислота — триптофан — ионизируется при по-

глощении квантов с длиной волны 297 нм. Вероятнее всего,

именно этим фактом обусловлен многократно возрастающий

риск развития рака кожи при облучении ультрафиолетовым

излучением с длиной волны менее 297 нм. Таким образом,

для стимуляции меланиногенеза целесообразно использовать

ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 300 до

320 нм, хотя УФ-излучение более коротковолнового диапазо-

на — 280—300 нм — более эффективно, но оно, к сожале-

нию, опасно (рис. 3.5).

Чрезвычайно важна роль средневолнового ультрафиолето-

вого излучения при синтезе витамина В. Вследствие фото-

ионизации при облучении УФ с длинами волн 260 нм обра-

зуют свободные радикалы аминокислоты фенилаланина,

270 нм — тирозина, а 297 нм — триптофана:

Три + hν (297 нм) -> Три* -> Три

+

 + е

-

,

где Три* — возбужденное состояние молекулы триптофана,

Три

+

 — ионизированное состояние молекулы триптофана.

е

-

 — гидратированный электрон.

В ходе реакции образуются катион-радикал аминокислоты

и чрезвычайно активный гидратированный электрон. Гидра-

тированный электрон поглощает фотон с длиной волны

650 нм, после чего освобождается из потенциальной ямы пи-

ратного окружения и рекомбинирует с радикалом аминокис-

лоты. Таким образом, КУФ- и СУФ-излучения инициируют

образование свободных радикалов, а оптическое излучение с

длиной волны около 650 нм «тушит» наработку свободных

151

радикалов. При облучении красным светом реакция обраща-

ется в следующую:

Три

+

 + е

-

 + hv (650 нм) -> Три* -> Три + hv (люминесценция).

Потенциальная энергия электрона в гидратном окруже-

нии, равная примерно 2 эВ. является причиной антиради-

кальной активности красного излучения. Следует особо под-

черкнуть, что энергия связи электрона с молекулами воды за-

висит от температуры и концентрации ионов в растворе и не

строго соответствует фотону с длиной волны 650 нм, а может

отклоняться от данного значения на несколько нанометров в

ту или иную сторону. Потенциальная энергия гидратирован-

ного катион-радикала также составляет величину около 2 эВ.

что соответствует длине волны красного излучения. Антира-

дикальная активность красного излучения, вероятно, являет-

ся важным, если не основным компонентом лечебного дейст-

вия красной фото- и лазеротерапии. Существенно облегчает

неинвазивное использование красного излучения высокая

прозрачность для него биологических тканей относительно

других длин волн оптического диапазона.

Оптическое излучение низкой (нетепловой) интенсивности

видимого и инфракрасного диапазонов преимущественно

влияет на возбуждение тех или иных электронных энергетиче-

ских уровней, но не абсолютно обусловливает его. поскольку

естественный ход химических окислительно-восстановитель-

ных реакций у животных сопровождается возбуждением моле-

кулы и переносом электрона от донора к акцептору в темноте.

При переносе электрона в возбужденное состояние по донор-

но-акцепторному механизму в случае отсутствия химических

источников свободной энергии необходима индукция перено-

са электрона квантом света.

Фотоны инфракрасного излучения, имеющие энергию,

равную или больше энергии окислительно-восстановитель-

ных пар в цепи переноса электронов в митохондриях, в

принципе могут индуцировать перенос электрона от донора к

акцептору. Таким образом, инфракрасным излучением может

быть активизировано тканевое (клеточное) дыхание. Значе-

ние энергии фотона может быть большим, чем разность

энергии окислительно-восстановительной пары — «мишени»

излучения, так как молекулы-переносчики электронов нахо-

дятся в мембранах и гидратном окружении и их энергетиче-

ские уровни ниже, чем были бы у молекул в свободном со-

стоянии. Часть энергии поглощенного кванта соответственно

передается молекулам-соседям и рассеивается без излучения.

Примечательно, что разности энергии окислительно-восста-

новительных пар — компонентов дыхательной цепи — со-

ставляют десятые доли электрон-вольта и энергии соответст-

вующих квантов приходятся на ближний инфракрасный диа-

152

пазон. Например, энергия окислительно-восстановительной

пары НАД

+

/НАДН составляет 0,32 эВ, цитохромоксидазы —

0,55 эВ, а энергия еще видимых глазом «красных» фотонов —

около 1,5 эВ.

К настоящему времени надежно установлено влияние низ-

коинтенсивного лазерного излучения на реакции неспецифи-

ческого иммунитета. Несмотря на обилие «белых пятен» в

механизмах иммуностимулирующего и иммуномодулирующе-

го действия лазерного излучения, некоторые аспекты данных

механизмов можно считать установленными. Важным звеном

реакций иммунитета является синтез синглетного кислорода,

окисляющего фосфолипиды плазматической мембраны бак-

терий. Примером фермента, поставляющего синглетный кис-

лород, является НАДФН-оксидаза альвеолярных макрофагов.

Эта реакция в обычных физиологических условиях происхо-

дит в темноте, но может происходить и на свету. Кислород в

основном (невозбужденном) состоянии является парамагне-

тиком, следовательно, его основной энергетический уровень

триплетный. Синглетное состояние у кислорода возбужден-

ное и для его возбуждения требуется энергия кванта с длиной

волны 1270 нм, но такой переход является запрещенным.

Структура энергетических уровней кислорода достаточно

сложна, и ее изучение выходит далеко за рамки нашего кур-

са. Таким образом, мы ограничимся лишь выводом, что синг-

летный кислород в присутствии органических молекул-сен-

сибилизаторов образуется после ряда безизлучательных пе-

реходов при возбуждении триплетного уровня фотоном с

длиной волны 632 нм или, со значительно меньшей вероят-

ностью, фотоном с длиной волны 760 нм. Следовательно,

красное излучение с длиной волны 632 нм обусловливает ак-

тивацию синтеза синглетного кислорода и обладает мягким

прооксидантным биологическим эффектом.

Красное излучение может обусловливать как антиоксидант-

ный эффект — рекомбинацию гидратированных электронов с

катион-радикалами излучением 650 нм, так и прооксидантный

эффект — образование синглетного кислорода при облучении

фотонами с длиной волны 632 нм. Немонохроматическое (ши-

рокополосное) красное излучение может обусловить преобла-

дание того или иного эффекта в зависимости от отношения

спектральной плотности энергетической светимости при дли-

нах волн 650 и 632 нм от локализации облучения и от функ-

ционального состояния облучаемых тканей. Отметим, что в

последнее время в лазеротерапии сложилась практика при-

менения красного излучения именно с длинами волн 632 и

650 нм как биологически и клинически наиболее эффектив-

ных. Упомянутые длины волн были выбраны эмпирически, и

практика их применения сложилась без глубокой предвари-

тельной аргументации.

153

Механизмы действия ближнего инфракрасного излучения

связаны с активацией переноса электронов по дыхательной

цепи митохондрий. Активация тканевого дыхания наряду с

повышением интенсивности метаболизма приводит также к

избыточному накоплению активных форм кислорода: О

-2

,

ОН

-

, Н

2

О

2

 и ряда других. Генерация активных форм кислоро-

да есть неизбежная плата за высокую метаболическую актив-

ность аэробного дыхания нашего организма: кислород явля-

ется элементом не только дающим жизнь, но и приносящим

преждевременное старение и гибель клеток.

Степень проявления фотобиологических эффектов в орга-

низме зависит от интенсивности оптического излучения, кото-

рая обратно пропорциональна квадрату расстояния от источ-

ника до облучаемой поверхности. Исходя из этого, в клини-

ческой практике определяют не интенсивность, а дозу облу-

чения на определенном расстоянии от источника путем

измерения времени облучения. Наряду с активирующей ролью

инфракрасного лазерного излучения низкой интенсивности на

тканевый метаболизм в клинической практике надежно уста-

новлено потенцирование клинических лечебных эффектов ла-

зеротерапии в постоянном и низкочастотном переменном маг-

нитных полях.

При одновременном применении лазерного излучения и по-

стоянного магнитного поля энергия квантов нарушает слабые

электролитические связи между ионами и молекулами воды, а

магнитное поле способствует этой диссоциации и одновремен-

но препятствует рекомбинации ионов {фотомагнитоэлектри-

ческий эффект Кикоина—Носкова). Кроме того, в постоянном

магнитном поле молекулярные диполи строго ориентированы

преимущественно вдоль его силовых линий, а поскольку вектор

магнитной индукции направлен перпендикулярно световому

потоку (магнит расположен по периметру облучаемого участ-

ка), то основная масса диполей располагается вдоль него. Это

существенно увеличивает проникающую способность лазерно-

го излучения (до 70 мм), уменьшает коэффициент отражения на

границе раздела тканей и обеспечивает максимальное поглоще-

ние лазерного излучения. Указанные особенности существенно

повышают терапевтическую эффективность магнитолазерного

воздействия на патологический процесс.

Таким образом, электромагнитные поля и излучения име-

ют определенное пространственно-временное распределение

энергии, которая при взаимодействии ЭМП с биологически-

ми тканями трансформируется в другие виды (механическую,

химическую, тепловую и др.). Вызванные возбуждением или

нагреванием тканей организма процессы служат пусковым

звеном физико-химических и биологических реакций, фор-

мирующих конечный терапевтический эффект. При этом

каждый из типов рассмотренных электромагнитных полей и

154

излучений вызывает присущие только ему физико-химиче-

ские процессы, которые определяют специфичность их ле-

чебных эффектов.

3.3. Воздействие механических факторов на организм

Распространение вызванных механическими факторами волн

в тканях организма порождает 2 вида внутренних напряже-

ний: упругие (обратимые) и диссипативные (необратимые).

Последние возникают в том случае, когда продолжительность

восстановления первичной структуры ткани существенно

меньше периода механических колебаний. Диссипативные

напряжения обусловливают необратимое превращение меха-

нической энергии в теплоту — поглощение звука, которое

вызывает уменьшение интенсивности механических волн по

мере их распространения. Расстояние, на котором интенсив-

ность волны уменьшается в «е

2

» (приблизительно в 7,3 раза),

называют глубиной проникновения звука. Поглощение акусти-

ческих колебаний связано с частной квадратической зависи-

мостью и максимально для ультразвука, а для различных тка-

ней составляет 7—8 см на частоте 44 кГц, 4—5 см на частоте

880 кГц и 1—3 см на частоте 2640 кГц.

Возникающие при поглощении механической энергии де-

формации микроструктур тканей также распространяются

с затуханием. В связи с этим интенсивность механических ко-

лебаний при их распространении в глубь тела человека экспо-

ненциально уменьшается. Поглощение механических колеба-

ний низкой частоты в большей степени определяется неодно-

родностью механических свойств мышц и внутренних органов

человека, чем различием линейных размеров составляющих их

микроструктур. Анизотропия и нелинейность механических

свойств мягких тканей определяет неодинаковую степень по-

глощения энергии механических колебаний. На высоких час-

тотах линейные размеры неоднородностей биологических тка-

ней, составляющие порядок 10

-6

 м, напротив, сопоставимы с

длинами волн распространяющихся колебаний, что приводит

к существенному затуханию упругих колебаний вследствие их

значительного поглощения, рассеяния и отражения частицами

среды. Вклад поглощения среди них наибольший.

На низких частотах, где длина волны сопоставима с разме-

рами тела, акустические колебания распространяются в орга-

низме в виде поперечных волн. С учетом активных свойств неко-

торых биологических тканей механические факторы с амплиту-

дой колебательного смешения выше 10

-6

 м являются физиоло-

гическими раздражителями и могут восприниматься структура-

ми, обладающими высокой чувствительностью к данному фак-

тору — механорецепторами. Сенсорное восприятие вибрации

осуществляют инкапсулированные нервные окончания кожи —

155