Биологические эффекты низкоинтенсивной лазерной терапии

Использование низкоинтенсивного лазерного излучения в целях уменьшения боли, снижения воспаления и отечности, для улучшения заживления ран, нервов, а также для предотвращения повреждения тканей известно уже более сорока лет с момента изобретения лазеров. В этом обзоре будут рассмотрены некоторые из предложенных клеточных механизмов, ответственных за влияние света на клетки млекопитающих, включая цитохрома с-оксидазу (с пиками поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR)). Предполагается, что митохондрии являются вероятной целью воздействия света, что приводит к увеличению синтеза АТФ, модуляции активных форм кислорода и индукции факторов транскрипции. Эти эффекты, в свою очередь, приводят к увеличению пролиферации и миграции клеток (в частности, фибробластов).

Введение

Лазеры, первоначально описанные Теодором Мейманом в 1960 году в виде рубинового лазера – устройства, генерирующие электромагнитное излучение, которое однородно по длине волны, фазе и поляризации. [1].

Лазер описывается как источник света или энергии излучения [2]. Низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) – это особый тип лазерного излучения, которое воздействует на биологические системы через нетепловые средства [3]. Эта область исследования началась с работы Mester и др. в 1967 году. Они сообщили о нетепловых эффектах лазеров, приводящих к росту волос у мышей [4].

Согласно Posten et al, свойства низкоуровневых лазеров:

• Выходная мощность лазеров составляет 0,001-0,1 Вт.
• Длина волны в диапазоне 300-10600 нм.
• Частота импульсов от 0, что означает непрерывность до 5000 герц (циклов в секунду).
• Интенсивность 0,01-10 Вт/см2 и доза от 0,01 до 100 Дж/см2 [5].

Наиболее распространенными источниками низкоинтенсивного излучения являются такие типы лазеров, как рубин (694 нм), Ar (488 и 514 нм), He-Ne (632,8 нм), Криптон (521, 530, 568 и 647 нм), Ga-Al-As (805 или 650 нм) и Ga-As (904 нм) [3].

Низкоинтенсивная лазерная терапия (НИЛТ) – это применение света для биологической системы в целях стимулирования регенерации тканей, уменьшения воспаления и облегчения боли. В отличие от других медицинских лазерных процедур, НИЛТ не имеет абляционного или теплового механизма воздействия, только фотохимический эффект – свет поглощается, приводя к химическим изменениям [6]. Причина, почему этот метод называют низкоинтенсивным является то, что оптимальные уровни плотности излучаемой энергии являются низкими и в сравнении с другими вариациями лазерной терапии, как, например, при практики абляции, резки и коагуляции органической ткани [7].

Первый закон фотобиологии объясняет, что для видимого света малой мощности, имеющего какое-либо влияние на живую биологическую систему, фотоны должны поглощаться электронными сайтами поглощения, принадлежащими некоторым молекулярным фотоакцепторам, которые называются хромофорами [8], Эффективное проникновение света в ткани варьируется от 650 нм до 1200 нм. Поглощение и рассеяние света в ткани намного выше в синем спектре, нежели в красном, поскольку основные тканевые хромофоры (гемоглобин и меланин) имеют высокую способность поглощения при более коротких длинах волн, а рассеяние света на ткани выше на более коротких длинах волн. Вода сильно поглощает инфракрасный свет на длинах волн более 1100 нм. Поэтому использование НИЛТ у животных и пациентов почти всегда применяется исключительно в красном и инфракрасном спектре света (600-1100 нм) [9].

Митохондриальное дыхание и АТФ

Текущие исследования механизма НИЛТ изучают его влияние на митохондрии [6]. Цитохром c-оксидаза (Cox) представляет собой многокомпонентный мембранный белок, который содержит двухъядерный активный медный центр (CuA), а также двухъядерный каталитический центр гема (a3-CuB), оба из которых облегчают перенос электронов из водорастворимой цитохром с-оксидазы на кислород. Этот конечный фермент цепи переноса электронов и играет жизненно важную роль в биоэнергетике клетки [11]. Было высказано предположение, что Cox является основным фотоакцептором для красного NIR-диапазона в клетках млекопитающих, поскольку спектры поглощения, полученные для Cox в разных состояниях окисления, оказались очень похожими на спектры действия при биологических реакциях на свет [10].

Поглощение фотонов Cox приводит последний к электронно-возбужденному состоянию и, следовательно, может привести к ускорению реакций переноса электронов [12]. Ускорение транспорта электронов неизбежно вызывает увеличение производства АТФ [13].

Интенсивное индуцированное светом синтеза АТФ и увеличение протонного градиента приводят к увеличению активности антипортеров Na+/H+ и Ca2+/Na+, а также всех АТФ-зависимых рецепторов. АТФ является субстратом для аденилатциклазы, поэтому уровень АТФ контролирует уровень цАМФ. Оба, Ca2+ и цАМФ, очень важны для вторичных мессенджеров. Ca2+ регулирует почти каждый процесс в организме человека (мышечное сокращение, свертываемость крови, передачу нервных импульсов, экспрессию генов и т.д.) [7]. Поэтому фотоактивация ключевых ферментов, таких как Cox, играет жизненно важную роль в работе разнообразных биологических каскадов.

Оксид азота и НИЛТ

Цитохром с-оксидаза ингибируется оксидом азота (NO) [14, 15]. Подобный механизм можно объяснить прямой конкуренцией между оксидом азота и кислородом для восстановленного двухъядерного каталитического центра CuB/a3 цитохром с-оксидазы [16]. Было предложено, что лазерное облучение способно предотвратить ингибирование цитохром с-оксидазы путем фотодиссоциации NO с его сайтами связывания [17, 18]. Поскольку такое координационное связывание намного слабее, чем ковалентная связь, такая диссоциация возможна под воздействием НИЛИ. Диссоциация NO от Cox способствует увеличению скорости дыхания митохондрий [18]. Свет действительно может обратить вспять ингибирование, вызванное связыванием NO с цитохромоксидазой как в изолированных митохондриях, так и в целых клетках [19]. НИЛИ также может защищать клетки от NO-индуцированного апоптоза [7].

Активные формы кислорода (ROS) и транскрипция

Сообщалось, что НИЛТ производит сдвиг в общем окислительно-восстановительном потенциале клетки в направлении большего окисления [20], а также сообщалось об увеличении уровня ROS и повышении окислительно-восстановительной активности клеток [21, 22, 23, 24, 25]. Было высказано предположение, что окислительно-восстановительный потенциал клетки регулирует клеточные сигнальные пути, контролирующие экспрессию гена. Модуляция клеточного окислительно-восстановительного состояния может активировать или ингибировать сигнальные пути [11]. Несколько регуляторных путей опосредуются через клеточное окислительно-восстановительное состояние. Изменения редокс состояния индуцируют активацию многочисленных внутриклеточных сигнальных путей, таких как синтез нуклеиновых кислот, синтез белка, активация фермента и прогрессирование клеточного цикла [26].

Эти цитозольные реакции могут вызывать транскрипционные изменения. Было признано, что некоторые факторы транскрипции регулируются изменениями клеточного состояния окисления-восстановления. Известными факторами среди них являются: редокс фактор-1 (Ref-1)-зависимый активирующий белок-1 (AP-1) (Fos и Jun), ядерный фактор B (NF-B), p53, транскрипционный фактор/цАМФ-связывающего белка (ATF/CREB), фактор, индуцируемый гипоксией (HIF)-1 и HIF-подобный фактор [7].

Основываясь на способности НИЛТ модулировать клеточный метаболизм и изменять факторы транскрипции, ответственные за экспрессию генов, было установлено, что НИЛТ изменяет экспрессию генов [27].

НИЛИ & Экспрессия генов

Профили экспрессии генов фибробластов человека, облучаемые низкоинтенсивным красным светом, показывают, что облучение может влиять на экспрессию многих генов, принадлежащих к различным функциональным категориям [36]. Облучение НИЛИ стимулирует рост клеток непосредственно посредством регуляции экспрессии генов, связанных с пролиферацией, и косвенно посредством регуляции экспрессии генов, связанных с миграцией и ремоделированием клеток, синтезом и восстановлением ДНК, ионными каналами, мембранным потенциалом и клеточным метаболизмом. Облучение красным светом также усиливает клеточную пролиферацию путем подавления апоптоза клеток [36]. В таблице 1 показаны некоторые из этих генов.

Таблица 1

Влияние НИЛИ на экспрессию генов.

Использование НИЛТ

Синдром дисфункции височно-челюстного сустава (ВНЧС) был определен как наиболее проблематичная причина боли в лицевой области. Низкоинтенсивная лазерная терапия (НИЛТ) продемонстрировала обезболивающие, противовоспалительные и биостимулирующие эффекты. НИЛТ – это неинвазивное, быстрое и безопасное, нефармацевтическое вмешательство, которое может быть полезно для пациентов с синдромом дисфункции ВНЧС [37].

В другом исследовании была предложена новая комбинация методов регенерации для восстановления поврежденных периферических нервов. Биодеградируемый нервный канал, содержащий сшитый желатин, был присоединен с использованием керамических частиц бета-трикальцийфосфата (TCP) (генипин-желатин-TCP, GGT) для связывания 15-миллиметрового поперечного рассечения седалищного нерва у крыс. Электрофизиологические измерения, показанные на основании кривых составного потенциала мышц (CMAP), показали, что лазерная стимуляция значительно улучшает регенерацию нервной ткани и уменьшает мышечную атрофию. Гистоморфометрические оценки показали, что лазерная стимуляция ускоряет регенерацию нервов крыс, приводя к увеличению диаметра аксонов и утолщению миелиновой оболочки, по сравнению с контрольной группой [38].

Вывод

Молекулярные и клеточные механизмы НИЛТ позволяют предположить, что фотоны поглощаются митохондриями. Вследствие чего последние синтезируют большее количество АТФ, а после активируют транскрипционные факторы, такие как NF-κB, для индуцирования многих продуктов транскрипции генов. Известно, что ROS стимулирует клеточную пролиферацию при малом содержании в клетке, но ингибирует пролиферацию и убивает клетки при высоких биохимических показателях. При применении НИЛТ оксид азота может быть высвобожден из его сайтов связывания в цепи переноса электронов. Возможно высвобождение NO при помощи применения низкоинтенсивного лазерного излучения может быть полезным.

Дальнейшие успехи в понимании НИЛТ приведут к большему внедрению этой технологии в области лазерной медицины и могут привести к тому, что НИЛТ будет использоваться для лечения серьезных заболеваний, таких как инсульт, сердечный приступ и дегенеративные заболевания головного мозга.