Сопоставление направлений низкоинтенсивной и высокоинтенсивной лазерной терапии

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

Спустя 3 года лауреатом нобелевской премии по физике Ж.И.Алфёровым получен патент в области гетеропереходов, что послужило развитию полупроводниковых лазеров. Благодаря его разработкам были созданы светодиоды на гетероструктурах и под руководством Ж.И. Алфёрова группой ученых создан первый в мире лазер на квантовых точках. [2]

А уже 1967 году, спустя несколько лет, Эндре Местер из Университета Семмельвейса в Будапеште, Венгрия, захотел проверить, может ли лазерное излучение провоцировать рост раковых клеток у мышей. Местер обрил шерсть мышам, разделил животных на две группы, и подверг излучению лазером одну из групп. К его удивлению волосы на обработанной лазерной терапией группе выросли быстрее. Это была первая демонстрация «лазерной биостимуляции».

До него Полом МакГаффом в Бостоне, США, был проведен другой опыт. Ученый успешно использовал недавно открытый рубиновый лазер для лечения злокачественных опухолей у крыс [3]. Однако ручной рубиновый лазер Э. Местера обладал лишь малой долей мощности по сравнению с лазером П.МакГаффа. Несмотря на то, что не было обнаружено эффекта лечения каких-либо опухолей излучением малой мощности, наблюдался другой эффект – повышенная скорость роста волос и лучшее заживление ран у крыс. Это было первым опытом того, что низкоуровневый лазерный луч (а не мощный тепловой лазер) может иметь место применения в медицине [4, 5].

Спустя десятилетия накопления исследовательских данных стало понятно, что в отличие от других медицинских лазерных процедур, низкоинтенсивная лазерная терапия (НИЛТ) обладает не абляционным или термическим эффектом, а фотохимическим эффектом, что означает поглощение света и воздействие на организм на химическом уровне [6].

Причина, по которой этот метод называется низкоинтенсивным, заключается в том, что оптимальный уровень энергии имеет низкую плотность и не сопоставим с другими формами лазерной терапии, применяемыми для абляции и коагуляции ткани [7].

Механизм воздействия лазерного излучения и клиническая значимость

Лазерная терапия как метод, изучаемый последние полвека, в настоящее время имеет высокую популярность. Это, в первую очередь, связано с тем, что за последние 10 лет были закреплены фундаментальные знания о данном методе, что, в свою очередь содействовало одобрению к использованию лазерной терапии во многих странах. Однако, несмотря на применение лазеров в современной медицине, стоит разобраться в механизмах, приводящих к терапевтическому эффекту и их значимости в практике клиницистов.

Цитохром с-оксидаза и синтез АТФ

Текущие исследования лазерной терапии уделяют особое внимание влиянию излучения на митохондрии [8]. Митохондрии, являясь по своей сути, двигателем клетки, вырабатывающим АТФ, и выполняющие дыхание клетки, имеют ключевую роль в клеточной и молекулярной физиологии, отвечая за реализацию всех метаболических потребностей в организме. Одним из ключевых компонентов митохондрий является цепь переноса электронов – биохимический процесс, использующий метаболические компоненты, переносящие энергию макроэргических связей фосфатов на АДФ посредством синтеза АТФ и последующего использования этой энергии на реализацию биоэнергетических функций клетки, таких как генная экспрессия, синтез вторичных мессенджеров, транскрипция белков и регуляция клеточного цикла.

Одним из ключевых ферментов, осуществляющих клеточное дыхание в митохондриях является цитохром c-оксидаза (Cox) – многокомпонентный мембранный белок, который содержит двухъядерный активный медный центр (CuA), а также двухъядерный каталитический центр гема (a3-CuB), оба из которых облегчают перенос электронов на кислород. Этот ключевой фермент цепи переноса электронов и играет жизненно важную роль в биоэнергетике клетки [9].

В исследовании Cleber Ferraresi, которое проводилось в центре спортивной реабилитации, показано, что низкоинтенсивная лазерная терапия способствует ускоренному заживлению открытых ран и снятию отеков, тогда как применение высокоинтенсивной лазерной терапии (ВИЛТ) более эффективно на закрытых травмах, а также при лечении растяжения мышц или разрыва связок и незначительно лучше снимает болевой синдром, чем НИЛТ [10].

Подобные различия объясняются свойствами монохроматичного света (поглощением и рассеянием) и их влиянием на фотоакцепторы тканей разной глубины. Поглощение фотонов Cox приводит последний к электронно-возбужденному состоянию и, следовательно, может привести к ускорению реакций на цепи переноса электронов [11]. Опосредованное лазерным излучением ускорение транспорта электронов неизбежно индуцирует синтез АТФ [12], интенсивное ускорение синтеза АТФ, в свою очередь, как и увеличение протонного градиента, приводит к увеличению активности антипортеров Na+/H+ и Ca2+/Na+, в также всех АТФ-зависимых рецепторов. АТФ, являясь субстратом для аденилатциклазного цикла, – биохимического цикла передачи информации от гормона (вторичного мессенджера) непосредственно на генетический материал клетки – контролирует уровень цАМФ. Ca2+ и цАМФ способствуют нормальному функционированию АТФ-зависимых каналов и белковых рецепторов.

Оксид азота и апоптоз

С развитием молекулярной физиологии большое внимание в медицине стало уделяться изучению роли оксида азота (NO), как универсального трансмиттера, играющего не последнюю роль в развитии различных патологических состояний. NO индуцирует вазодилатацию, участвует в регуляции клеточного цикла, является нейромедиатором, регулирует каскад реакций, приводящих к апоптозу, а также пролиферации клеток, играет существенную роль в работе эндотелия сосудистой стенки. В связи с этим стоит обобщить данные исследований для того, чтобы приблизиться к более глубокому пониманию возможностей использования NO в лазерной медицине.

Известно, что цитохром с-оксидаза ингибируется оксидом азота (NO) [13, 14]. Подобный механизм можно объяснить прямой конкуренцией между оксидом азота и кислородом за восстановление двухъядерного каталитического центра CuB/a3 цитохром с-оксидазы [15]. Существуют данные, исходя из которых можно предположить, что лазерное излучение способно предотвратить ингибирование цитохром с-оксидазы путем фотодиссоциации NO с его сайтами связывания [16, 17]. Поскольку такое связывание намного слабее, чем ковалентная связь, такая диссоциация возможна при применении лазерной терапии в клинической практике и к тому же является обратимой, что, в свою очередь, демонстрирует безопасность применения лазерного излучения.

Тем не менее, при использовании низкоинтенсивного лазерного излучения диссоциация оксида азота с активным центром Cox способствует индуцированию механизмов пролиферации клеток тканей и отключению клеточной смерти, приводящей к локальному воспалению тканей. Данный механизм может быть эффективен при использовании лазерной терапии в целях снижения воспаления тканей у больных ревматоидным артритом [18]. Диссоциация NO от Cox способствует увеличению скорости дыхания митохондрий [19]. Некогерентный свет действительно может выключить механизм ингибирования цитохром с-оксидазы, вызванный связыванием NO с ферментом как в изолированных митохондриях, так и в целых клетках [20]. НИЛ также может защищать клетки от NO-индуцированного апоптоза [13].

ROS и регуляция экспрессии генов.

В исследовании Karu TI сообщалось, что лазерная терапия производит сдвиг в общем окислительно-восстановительном потенциале клетки в направлении большего окисления [21]. Изменение редокс-потенциала в положительную сторону говорит об увеличении уровня ROS (активных форм кислорода) и повышении окислительно-восстановительной активности клеток [22, 23, 24]. Далее, за счет воздействия лазерного излучения посредством воздействия на фотоакцепторы клеточной мембраны, повышается уровень внутриклеточного кальция, приводя к активации мембранного потенциала клетки и активации транскрипторных факторов [25].

Из всего вышеперечисленного можно предположить, что редокс-потенциал клетки, индуцированный светом, регулирует клеточные сигнальные пути, контролирующие экспрессию белка. Модуляция клеточного редокс-состояния может активировать или ингибировать сигнальные каскады, тем самым стимулируя или подавляя клеточный ответ, что напрямую зависит от длины волн воздействующего на ткани света [13]. 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 [10].

Профили экспрессии генов фибробластов человека, облучаемые низкоинтенсивным красным светом, показывают, что облучение может влиять на экспрессию многих генов, принадлежащих к различным функциональным категориям [27]. Воздействие НИЛТ стимулирует рост клеток посредством регуляции экспрессии генов, связанных с пролиферацией, и косвенно, при помощи регуляции экспрессии генов, связанных с миграцией и ремоделированием клеток, синтезом и восстановлением ДНК, ионными каналами, мембранным потенциалом и клеточным метаболизмом. В то время как воздействие ВИЛТ усиливает клеточную пролиферацию путем подавления апоптоза клеток [28].

Высокоинтенсивная лазерная терапия

Лазеры высокой интенсивности обладают тепловым и механическим эффектом и вызывают электромагнитное поле, фотоэлектрические, электрохимические и другие изменения в экспонированных тканях. Эффективность высокоинтенсивного лазерного излучения обуславливается тем, что с увеличением мощности глубина проникновения увеличивается, поэтому эффекты в глубоких структурах, несмотря на снижение количества и качества (когерентность, поляризацию) световой электромагнитной энергии.

Эффект снятия боли реализуется стимулирующим воздействием облучения на регенерацию нервных волокон. Противовоспалительный эффект реализуется путем модуляции компонентов воспалительной реакции, экссудации, изменения и пролиферации, а также путем стимулирования реактивных реакций организма. Это реализуется путем блокирования циклооксигеназ и липоксигеназ и воздействия на синтез простагландина и простациклина. Клеточная биостимуляция реализуется посредством ускоренного клеточного метаболизма путем увеличения митотического индекса клеток, которые активируют репаративный процесс. Внеклеточный перенос ионов активируется путем активации обмена клеток. Все эти механизмы приводят к положительным эффектам в отношении отеков и стимуляции процесса заживления, трофики венозной и лимфатической микроциркуляции.

Эффективность ВИЛТ основана на специфической и характерной высокой пиковой мощности лазерного импульса с определенной частотой и шириной импульса. Благодаря этой высокой пиковой мощности большое количество энергии подается на короткое время (вертикальный эффект), в отличие от традиционной подачи такого же количества энергии в течение длительного времени и риска нагрева и повреждения ткани (горизонтальный эффект).

Исследования, способствующие пониманию молекулярных механизмов и клеточных процессов, лежащих в основе системных эффектов, вызванных импульсным облучением Nd:YAG-лазером, приводят к пониманию факторов, но пока результаты не являются окончательными [29]. Следовательно, из-за отсутствия эффективного поглощения хромофора излучения Nd:YAG (длина волны 1064 нм) в клетках и тканях предполагается, что вместо фотохимических процессов механизмы поглощения, вероятно, связаны с комбинированными фотомеханическими и термодинамическими взаимодействиями, ответственными за анальгетический, антиодиальный, противовоспалительный и репаративный эффект импульсного Nd:YAG-лазера. Предполагается, что клетки реагируют на импульсные Nd:YAG-лазерное облучение механотранзитивным механизмом, а взаимодействие между тканями и лазерным излучением изменяет механику микроокружения клетки, тем самым воздействуя на клетки механическим напряжением. Биологические эффекты высокоэнергетических лазеров включают механический ударный эффект, тепловой эффект, возникновение электромагнитного поля и фотовольтаические, электрохимические и другие изменения в экспонированных тканях.

По сравнению с другими физиотерапевтическими методами, лазерное излучение имеет большую эффективность. Так, в сравнительном исследовании влияния ВИЛТ и ультразвуковой терапии на 70 пациентах с синдромом поражения плеча было показано, что ВИЛТ показала большую эффективность при снятии болевого синдрома. Механизм этого результата может быть следующим: поскольку оптическая энергия высокоинтенсивного лазера проникала в пораженную область и распространялась в ткани, возникали эффекты фотохимии, включая окисление митохондрий и облегчение образования АТФ. Это приводит к увеличению обмена веществ и облегчению кровообращения после расширения кровеносных и лимфатических сосудов. В конце концов, лишние жидкости, которые были накоплены в организме, были реабсорбированы и быстро удалены. Однако важное внимание стоит уделять характеристикам излучения и влиянию на структуры. Взаимодействие тканей с лазерным излучением определяется характеристиками излучения, длины волны, режима излучения (непрерывного или импульсного), длительности импульса, энергии и мощности. Было обнаружено, что лазерное излучение в спектральном диапазоне 600-1064 нм имеет самое глубокое проникновение в ткани [30]. Например, глубина проникновения лазера Nd-YAG достигает 100 мм. Структура ткани изменяет физические свойства лазерного излучения (параметры когерентности и поляризации). Специфические свойства биологического объекта: коэффициент отражения и поглощения, теплопроводность и теплоемкость, а также наличие определенных химических соединений.

Низкоинтенсивная лазерная терапия

Низкоинтенсивная лазерная физиотерапия включает в себя применение света низкой мощности в красных или ближних инфракрасных длинах волн для смягчения и лечения различных заболеваний и травматических повреждений. Монохроматический и когерентный свет, создаваемый лазерами, используется для стимуляции заживления и регенерации. НИЛТ применяется для увеличения скорости восстановления тканей, улучшение их эластичности и стойкости, устранения воспаления и уменьшения отека, облегчения боли и профилактики некоторых заболеваний.

Техническим термином, часто используемым для описания этой формы терапии, является фотобиомодуляция или биостимуляция. Лазеры или некогерентные источники света, такие как светоизлучающие диоды, могут использоваться для стимуляции функции клетки. Их биологический эффект не является термическим, как в случае с высокоинтенсивными лазерами. Видимая инфракрасная волна, как полагают, поглощается хромофорами внутри клеток, расположенных в митохондриях.

Изменения в активности цитохрома приводят к нормализации функции клеток, облегчению боли и заживлению тканей. При этом в лечении тех или иных заболеваний возможность выбора оптимальных оптических параметров, таких как длина волны, флюенс, скорость потока (плотность мощности), состояние поляризации, когерентность и структура импульса, способствует достижению результатов в экспериментальных и терапевтических моделях, однако пока еще не достигнут консенсус касательно строгих параметров при лечении и профилактике различных патологий. При этом дозировка обычно составляет 10 мВт-500 мВт (0,01 -> 0,01 Вт).

Плотность мощности от 0,005 Вт/см2 до 5 Вт/см2. Однако при таких показателях излучения низкоинтенсивная лазерная терапия не должна использоваться при карциномах или наличии других новообразований. Его также следует избегать на щитовидной железе или глазах, поскольку в подобных случаях не исключено развитие осложнений в местах применения.

Учитывая низкую мощность излучения в НИЛТ, стоит сказать, что данная терапия эффективна в случаях реабилитации при различных патологиях, где процессы, приводящие к нагреванию тканей, могут ухудшить состояние. Например, транскраниальное применение НИЛТ (808 нм) значительно улучшила состояние и ускорила восстановление после ишемического инсульта у крыс, когда они получили одно лечение через 24 часа после инсульта [21]. Инсульт индуцировался у крыс двумя разными способами: (1) постоянная окклюзия средней мозговой артерии через краниотомию или (2) введение нити. Лазер использовался транскраниально на обнаженном (бритая кожа) черепе, помещая кончик волоконной оптики диаметром 4 мм на кожу в 2 положениях на голове на контралатеральное пораженному полушарию. Местоположения были определены из предыдущих измерений. Лазер использовался с плотностью мощности 7,5 мВт/см2. В обеих моделях инсульта неврологический дефицит через 3 недели после инсульта был значительно снижен (на 32%) (P <.01) у обработанных лазером крыс по сравнению с контрольной группой. При этом в другом исследовании с применением низкоинтенсивного лазерного излучения доказано, что применение лазеров способствует восстановлению нервных тканей: так, количество новообразованных нейронных клеток, оцененных двойной иммунореактивностью на бромдезоксиуридин и изотип III тубулина, а также мигрирующих клеток (иммунореактивность двойного кортина), было значительно повышено в экспериментальных моделях, по сравнению с контрольной группой [22].

Направленность высокоинтенсивной и низкоинтенсивной лазерной терапии

При сравнении высокоинтенсивной и низкоинтенсивной лазерной терапии, следует отметить, что различия в их эффективности и терапевтическом эффекте обусловлены каскадами реакций, запускаемыми фотоакцепторами, на которые воздействует излучение. Эффективное проникновение света в биологические ткани строго определено оптическим окном в пределах 600 – 1200 нм. При высокоинтенсивном излучении, по сравнению с низкоинтенсивным, одними из ключевых различий являются мощность и режим работы лазера (импульсный или постоянный).

Высокоинтенсивная лазерная терапия приводит к тепловому эффекту, то есть нагреву тканей, что при лечении и профилактике, а также наличии сопутствующих заболеваний может приводить к нежелательным побочным эффектам. Поэтому более перспективным является применение низкоинтенсивных лазеров, не приводящих к развитию тепловых патогенетических последствий. Поглощение и рассеяние света в ткани намного выше в синем спектре. Это обусловлено тем, что тканевые хромофоры дермы не позволяют проникать синему спектру в глубокие слои тканей, поглощая и рассеивая его на поверхности. Однако подобный эффект нашел свое терапевтическое применение – синий спектр с большим успехом используется для антисептической обработки ран в хирургии и травматологии, в стоматологии в целях уничтожения патогенной микрофлоры, а также в косметологии для целого ряда процедур и дерматовенерологии при лечении кожных заболеваний [30]. Тем не менее излучение в красном спектре не обладает подобными дезинфицирующими свойствами, однако поглощается на более глубоких слоях тканей, поскольку основные тканевые хромофоры (гемоглобин и меланин) имеют высокую способность поглощения при более коротких длинах волн. Таким образом создается оптическое окно, где с одной стороны короткие волны поглощаются хромофорами поверхностных структур (< 600 нм), а с другой стороны длинные волны ( > 1200 нм поглощаются водой), так как молекулы воды сильно поглощают инфракрасный свет на длинах волн более 1200 нм.

Заключение

Использование лазерной терапии у животных и пациентов почти всегда применяется исключительно в красном и инфракрасном спектре света (600 – 1200 нм). Высокоинтенсивное излучение имеет определенную эффективность, провоцируя тепловой эффект за счет поглощения излучения молекулами воды. Подобный эффект применим для лечения травм и некоторых системных заболеваний опорно-двигательного аппарата, поскольку способствует разрешению отека, однако в долгосрочной перспективе может провоцировать развитие сопутствующих патологий и при длительной экспозиции во время лечения приводить к неблагоприятным побочным эффектам [31]. Что было продемонстрировано в рандомизированном контролируемом исследовании целью которого было сравнение эффектов НИЛТ и ВИЛТ в качестве средств обезболивания и улучшения функционального состояния пациентов с остеоартритом коленного сустава. В этом исследовании участвовало 53 мужчины со средним возрастом 54,6 года. Пациенты были случайным образом распределены по трем группам: первая группа – ВИЛТ и лечебно-физкультурные упражнения; вторая группа – НИЛТ и лечебно-физкультурные упражнения; третья группа – плацебо-лазер и лечебно-физкультурные упражнения в группах 1, 2 и 3 соответственно. Полученные результаты были анализированы исходя из результатов визуальной аналоговой шкалы боли и оценки функции коленного сустава, измеренной индексом остеоартрита Университета Онтарио и Университета Макмастера (WOMAC). Результат показал, что ВИЛТ и НИЛТ в сочетании с физическими упражнениями являются эффективными методами лечения, снимая боль и улучшая работу коленного сустава после 6 недель лечения. ВИЛТ в сочетании с упражнениями был более эффективен, чем НИЛТ в сочетании с упражнениями, и оба метода лечения были лучше, по сравнению с плацебо-группой [32]. Такую эффективность ВИЛТ по сравнению с НИЛТ можно обосновать тепловым эффектом и улучшением рециркуляции лимфы в области, где применялась терапия. Тем не менее, существуют данные, что низкоинтенсивная лазерная терапия более эффективна в качестве средства для снятия боли при неврологических патологиях, лечении нейрогуморальных нарушений, метаболических синдромах и лечении системных заболеваний [33], а также в качестве неинвазивного метода снятия боли при травмах и заболеваниях опорно-двигательного аппарата [34, 35], а также способствует восстановлению нейронных и мигрирующих клеток. Молекулярные и клеточные механизмы лазерной терапии позволяют предположить, что стимуляция митохондрий приводит к продукции большего количества АТФ и изменению уровня ROS, которые затем активируют транскрипционные факторы, индуцирующие многие продукты транскрипции генов, отвечающие за положительные эффекты терапевтического метода. Известно, что АФК стимулируют клеточную пролиферацию низких уровней, но ингибирует пролиферацию и убивает клетки на высоких уровнях [36].

Дальнейшие успехи в понимании механизма лазерной терапии будут по-прежнему изучаться. Эти достижения приведут к использованию ЛТ для лечения таких заболеваний, как инсульт, ОКС и дегенеративные заболевания головного мозга.