Materia造 do kursu "Lasery w medycynie"

A. Cenian, E. Zaremba, M. Frankowski

II. Biostymulacyjne oddzia造wanie promieniowania laserowego

    Wst瘼
    1. Oddzia造wanie promieniowania laserowego na poziomie molekularnym
    2. Oddzia造wanie promieniowania laserowego na kom鏎k i organelle kom鏎kowe
    3. Oddzia造wanie promieniowania laserowego na poziomie tkanki


Wst瘼

   Efekty biostymulacyjne w tkance zwi您ane s z absorpcj promieniowania laserowego o ma貫j g瘰to軼i mocy i energii oraz o stosunkowo d逝gich czasach na鈍ietlania. Za efekty biostymulacyjne uwa瘸 si takie, kt鏎ym wskutek na鈍ietlania promieniowaniem laserowym towarzyszy miejscowy wzrost temperatury w tkance nie wi瘯szy ni 0,5-1C (obserwowane zmiany na poziomie kom鏎ki i tkanki nie mog by zatem odpowiedzi na stres). W zwi您ku z tym zaleca si, aby w laseroterapii nie przekracza mocy ci庵貫j lub 鈔edniej ok. 60 mW. Wraz ze wzrostem mocy promieniowania powy瞠j 60 mW nast瘼uje dalszy niewielki wzrost temperatury, a wraz z tym zjawisko biostymulacji termicznej.
    Zaabsorbowane promieniowanie jest czynnikiem inicjuj帷ym w tkance pewne procesy, kt鏎e nie powoduj destrukcji tkanki. Schematycznie, 豉鎍uch reakcji zachodz帷ych w tkankach pod wp造wem promieniowania laserowego mo積a przedstawi nast瘼uj帷o:

rysunek 9

Rys. 9. Uproszczony schemat reakcji zachodz帷ych w tkance pod wp造wem promieniowania laserowego ma貫j lub 鈔edniej mocy

    Nale篡 zdawa sobie spraw, 瞠 akt absorpcji zachodzi w niezwykle kr鏒kim czasie rz璠u 10-15 s, podczas gdy czasy reakcji biologicznych s rz璠u sekund i godzin, a na zaobserwowanie rezultat闚 klinicznych potrzeba dni. Zatem mi璠zy procesem absorpcji, a obserwowanymi pozytywnymi efektami klinicznymi zachodzi ca豉 gama skomplikowanych proces闚, kt鏎e maj miejsce w pojedynczych cz御teczkach, na poziomie subkom鏎kowym, kom鏎kowym i w tkankach. W wielu przypadkach mechanizm proces闚, kt鏎e prowadz do okre郵onych, obserwowanych efekt闚 klinicznych nie jest jeszcze znany.

1. Oddzia造wanie promieniowania laserowego na poziomie molekularnym

    Cz御teczka, kt鏎a absorbuje promieniowanie laserowe o okre郵onej d逝go軼i fali, ulega tzw. "wzbudzeniu elektronowemu" i przechodzi na wy窺zy poziom energetyczny. Stan taki jest kr鏒kotrwa造 i cz御teczka traci uzyskany w wyniku absorpcji nadmiar energii. Mo瞠 to uczyni na kilka sposob闚:

  1. poprzez spontaniczn emisj foton闚 w postaci fluorescencji lub fosforescencji,
  2. poprzez oddanie nadmiaru energii w postaci ciep豉 do otoczenia,
  3. poprzez bezpromieniste przekazanie elektronowej energii wzbudzenia E* do biologicznie wa積ych struktur i zapocz徠kowanie w nich reakcji fotochemicznych.

    Z punktu widzenia laseroterapii niskoenergetycznej najistotniejszym i najbardziej po膨danym jest trzeci spos鏏. Badania wykazuj, 瞠 w uk豉dach biologicznych energia wzbudzenia elektronowego przekazywana jest z bardzo du膨 wydajno軼i (du瘸 warto嗆 sta貫j szybko軼i przenoszenia energii wzbudzenia elektronowego) w czasie rz璠u 10-12-10-18 s.

2. Oddzia造wanie promieniowania laserowego na kom鏎k i organelle kom鏎kowe

   Za absorpcj (poch豉nianie) odpowiedzialne s cz御teczki zwane og鏊nie chromoforami, kt鏎e znajduj si w kom鏎kach i mitochondriach (tzw. cytochromy). Najwa積iejsze z nich to: aminokwasy, kwasy nukleinowe, melanina, hemoglobina, bilirubina, zwi您ki sterydowe, porfiryny, ryboflawina, chinony, NAD, B-karoten, cytochromy i inne. Wi瘯szo嗆 z nich poch豉nia promieniowanie ultrafioletowe, cz窷 widzialne (np. melanina, hemoglobina, cytochromy), a niekt鏎e np. flawoproteiny najsilniej absorbuj promieniowanie podczerwone (ok. 900 nm). Cytochromy s sk豉dnikami 豉鎍ucha oddechowego, znajduj帷ego si w mitochondriach. Uwa瘸 si, 瞠 podczas na鈍ietlania promieniowaniem laserowym cytochromy w mitochondriach (np. okzydaza cytochromowa, NAD) bezpo鈔ednio poch豉niaj promieniowanie elektromagnetyczne, powoduj帷 aktywacj 豉鎍ucha oddechowego oraz zapocz徠kowuj帷 procesy biochemiczne powoduj帷e wzrost produkcji ATP (b璠帷ego magazynem energii dla kom鏎ki) i wzrost metabolizmu kom鏎kowego. Bardzo wa積ym efektem biostymulacji laserowej zachodz帷ej na poziomie molekularnym, a maj帷ym ogromny wp造w na procesy zachodz帷e wewn徠rz, jest fotoaktywacja enzym闚. Oddzia造wanie promieniowania na enzym mo瞠 spowodowa: a) aktywacj enzymu, b) inaktywacj, c) reaktywacj enzym闚 odwracalnie nieczynnych. Najistotniejszy jest efekt powoduj帷y bezpo鈔edni aktywacj enzymu oraz pobudzenie syntezy enzymu. Udowodniono, 瞠 pobudzenie aktywno軼i okre郵onej grupy enzym闚 z tzw. uk豉du dope軟iacza powoduje m.in.: wzrost przepuszczalno軼i naczy (C4, kinina C2), uwalnianie histaminy z granulocyt闚 i serotoniny z p造tek krwi (C3a), u豉twienie fagocytozy przez granulocyty oboj皻noch這nne i monocyty. Bardzo czu造mi na promieniowanie laserowe s enzymy steruj帷e syntez i utylizacj ATP a wi璚 enzymy odpowiedzialne za przemiany energetyczne zachodz帷e wewn徠rz kom鏎ki. Przytoczone tu tylko niekt鏎e skutki oddzia造wania promieniowania laserowego na poziomie molekularnym nie s oczywi軼ie oboj皻ne dla funkcjonowania pojedynczej kom鏎ki.

    Zauwa穎no m. in., 瞠 zmiana szybko軼i podzia堯w kom鏎kowych zale篡 od d. fali promieniowania, g瘰to軼i powierzchniowej energii, czasu ekspozycji, a tak瞠 stanu czynno軼iowego kom鏎ek. Stwierdzono wzmo穎n syntez DNA w kom鏎kach czego konsekwencj jest zwi瘯szona proliferacja kom鏎ek i wzmo穎na synteza bia貫k. Kom鏎ki warstwy rozrodczej nask鏎ka - keranocyty wykazuj zwi瘯szon proliferacj oraz wzrost ich ruchliwo軼i czym mo積a t逝maczy korzystny wp造w dzia豉nia promieniowania laserowego na gojenie si ran (np. owrzodzenia podudzi). Podobnie fibroblasty, kt鏎e odgrywaj g堯wn rol w procesach gojenia, s wra磧iwe na promieniowanie lasera He-Ne. Pod jego wp造wem dochodzi do zwi瘯szonej syntezy kolagenu w fibroblastach oraz ich modyfikacji co mo瞠 mie istotny wp造w na kszta速owanie si morfologii blizny, poprawienie jej wytrzyma這軼i mechanicznej, zw豉szcza po zabiegach chirurgicznych. Ponadto obserwuje si przyspieszon neoangiogenez pod wp造wem promieniowania o d. fali 660 nm, kt鏎y to proces ma podstawowe znaczenie w gojeniu tkanek. Podwy窺zon zdolno嗆 granulocyt闚 do fagocytozy potwierdza, obserwowane pod wp造wem promieniowania laserowego, szybkie tworzenie si ziarniny i nask鏎kowanie ran. Wp造w promieniowania laserowego na wa積iejsze procesy gojenia si ran przedstawia schematycznie rys. 10.

rysunek 10

Rys. 10. Przebieg procesu gojenia si rany z uwzgl璠nieniem wp造wu promieniowania laserowego na poszczeg鏊ne etapy przemian


   Nale篡 wyra幡ie podkre郵i, 瞠 skuteczna stymulacja procesu gojenia si ran promieniowaniem laserowym zale篡 od odpowiedniego doboru d. fali i g瘰to軼i energii do rodzaju rany i fazy procesu gojenia rany.
    Promieniowanie laserowe ma r闚nie wp造w na sk豉d i w豉軼iwo軼i b這ny kom鏎kowej. Struktura b這ny i jej potencja elektryczny maj podstawowe znaczenie dla proces闚 transportu przez b這n i aktywno嗆 pompy sodowej. Pod wp造wem promieniowania normalizuje si potencja elektryczny b這ny kom鏎kowej (dla zdrowej kom鏎ki wynosi ok. 60-90 mV), zmienia si przewodno嗆 elektryczna i przenikalno嗆 b這ny oraz jej w豉軼iwo軼i adhezyjne. Sprowadza si to np. do mniejszej agregacji erytrocyt闚, lepszego przenoszenia tlenu, zmiany potencja逝 czynno軼iowego neuron闚. Mitochondria, kt鏎e pe軟i bardzo wa積 rol w fizjologii kom鏎ki, r闚nie odpowiadaj na promieniowanie lasera (He-Ne). Dochodzi do znacznych zmian w budowie mitochondri闚, ich w豉軼iwo軼i optycznych (zmian widm absorpcyjnych i emisyjnych), uaktywnienie aparatu genetycznego mitochondri闚 co przejawia si w zwi瘯szonej syntezie DNA i RNA, nasilonej syntezie bia貫k, obserwuje si te wzrost produkcji ATP, co z kolei ma bezpo鈔edni wp造w na metabolizm energetyczny kom鏎ki.
    Przyk豉dem oddzia造wania stymuluj帷ego promieniowania na kom鏎k, kt鏎ego nie mo積a pomin望, jest jego wp造w na limfocyty krwi. Obserwuje si m. in. odwracalny, wzmo穎ny nap造w jon闚 wapnia do kom鏎ki, przebudow ultrastruktury j康erek, wzrost liczby mitochondri闚.
    Wybrane, przedstawione wy瞠j, przyk豉dy dowodz, 瞠 promieniowanie laserowe mo瞠 modyfikowa w豉軼iwo軼i biochemiczne i ultrastruktur materia逝 biologicznego, powoduj帷 powstanie tzw. efekt闚 pierwotnych (Rys.9), a w konsekwencji wp造wa na funkcje kom鏎ki i tkanki.

3. Oddzia造wanie promieniowania laserowego na poziomie tkanki

    Obserwowane zmiany w r騜nych rodzajach tkanek, mo瞠my okre郵i jako tzw. efekty wt鏎ne dzia豉nia promieniowania laserowego (Rys.9). Zaliczamy do nich: a) efekty biostymulacyjne, b) efekty przeciwb鏊owe, c) efekty przeciwzapalne.

Efekt przeciwb鏊owy wywo豉ny promieniowaniem laserowym spowodowany jest:

  • hyperpolaryzacj b這n kom鏎ek nerwowych,
  • wzmaganiem wydzielania endorfin,
  • stymulowaniem regeneracji obwodowych akson闚 po uszkodzeniu nerw闚.

Efekt przeciwzapalny wywo豉ny jest przez:

  • rozszerzenie naczy krwiono郾ych,
  • u豉twienie wytworzenia kr捫enia obocznego,
  • popraw mikrokr捫enia,
  • przyspieszenie resorpcji obrz瘯闚 i wysi瘯闚,
  • stymulowanie migracji makrofag闚.

Efekt stymuluj帷y wywo豉ny jest popraw kr捫enia, od篡wiania i regeneracja kom鏎ek.

    Powy窺ze efekty znalaz造 potwierdzenie w licznych badaniach in vitro i in vivo Stwierdza si, 瞠 w napromieniowanych tkankach zwi瘯sza si przep造w krwi, co umo磧iwia szybsz wymian elektrolit闚 mi璠zy kom鏎kami, czemu sprzyja r闚nie obserwowana wzmo穎na angiogenaza. Promieniowanie laserowe w zakresie podczerwieni powoduje poszerzenie naczy limfatycznych. Tym samym powoduje wi瘯szy przep造w ch這nki i przyspiesza ich regeneracj po przeci璚iu. Obserwuje si uaktywnienie szpiku kostnego i zwi瘯szenie liczby erytrocyt闚. Promieniowanie laserowe ma reguluj帷y wp造w na uk豉d odporno軼iowy. W okre郵onych schorzeniach zaobserwowano dzia豉nie immunosupresyjne (spadek aktywno軼i limfocyt闚, mniejsza produkcja przeciwcia). Z drugiej strony w innych schorzeniach np. przy gojeniu si ran mo積a zaobserwowa wzmo穎n aktywno嗆 瞠rn monocyt闚 i neutrofili, a pod wp造wem promieniowania lasera He-Ne dochodzi do wzmo穎nej fagocytozy makrofag闚. Obserwowane zmiany st篹enia serotoniny i histaminy wi捫 si 軼i郵e z dzia豉niem przeciwb鏊owym. Skutkiem dzia豉nia promieniowania laserowego jest te wzmo瞠nie zdolno軼i regeneracyjnych g堯wnie tkanki 陰cznej i nab這nka. Promieniowanie ma貫j mocy modyfikuje stan czynno軼iowy zar闚no zdrowej jak i uszkodzonej tkanki nerwowej. Stwierdzono, 瞠 promieniowanie to podwy窺za potencja czynno軼iowy nie uszkodzonych nerw闚 obwodowych oraz nerw闚 zmia盥穎nych, a tak瞠 przyspiesza wzrost w堯kien nerwowych i ich mielinizacj w obr瑿ie urazu.
    S to tylko nieliczne obserwowane zmiany zachodz帷e w uk豉dach biologicznych pod wp造wem promieniowania laserowego. Nie mniej dowodz, 瞠 taki wp造w istnieje i nie jest oboj皻ny dla tego uk豉du, chocia jak wspomniano wcze郾iej, nie wszystkie obserwowane w praktyce skutki napromieniowania laserami ma貫j mocy znalaz造 dotychczas naukowe wyt逝maczenie.
    Najlepsze efekty biostymulacyjne uzyskuje si dla promieniowania o g瘰to軼i mocy do 50 mW/cm2, efekty przeciwb鏊owe dla g瘰to軼i mocy 50-200 mW/cm2, natomiast efekty przeciwzapalne dla 300-400 mW/cm2.

Literatura