Механизм биологического действия уф лучей.
Механизм биологического действия УФ лучей очень сложен, неоднозначен и не выяснен до конца. В основе этого механизма лежат не тепловые эффекты, как при инфракрасном облучении, а фотохимические реакции, происходящие с биополимерами – белками и нуклеиновыми кислотами. Под действием фотонов, выбивающих из молекул электроны, заряд белковых молекул изменяется, что в конечном счете обусловливает денатурацию белков. Облучение приводит также к фотолизу, т. е. образованию «осколков» крупных молекул, обладающих высокой биологической активностью (гистамин, ацетилхолин и др.). Фотолиз вызывают фотоны с длинами волн преимущественно в эритемной зоне, а денатурацию – с длинами волн в бактерицидной зоне.
Изменения, происходящие с нуклеиновыми кислотами, с молекулами ДНК, влияют на процессы жизнедеятельности клеток, на их рост и деление, и могут приводить к гибели клеток и одноклеточных организмов – бактерий. В зависимости от длины волны и от своей структуры, разные бактерии обладают различной чувствительностью к облучению. Так, гибель наибольшего количества стафилококков происходит при длинах волн порядка 265 нм, Е. coli – при 251 нм и т. п. Ультрафиолетовые лучи вызывают также разрушение вирусов и бактериофагов, они обезвреживают некоторые бактериальные токсины (например, яд кобры) и ряд других токсичных веществ. Однако для гибели клеток требуется довольно большая доза облучения. Так, для гибели одной клетки Е. coli нужно в среднем 2·106 фотонов.
Бактерицидное действие УФ облучения используют для обеззараживания воздуха в закрытых помещениях. Такую санацию воздушной среды применяют в операционных и перевязочных, что резко повышает хирургическую асептику. Бактерицидный эффект УФ облучения широко используют в промышленном птицеводстве, так как из-за высокой концентрации поголовья создается опасность аэрогенных инфекций вследствие микробной загрязненности воздуха в птичниках. Бактерицидное облучение для санации воздушной среды при выращивании цыплят показало, что облучение воздуха 3 раза в день по 5–25 мин приводит к значительному повышению сохранности цыплят и увеличению живой массы по сравнению с цыплятами в контрольных помещениях. Ультрафиолетовому облучению в целях дезинфекции подвергают приточный и вытяжной воздух изоляторов, карантинных и других помещений в животноводческих комплексах. Помимо дезинфицирующего действия, УФ облучение способствует улучшению ионного состава воздуха (увеличивает концентрацию легких аэроионов), снижению количества сероводорода и двуокиси углерода. При работе источников УФ излучения образуется озон, действующий в качестве окислителя газовых составляющих вытяжного воздуха животноводческих помещений, обладающих дурным запахом.
Действие ультрафиолета начинается с его поглощения в коже. Для того чтобы облучение могло вызвать биологические эффекты, необходимо проникновение его глубже рогового слоя кожи, в зародышевый слой эпидермиса, прилегающий собственно к коже (дерме), в которой проходят кровеносные сосуды и нервы. У человека лучи с длиной; волны менее 300 нм не проникают глубже эпидермиса (~0,5 мм). Именно в зародышевом слое эпидермиса начинается сложная цепь биохимических реакций и физиологических процессов, вызываемых ультрафиолетом. Одна из наиболее важных реакций – образование гистамина при декарбоксилировании гетероциклической аминокислоты гистидина.
Гистамин вместе с другими «осколками» молекул разносится по кровеносным и лимфатическим сосудам. Гистамин – вещество, расширяющее кровеносные сосуды, в результате чего возникает гиперемия, т. е. увеличение кровенаполнения облученного участка органа. При активной гиперемии возникает1 эритема, для образования которой необходима определенная интенсивность облучения. Так, пороговое значение интенсивности ультрафиолета с длиной волны 296,7 нм составляет 335 Вт/м2.
Ответная реакция кожи на облучение – пигментация (загар). Кожный пигмент меланин сосредоточен в самых нижних слоях эпидермиса. Проникающие в роговой слой лучи с длиной волны 200–250 нм вызывают только эритему; излучение с длиной волны 250–270 нм проходит через роговой слой, обусловливая пигментацию и эритему; еще более обильную пигментацию и эритему вызывает излучение с длиной волны 270–320 нм, которое проникает до сосудистого слоя и стимулирует работу жировых желез и нервных окончаний. Наконец, излучение с длиной волны 320–390 нм проходит через дерму, приводя к пигментации, чаще без предварительной эритемы. Роль, пигментации, как впрочем и механизм пигментации, изучена еще недостаточно. Возможно, что меланин задерживает активные осколки разрушенных молекул, не допуская их попадания в кровь. Действие ультрафиолетового облучения не ограничивается кожей, несмотря на то что оно само в глубь организма не попадает. Продукты фотолиза, распространяясь по капиллярам, раздражают нервные окончания кожи и через центральную нервную систему воздействуют на все органы в той или иной степени. Установлено, что в нервах, отходящих от облученных участков кожи, частота электрических импульсов повышается. Действие облучения усиливается, если кожу предварительно смочить водой, облучить высокочастотным электрическим полем или ультразвуком. Это лишний раз указывает на то, что первичное действие ультрафиолетового облучения начинается в коже и сопровождается общим усилением обмена веществ и повышением иммунобиологического состояния организма, а это, в свою очередь, ведет к ускорению процессов рассасывания патологических продуктов и регенерации тканей.
Из других биологических эффектов ультрафиолетового облучения следует отметить образование витамина D, который способствует всасыванию из кишечника и усвоению кальция, входящего в состав костей и выполняющего ряд существенных физиологических функций. При недостатке витамина D кальций, входящий в состав пищи, не усваивается и потребность в нем восполняется за счет кальция костей, а это ведет к рахиту. У больных рахитом детей нарушается формирование скелета, кости становятся гибкими, дети перестают ходить и расти. Витамин D может образовываться и в самом организме под действием ультрафиолета с длинами волн от 280 до 315 нм. Наиболее эффективно комбинированное облучение ультрафиолетом, инфракрасными лучами и видимым светом.
Фотогемотерапия. При заболеваниях, сопровождающихся повышением вязкости крови, для уменьшения вязкости крови применяется метод фотогемотерапии. Он заключается в том, что у больного берут небольшое количество крови (примерно 2 мл/кг веса), подвергают ее УФ-облучению и вводят обратно в кровеносное русло. Примерно через 5 мин после введения больным 100-200 мл облученной крови наблюдается значительное снижение вязкости во всем объеме (около 5 л) циркулирующей крови. Исследования зависимости вязкости от скорости движения крови показали, что при фотогемотерапии вязкость сильнее всего снижается (примерно на 30 %) в медленно движущейся крови и совсем не меняется в быстро движущейся крови. УФ-облучение вызывает снижение способности эритроцитов к агрегации и увеличивает деформируемость эритроцитов. Помимо этого происходит снижение образования тромбов. Все эти явления приводят к значительному улучшению как макро-, так и микроциркуляции крови.
Исследования последних лет показали перспективность ультрафиолетовой аутогемотерапии, т.е. облучения крови с целью стимуляции защитных свойств организма при различных внутренних болезнях, а также при симптоматическом бесплодии. Кровь для облучения смешивают с антикоагулянтом, облучают в кварцевых кюветах и вводят обратно в кровеносный сосуд этого же человека.
Лечебное применение УФ излучения. В реабилитационных физиотерапевтических методах широко применяется ультрафиолетовое излучение длинноволнового (А), средневолнового (В), коротковолнового (С) диапазонов. При поглощении квантов ультрафиолетового излучения в тканях (в коже) происходят различные фотохимические и фотобиологические реакции.
Облучение создается искусственными источниками: лампы высокого давления (дуговые ртутные трубчатые), люминесцентные лампы, газоразрядные лампы низкого давления, одной из разновидностей которых являются бактерицидные лампы. Источники подразделяются на интегральные, которые излучают все области спектра, и селективные, которые создают излучение преимущественно одной области.
Длинноволновое облучение (преимущественное эритемное и загарное действие). Оно используется при лечение многих дерматологических заболеваний. Некоторые химические соединения фурокумаринового ряда (например, псорален) способны сенсибилизировать кожу этих больных к длинноволновому ультрафиолетовому излучению и стимулировать образование в меланоцитах пигмента меланина Совместное применение данных препаратов и последующего облучения длинноволновым ультрафиолетовым облучением является основой метода лечения, называемого фотохимиотерапией или ПУВА-терапией (PUVA: Р – псорален, UVA – ультрафиолетовое излучение зоны А). При этом подвергают облучению часть или все тело.
Средневолновое облучение (преимущественно витаминообра-зующее, антирахитное действие).
Коротковолновое облучение (преимущественно бактерицидное действие). Под его воздействием происходит разрушение структуры микроорганизмов и грибов. Оно создается с использованием ртутно-кварцевых бактерицидных ламп, рис. 30.8а. Используются облучатели (рис. 30.85) при местном облучении слизистой оболочки носа, миндалин.
При некоторых методиках коротковолновое излучение используется для облучения крови.
Ультрафиолетовое голодание. Многие люди находятся в условиях недостаточного облучения. Это жители крайнего Севера, Заполярья, рабочие горнорудной промышленности, метрополитена, безоконных производств, жители крупных городов. В городах недостаток солнечного света связан с загрязнением атмосферного воздуха пылью, дымом, газами, задерживающими в основном УФ часть солнечного спектра. В помещении оконное стекло не пропускает УФ лучи с длиной волны l < 310 нм. Резко снижают УФ поток загрязненные стекла, занавеси (тюлевые занавески снижают УФ излучение на 20%). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом). Поэтому для организации освещения всегда необходимо проводить санитарно-реабилитологические мероприятия.
Вредность ультрафиолетового облучения. Наряду с положительными биологическим воздействиями на организм этого излучения следует отметить и отрицательные стороны облучения. В первую очередь это относится к последствиям бесконтрольного загорания: ожоги, пигментные пятна, повреждение глаз – развитие фотоофтальмии. Действие ультрафиолета на глаз подобно эритеме, так как оно связано с разложением протеинов в клетках роговой и слизистой оболочек глаза. Живые клетки кожи человека защищены от деструктивного действия УФ лучей «мертвыми» клетками рогового слоя кожи. Глаза лишены этой защиты, поэтому при значительной дозе облучения глаз после скрытого периода развивается воспаление роговой оболочки (кератит) и слизистой оболочки глаза (конъюнктивит). Этот эффект обусловлен излучением с длиной волны короче 310 нм. Особенно рассмотрения заслуживает бластомогенное действие УФ радиации, приводящее к развитию рака кожи. Рак кожи распространен у всех народов земного шара, живущих в разных климатических условиях.
Следует отметить и вредное действие УФ облучения на глаза, поскольку слизистая оболочка глаза (конъюнктива) не имеет защитного рогового слоя, и поэтому глаз более чувствителен к ультрафиолету, чем кожа. Ультрафиолетовые лучи, достигая хрусталика, при определенных дозах вызывают его помутнение – катаракту. Поэтому все работы с ультрафиолетом необходимо проводить в защитных очках.
При УФ-облучении даже в момент получения опасной дозы человек ничего не чувствует. В коже отсутствуют специализированные УФ рецепторы. Глазом это излучение не воспринимается, тепловой эффект так мал, что человек его практически не ощущает.
Установлено, что действие УФ-излучения является главным фактором, вызывающим рак кожи, а также катаракту (помутнение хрусталика). Для полярников, альпинистов УФ-излучение опасно тем, что из-за большой интенсивности этого излучения появляются солнечные ожоги кожи и глаз.
Недостаток УФ может привести к D-авитаминозу. УФ способен вызывать положительные эффекты. Так, у больных с дерматозами кожи, (например, псориаз) заболевания обостряются зимой, а летом наступает улучшение. Причина – терапевтическое действие УФ, которого летом в спектре солнечного света значительно больше, чем зимой.
Загар часто рекомендуется как реабилитационный метод при многих заболеваниях. Действие УФ-излучения вызывает гиперпигментацию кожи, которая и обусловливает загар. Загар является «замедленным» фотобиологическим процессом. Он начинается развиваться через 2-3 суток после облучения, достигает максимума на 13-21 день и затем угасает в течение нескольких месяцев. Спектр действия загара похож на спектр действия эритемы. Ультрафиолет запускает сложную цепь биосинтеза пигмента кожи меланина в специализированных клетках – меланоцитах. Появление меланина является защитной реакцией организма.
Загаром нельзя злоупотреблять. Попав на пляж весной, человек не должен забывать, что наша кожа за зиму утратила меланиновую защиту. Минимальная доза ультрафиолета, запускающая меланогенез, примерно вдвое ниже минимальной эритемной дозы. Поэтому в первые дни следует загорать очень недолго, так, чтобы эритема еще не возникла, а образование пигмента уже инициировалось. И только через несколько дней, накопив в коже меланин, можно постепенно увеличивать время пребывания под солнцем. После появления загара не следует злоупотреблять пребыванием на солнечном свету. Ультрафиолет (особенно УФ-В) вызывает ряд нежелательных эффектов: происходит преждевременное старение кожи, появление морщин на открытых участках тела, может развиться рак кожи.
УФ-излучением инициируется подавление клеточно-опосредованного иммунитета – иммуносупрессия.
В медицине УФ широко используется в методе фотогемотерапии, применяемом при заболеваниях, связанных с повышением вязкости крови.
Большие дозы УФ (особенно УФ-В), которые может получать человек, связаны с состоянием атмосферы, в частности, с озоновыми дырами в атмосфере. Стратосферный озон определяет коротковолновую границу солнечного ультрафиолета. Разрушение озона происходит, в частности, при выбросе в атмосферу фторуглеродистых соединений, широко используемых в промышленных и бытовых холодильниках, а также при изготовлении аэрозолей. Схема защитного действия озонового слоя и процесс его разрушения оксидом азота NO показаны на рис..
Рис. Схема защитного действия озонового слоя (a) и процесс его разрушения оксидом азота NO (б); темные стрелки – тепловое излучение, светлые – УФ-излучение
Разрушение озона происходит из-за того, что атомы азота в молекулах загрязняющих газов сильно взаимодействуют с одним из атомов кислорода в молекуле озона и отрывают его от нее. В результате образуется кислород, через который беспрепятственно проходит УФ-излучение.