Фотобиологические процессы. Понятия о фотобиологии и фотомедицине

Фотобиологическими называют процессы, которые начина­ются с поглощения квантов света молекулами, а заканчива­ются физиологической реакцией организма.

К фотобиологическим процессам относятся фотосинтез, зре­ние, загар и эритема кожи, фотопериодизм и многие другие.

Условно всякий фотобиологический процесс можно разбить на несколько стадий:

1. поглощение кванта света молекулой;

2. внутримолекулярные процессы размена энергии;

3. межмолекулярные процессы переноса энергии электрон­но-возбужденного состояния (важны в некоторых фотобиологиче­ских процессах);

4. первичный фотохимический акт, сопровождающийся обра­зованием короткоживущих, нестабильных фотопродуктов, в негомолекула вступает из нижнего синглетного S_x или триплетного Т_х возбужденных состояний;

5. реакции нестабильных фотопродуктов, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов;

6. биохимические реакции с участием фотопродуктов;

7. физиологический ответ на действие света.

Первые три стадии фотобиологических процессов одинаковы для фотохимических реакций и фотолюминесценции. Поэтому законы фотохимии имеют свои аналогии с законами люминесцен­ции (см. § 24.6). Первичный фотохимический акт заключается в химических изменениях молекулы (например, присоединении или отдаче электрона или водорода).

Особенностью биологического действия ультрафиолетового и видимого излучения (200—750 нм)¹ является ярко выраженная зависимость биологического эффекта от длины волны излучения. Бактерицидные эффекты вызываются волнами в диапазоне 200— 315 нм, покраснение (эритема) кожи наиболее эффективно вызы­вается излучением с длиной волн 280—315 нм, зрительный эф­фект — 400—750 нм (видимый диапазон), лечение желтухи ново­рожденных — фиолетовым светом (около 400 нм). При фотосинте­зе растения и фотосинтезирующие бактерии используют весь диапазон солнечного ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли (коротковолновая граница солнечного света, проходящего через атмосферу Земли, ~ 285 нм), видимого света, и даже ближнего инфракрасного излучения (иногда до 1000 нм). Ме­няя длину волны, можно избирательно инициировать те или иные фотобиологические процессы¹. Дело в том, что разные фотобиоло­гические процессы начинаются с поглощения квантов света раз­ными молекулами, в свою очередь положение полосы поглощения молекулы зависит от ее химической структуры (см. § 24.4).

Важной характеристикой воздействия света на биологические объекты является спектр фотобиологического действия — за­висимость биологического эффекта от длины волны дейст­вующего света. Спектры действия позволяют определить, какая область спектра наиболее эффективно вызывает биологический процесс, а также определить природу молекул, ответственных за поглощение света в данном процессе.

Фотохимические реакции, инициируемые светом в тканях че­ловека и животных, могут иметь как положительные, так и отри­цательные последствия. Раздел медицины, посвященный лечеб­ному применению или патологическим последствиям действия оптического излучения, называется фотомедициной.

Известны терапевтические эффекты оптического излучения, осуществляющиеся за счет поглощения света молекулами, содер­жащимися в биологических тканях. Так, УФ-В-облучение кожи используется для лечения кожного заболевания — псориаза. Фо­тотерапия без использования экзогенных фотосенсибилизаторов применяется для лечения желтухи новорожденных. Желтуха новорожденных возникает из-за накопления в крови аномально вы­соких концентраций продукта распада гемоглобина — билируби­на. Это связано с тем, что в первые дни жизни у некоторых детей наблюдается недостаток фермента глюкуронилтрансферазы, пре­вращающей плохо растворимый в воде билирубин в его водораст­воримое производное. Гидрофобный билирубин склонен накапли­ваться в клетках мозга, что может приводить к необратимым из­менениям в центральной нервной системе. Билирубин имеет максимум поглощения в синей области спектра. Под действием синего света билирубин легко фотоизомеризуется непосредственно в кровеносных сосудах, образуя водорастворимые продукты, легко выводящиеся из организма. Таким образом устраняются патологические последствия гипербилирубинемии.

Существует ряд терапевтических методов, называемых фото­химиотерапией, в которых используется совместное воздействие экзогенных фотосенсибилизаторов и света. Наиболее распростра­нены два вида фотохимиотерапии: ПУВА-терапия кожных забо­леваний и фотодинамическая терапия злокачественных новообра­зований.

В ПУВА-терапии¹ в качестве фотосенсибилизаторов использу­ются псоралены в сочетании с УФ-А-облучением кожи. Она эф­фективна при псориазе, витилиго, кожной Т-клеточной лимфоме и других дерматозах. При ПУВА-терапии в коже человека проте­кают все IV типа фотосенсибилизированных реакций, наиболее важны из них реакции типов III и IV.

Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их последующем об­лучении видимым светом. Часто в качестве фотосенсибилизато­ров при ФДТ используют производные гематопорфирина, погло­щающие в красной области спектра. Ведущую роль при ФДТ иг­рают реакции типа П. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводя­щее к ишемии и гибели опухоли; 3) ФДТ способно вызывать вос­палительную реакцию, мобилизующую противоопухолевую им­мунную защиту тканей организма.