Глава 3. Биофизические аспекты взаимодействия эми с биообъектами: примеры применения в практической медицине

1. Перспективы применения низкоинтенсивного лазерного излучения и гамма-излучения для моделирования ускоренного старения органов и тканей на примере тимуса

Большинство заболеваний, связанных с возрастом, характеризуются ослаблением функций иммунной системы в процессе старения. В основе снижения активности иммунной системы лежат возрастные изменения ее центрального органа – тимуса. Возрастная инволюция тимуса характеризуется наиболее выраженными, в сравнении с другими органами, изменениями, которые имеют сходные черты у человека и других млекопитающих. В связи с этим важнейшей задачей геронтологии является разработка и исследование свойств препаратов, восстанавливающих функции тимуса при его инволюции. Для решения этой задачи необходимо создание адекватной модели ускоренного старения тимуса, которая позволила бы объективно оценивать действие геропротекторных препаратов [5]. В настоящее время широко используется модель ускоренного старения тимуса, создаваемая с помощью воздействия на него ионизирующего γ-излучения. Однако вследствие выраженного разрушающего действия радиации на биологические объекты, эта модель не всегда способствует оптимальному решению поставленных задач. В последнее десятилетие в рамках биофизики и в терапевтических целях проводятся исследования взаимодействия различных органов и тканей с фотонами – частицами, генерируемыми низкоинтенсивными лазерами. Широкий спектр и разнонаправленность молекулярно-клеточных эффектов, вызываемых низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ), позволяет предположить, что его применение для создания модели ускоренного старения тимуса может быть более перспективно по сравнению с ионизирующими γ-квантами.

Механизмы взаимодействия нили с биологическими объектами

НИЛИ взаимодействует с биологическими объектами в соответствии со следующими 4 физическими процессами: отражение излучения тканью; рассеивание излучения тканью; прохождение излучения сквозь ткань и поглощение излучения тканью. Из перечисленных типов взаимодействия НИЛИ с живой тканью наиболее важным является поглощение. Именно этот процесс способствует возбуждению клеточных рецепторов ткани, которые могут передавать избыток энергии другим молекулам. Так возникает фотодинамическая или фоточувствительная реакция, способствующая фотобиоактивации – изменению скорости метаболизма в сторону усиления или замедления. Изменение биохимических реакций в тканях организма после облучения зависит от длины волны и мощности используемого НИЛИ. Наибольшее применение в медицине получили лазеры, работающие в диапазоне невидимого инфракрасного света (ИК НИЛИ, Ga-Al-As лазер, λ=830 нм, СО₂–лазер, λ=1060 нм) и видимого красного света (He-Ne лазер, λ=632,8 нм). Фотобиоактивация в тканях организма под действием НИЛИ происходит согласно свободнорадикальной гипотезе, в соответствии с которой первичным акцептором излучения служат порфирины. В ответ на облучение они индуцируют продукцию активных форм кислорода, которые, запускают вторичные свободнорадикальные реакции, наиболее важной из которых является перекисное окисление липидов клеточных мембран. Это способствует увеличению проницаемости мембран для ионов кальция, что приводит к усилению кальций-зависимых процессов, один из которых – активация или ингибирование клеток иммунной системы. Кроме того, активные формы кислорода влияют на реакции матричного синтеза в ядре, что приводит к подавлению/усилению (в зависимости от дозы НИЛИ) синтеза белков и факторов клеточного роста. Обзор данных по механизмам взаимодействия γ-излучения и НИЛИ с биологическими объектами показал, что ионизирующее излучение оказывает разрушающее действие на клетки и ткани, тогда как влияние НИЛИ в зависимости от его параметров может оказывать как ингибирующие, но обратимое, воздействие на клетки, так и стимулировать ее метаболизм. Повреждающее действие γ-излучения в первую очередь связано с нарушением целостности ДНК делящихся клеток и их гибелью, что подтверждает необратимые изменения в ткани тимуса под действием ионизирующего излучения. НИЛИ, в отличие от γ-излучения, не оказывает воздействие на ДНК, а только на ферментную систему клетки, чем, вероятно, объясняется обратимость вызываемых им эффектов. Анализ взаимодействия ионизирующего излучения и НИЛИ на органном, клеточном и молекулярном уровнях подтверждает перспективность применения лазерного облучения для создания модели ускоренного старения тимуса без возникновения его необратимых повреждений.