светотерапия что это такое
Светотерапия: на чем основан лечебный эффект?
Светолечение – это воздействие световых волн на организм человека в определенный период времени. Клиническая эффективность светотерапии доказана, а поклонников у такого лечения становится с каждым годом все больше.
История светолечения
История светолечения насчитывает более 2 тысяч лет, а ее истоки уходят еще глубже – во времена египетских фараонов, в XIII столетие до н.э. Источники тех лет упоминают Нефертити, принимавшую солнечные ванны для профилактики и лечения разных недугов.
Первым солнечный свет в качестве лечебного фактора применил Гиппократ – его метод закаливания солнцем быстро распространился и стал популярен у древних римлян.
Жрецы средневековой Германии, владевшие врачебным ремеслом, использовали целебное действие солнечного света для заживления ран, выздоровления от простуды и других вирусных инфекций.
Средневековье – период распространения христианства, которое считает наготу грехом. Солнечные ванны перестали использовать в лечении и вскоре забыли о них на несколько столетий.
Первый патент и второе рождение
В XIX столетии светолечение пережило второе рождение, когда в медицине начали использовать источники искусственного света. В 1882 году немецкий врач Макер получил первый патент на лечение электрическим светом, что и стало мощным толчком к развитию светотерапии.
Ученый Нильс Финсен первым написал научную работу по светотерапии, за которую был удостоен Нобелевской премии. Он разработал аппарат, излучавший синий свет, и добился выдающихся результатов в лечении кожного туберкулеза, дерматита, волчанки и других болезней.
В России лечение синим светом начал практиковать военный врач Минин. Созданная им лампа Минина применялась в терапии, дерматологии, офтальмологии и других отраслях медицины. Популярность этого прибора была настолько велика, что до 40-х годов прошлого века лампа Минина была почти в каждой семье. Ею лечили ушибы, защемления нервов, воспаления.
Позднее интерес к светолечению снизился, так как развивалась лекарственная терапия, антибиотики и другие препараты становились доступнее пациентам.
Лечение синим светом широко использовалось в офтальмологии, терапии, дерматологии, фтизиатрии,при простудных и других заболеваниях. Созданная А.В. Мининым «лампа Минина» широко использовалась в медицине в середине ХХ века.
Вплоть до начала 40-х г.г. популярность синего света как доступного и эффективного средства лечения всякого рода воспалений, ушибов и невралгий была так велика, что «лампа Минина» была практически в каждой семье.
В те времена возможности медикаментозной медицсвины были крайне ограничены, в 30-е годы прошлого века интерес к светолечению резко снизился. Это связано с развитием лекарственной терапии – открытием антибиотиков и сульфаниламидов.
Понадобились десятки лет, фундаментальные открытия в области квантовой механики и физики, химии и биологии, медицины и философии, чтобы сформировать современное представление о функции живой и неживой материи и их взаимодействия. В итоге стало очевидно, что человек – объект взаимодействия открытой многоуровневой функциональной системы.
Эффективность синего цвета и светотерапии
Сегодня интерес к малоинвазивным методам лечения, в том числе светотерапии, возрождается. Синий цвет чаще всего используется в лечении – врачи неоднократно доказывали его эффективность.
Светотерапия действует на организм комплексно:
— Снимает воспалительный процесс.
— Успокаивает нервную систему.
— Восстанавливает тонус кожи.
— Улучшает состояние слизистых оболочек.
— Нормализует работу кишечника, дыхательной системы.
— Снимает тревожность, раздражительность.
Синий цвет благотворно влияет на кости и позвоночник, улучшает зрение, активизирует работу мозга и укрепляет иммунитет. Ученые, изучавшие влияние синего светоизлучения на организм, отмечают, что он улучшает сон и лечит бессонницу. Человек может спать меньше обычного, но чувствовать себя отдохнувшим и бодрым.
Еще одно свойство светотерапии – снижение артериального давления, нормализация сердечного и дыхательного ритмов. Научно доказанный факт, что синее излучение стимулирует гипофиз, при патологиях которого страдают многие функции в организме.
На чем основан эффект?
Многочисленные эксперименты, проведенные в разное время и разных странах, дают одинаковый результат – биохимические процессы замедляются в зонах, где преобладает синий цвет. Синее излучение успокаивает, притупляет аппетит, расслабляет, снимает перенапряжение.
Механизм воздействия светотерапии на организм человека изучен не до конца. По результатам научных исследований считается, что под воздействием синего света активизируется синтез энергии в клетках, человек чувствует прилив энергии.
Какие болезни лечит светотерапия?
Ученые из Японии и Америки выяснили экспериментальным путем, что атеросклеротические бляшки активно поглощают синий свет и разрушаются под его воздействием. Как следствие, укрепляются стенки сосудов, снижается риск инфаркта и инсульта, ускоряется кровоток в магистральных сосудах, снижается вязкость крови.
Под воздействием светотерапии падает уровень сахара в крови, что позволяет использовать метод пациентам с сахарным диабетом. Синий цвет помогает при лечении трофических язв и других ран, ускоряет их заживление.
В гинекологии светотерапия облегчает состояние при климаксе, дисменорее, проблемах с яичниками. Дерматологи используют синий свет при лечении пациентов с фурункулезом, выпадением волос, кожными заболеваниями.
У светолечения нет противопоказаний и побочных эффектов – оно не вызывает аллергических и токсических реакций, потому что в его основе лежат естественные силы природы.
Светотерапия не нарушает целостность кожных покровов, может использоваться самостоятельно или в комплексе с медикаментозным лечением, назначается взрослым пациентам и детям с 3 лет.
Механизмы низкочастотной лазерной терапии и светотерапии
Введение
Возможность использования низкоинтенсивного света видимого или ближнего инфракрасного диапазона в целях уменьшения боли, воспалительных процессов и отека, заживления ран и предотвращения повреждения тканей известно уже почти сорок лет с момента изобретения лазеров. К первоначальным свойствам лазерного излучения (холодный лазер) на сегодняшний день добавились и новые, включая фотобиомодуляцию и фотобиостимуляцию с использованием некогерентного света. Несмотря на многочисленные сообщения о положительных результатах экспериментов, проведенных in vitro, в моделях на животных и в рандомизированных контролируемых клинических испытаниях, вопрос о НИЛТ остается нерешенным, что, вероятно, связано с двумя основными причинами. Во-первых, не полностью понятны биохимические механизмы, лежащие в основе положительных эффектов от лазерной терапии. Во-вторых, сложность рационального выбора среди большого количества параметров излучения, таких как длина волны, плотность, интенсивность, структура импульса и продолжительность терапии, привела к публикации ряда как негативных, так и положительных отзывов. В частности, наблюдалась реакция применения двухфазной дозы облучения, когда низкоинтенсивный свет имел гораздо лучший эффект относительно высокоинтенсивного излучения. Настоящий вводный обзор будет посвящен некоторым из предложенных клеточных хромофоров, ответственных за влияние видимого света на клетки млекопитающих, включая цитохром с-оксидазу (с пиками поглощения в ближней инфракрасной спектральной области) и фотоактивные порфирины. Предполагается, что митохондрии являются вероятным сайтом начальной реакции организма на свет, приводя к увеличению синтеза АТФ, модуляции активных форм кислорода и индукции транскрипционных факторов. Эти эффекты, в свою очередь, приводят к увеличению пролиферации и миграции клеток (в частности, фибробластов), модуляции цитокинов, факторов роста и медиаторов воспаления и повышенной оксигенации тканей. Результаты этих биохимических и клеточных изменений у животных и пациентов включают такие преимущества, как ускорение заживления ран, улучшение прогнозов при спортивных травмах, уменьшение боли при артрите и невропатии, а также быструю реабилитацию после сердечных приступов, инсульта, повреждения нервной ткани.
ИСТОРИЯ
В 1967 году, спустя несколько лет после того, как был изобретен первый рабочий лазер, Эндре Местер из Университета Семмельвейса в Будапеште, Венгрия, захотел проверить, может ли лазерное излучение провоцировать рост раковых клеток у мышей [1]. Сбрив волосы на спине, Местер разделил мышей на две группы и подверг низкоинтенсивным излучением рубиновым лазером (694 нм) одну группу. К его удивлению волосы на обработанной лазерной терапией группе выросли быстрее. Это была первая демонстрация «лазерной биостимуляции». С тех пор медицинское лечение источниками когерентного света (лазерами) или некогерентным светом (светоизлучающие диоды, светодиоды) начало интенсивно развиваться в медицине. В настоящее время в области физической терапии во многих частях мира практикуется низкоинтенсивная лазерная терапия (НИЛТ), также известная как «холодный лазер», «мягкий лазер», «биостимуляция» или «фотобиомодуляция». Фактически, светотерапия является одним из самых старых терапевтических методов, используемых людьми (исторически как светотерапия у египтян, а позже как УФ-терапия, благодаря которой Нильс Финсен стал обладателем Нобелевской премии в 1904 году [2]). Использование лазеров и светодиодов в качестве источников света стало следующим шагом в технологическом развитии светотерапии. В НИЛТ вопрос уже не в том, имеет ли свет биологические эффекты, а в том, как энергия от терапевтических лазеров и светодиодов работает на клеточном и органном уровнях и каковы оптимальные параметры света для различных источников света.
Одним из важных моментов, которые были продемонстрированы в многочисленных исследованиях в клеточных культурах [3], моделях животных [4] и в клинических исследованиях, является концепция двухфазного дозозависимого эффекта, когда результат сравнивается с общей суммарной плотностью энергии света (флюенсом). Причина, по которой метод называется низкоинтенсивным, заключается в том, что существует оптимальная доза света для любого конкретного применения, а дозы ниже этого оптимального значения или, что более важно, больше оптимального значения, будут иметь уменьшенный терапевтический результат, а зачастую высокие дозы света могут привести к отрицательному результату. Возможно, существуют три основные области медицины и ветеринарной практики, в которых НИЛТ играет важную роль (рисунок 1). Это: (i) заживление ран, восстановление тканей и предотвращение клеточной смерти; (ii) облегчение воспаления при хронических заболеваниях и травмах с его ассоциированной болью и отеком; (iii) облегчение нейрогенной боли. Предлагаемые пути объяснения механизмов НИЛТ должны в идеале быть применимы ко всем этим условиям.
БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
Фотобиология тканей
В первом законе фотобиологии говорится, что для видимого света малой мощности, имеющего какое-либо влияние на живую биологическую систему, фотоны должны поглощаться электронными полосами поглощения, принадлежащими некоторому молекулярному хромофору или фотоацептору [5]. Один из подходов к нахождению идентичности этого хромофора – осуществление спектрального воздействия. Графическое изображение, представляющее биологический ответ в зависимости от длины волны, частоты или энергии фотонов должно совпадать со спектром поглощения молекулы фотоацептора. Тот факт, что структурированный спектр действия может быть построен графически поддерживает гипотезу о существовании клеточных фотоацепторов и сигнальных путей, стимулируемых светом.
Второе важное соображение касается оптических свойств ткани. Как поглощение, так и рассеяние света в ткани зависят от длины волны выше в синей области спектра, чем в красной, так и основной хромофор ткани (гемоглобин) имеет высокую поглощающую способность волн короче 600 нм. По этим причинам существует так называемое «оптическое окно». Вода начинает значительно поглощать свет при длинах волн больше 1150 нм. По этим причинам в тканях, подвергнутых воздействием красного и инфракрасного спектров, имеется так называемое «оптическое окно», где максимальное проникновение света в ткань максимизируется (рис. 2). Поэтому, хотя синий, зеленый и желтый свет может оказывать значительное влияние на клетки, растущие в оптически прозрачной культуральной среде, использование НИЛТ у животных и пациентов почти исключительно связано с красным и ближним инфракрасным светом (600-950 нм).
Рисунок 2. Оптическое окно ткани вследствие уменьшения поглощения красной и ближней инфракрасной длин волн (600-1200 нм) тканевыми хромофорами.
Спектры действия
В 1989 году было высказано предположение о том, что механизм действия НИЛТ на клеточном уровне основан на поглощении монохроматического видимого и NIR-излучения компонентами цепи переноса электронов клеток [6]. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит 5 комплексов интегральных мембранных белков: NADH-дегидрогеназу (комплекс I), сукцинатдегидрогеназу (комплекс II), цитохром-редуктазу (комплекс III), цитохромоксидазу (комплекс IV), АТФ-синтазу (комплекс V) и двух свободно диффундирующих молекул убихинона и цитохрома с, которые перемещают электроны от одного комплекса к другому (рис. 3). Дыхательная цепь совершает ступенчатый перенос электронов от NADH и FADH2 (образующихся в цикле лимонной кислоты) к молекулам кислорода с образованием (с помощью протонов) молекул воды, используя энергию, выделяемую этим протонным переносом, на перекачку протонов (H+) от матрицы к межмембранному пространству. Протонный градиент, образованный мембранным процессом активного транспорта, образует миниатюрный аккумулятор. Протон может проходить обратно вниз по этому градиенту, возвращаясь к матрице, только через другой комплекс интегральных белков во внутренней мембране, комплекс АТФ-синтазы.
Рис 1. Структура и принцип работы цитохром с-оксидазы.
Рисунок 5. Спектр действия НИЛТ в культуральных клетках, у животных и пациентов. Представленные данные являются объединением многих отчетов из нескольких лабораторий.
В исследовании, проведенном Pastore et al [11], изучалось влияние излучения He-Ne лазера на цитохром c-оксидазу. Было обнаружено повышенное окисление цитохрома c и увеличение скорости переноса электронов. Артюхов и его коллеги обнаружили [12] повышенную ферментативную активность каталазы после воздействия He-Ne.
Поглощение фотонов молекулами приводит к электронно-возбужденным состояниям последних и, следовательно, может привести к ускорению реакций в дыхательной цепи [13]. Ускорение электронного транспорта обязательно приводит к увеличению производства АТФ [14]. Увеличение синтеза АТФ и увеличение градиента протонов приводит к увеличению активности антипортеров Na+/H+ и Ca2+/Na+ и всех АТФ-зависимых ионных транспортеров, таких как Na+/K+ АТФаза и Са2+. АТФ является субстратом для аденилатциклазы, поэтому уровень АТФ контролирует уровень цАМФ. Оба Ca2+ и cAMP очень важны для вторичных мессенджеров. Особенно это касается ионов кальция, которые регулируют почти каждый процесс в организме человека.
В дополнение к опосредованному цитохром с-оксидазой увеличению производства АТФ НИЛТ может ускорять и другие механизмы. Первым из них мы рассмотрим «гипотезу синглетного кислорода». Некоторые молекулы, поглощающие видимый спектр, такие как порфирины, и не имеющие в активных центрах металлов с переходной валентностью [15], а также некоторые флавопротеины [16], после поглощения фотона могут на продолжительное время переходить возбужденное состояние, впоследствии имея возможность взаимодействовать с кислородом, что будет приводить к образованию реакционноспособного синглетного кислорода. Это та самая молекула, которая используется в фотодинамической терапии (PDT) для уничтожения раковых клеток, разрушения кровеносных сосудов и уничтожения микробов. Исследователи PDT давно знают, что очень низкие дозы PDT могут вызвать пролиферацию клеток и стимуляцию тканей вместо убийства, наблюдаемого при высоких дозах [17].
Следующим предложенным механизмом была «гипотеза изменения редокс-свойств» [18]. Изменение метаболизма митохондрий и активация дыхательной цепи путем светового воздействия также увеличило бы производство супероксидных анионов O2•-. Было показано, что клеточное образование O2- зависит в основном от метаболического состояния митохондрий. Другие окислительно-восстановительные цепи в клетках также могут быть активированы НИЛТ. NADPH-оксидаза представляет собой фермент, обнаруженный на активированных нейтрофилах и способный к немитохондриальной окислительной вспышке, индуцируя образование больших количеств ROS [19]. Эти эффекты зависят от физиологических параметров организма, а также от параметров излучения.
Активность цитохром c-оксидазы подавляется оксидом азота (NO). Это ингибирование митохондриального дыхания NO, являясь обратимым процессом, может быть объяснено прямой конкуренцией между NO и O2 на восстановленном двухъядерном центре CuB/a3 цитохром c-оксидазы [20]. Было предложено, что лазерное излучение способно нивелировать подобный процесс и, таким образом, повышая скорость дыхания (NO гипотеза) [21]. Недавно опубликованные данные Karu et al. [21], косвенно подтверждают эту гипотезу. Другим доказательством участия NO в ответах на НИЛТ является увеличение продукции NO-синтазы при воздействии светом (635 нм) [22]. Хотя оба наблюдения подтверждают гипотезу зависимости уровня NO в ответ на НИЛТ, отклик на разные длины волн в различных исследовательских моделях могут регулироваться различными механизмами.
Клеточный сигналинг
Предполагается, что НИЛТ производит сдвиг общего окислительно-восстановительного потенциала клетки в сторону большего окисления [28]. Различные клетки в диапазоне условий роста имеют отчетливые редокс-состояния. Поэтому эффекты НИЛТ могут значительно различаться. Клетки, первоначально имеющие более низкий редокс-статус (низкий уровень внутриклеточного рН), обладают высоким потенциалом биологического ответа при воздействии НИЛТ, тогда как клетки в оптимальном редокс-состоянии реагируют слабо или не реагируют на лечение светом вообще.
Рисунок 6. Клеточный сигналинг, индуцированный НИЛТ.
РЕЗУЛЬТАТЫ IN VITRO
Типы клеток
Существуют данные о том, что несколько типов млекопитающих и микробных клеток могут реагировать на НИЛТ. Большую часть работы Karu использовала Escherichia coli [29] и клетки HeLa [30], клеточную линию карциномы шейки матки человека. Однако для клинических применений НИЛТ, подлежащих валидации, гораздо важнее изучить влияние НИЛТ на не-злокачественные типы клеток, которые могут быть эффективно стимулированы в целях устранения некоторых заболеваний или травм. Для исследований заживления ран вариация клеток, вероятно, ограничивается эндотелиальными клетками [31], фибробластами [32], кератиноцитами [33] и, возможно, некоторыми классами лейкоцитов, например, макрофаги [34] и нейтрофилы [35]. Для исследований по облегчению боли и восстановлению нервной ткани изучать следует нейроны 38 и глиальные клетки [39]. Для противовоспалительных и противоотечных эффектов лазерного излучения – макрофаги [34], тучные клетки [40], нейтрофилы [41], лимфоциты [42] и т.д. Существует литературные данные об эффектах НИЛТ in vitro для большинства из этих типов клеток.
Изолированные митохондрии
Поскольку дыхательная цепь и цитохромоксидазы расположены в митохондриях, несколько групп ученых испытали влияние НИЛТ на изолированных митохондриях. Наиболее популярной системой для изучения является влияние He-Ne лазерного облучения митохондрий, выделенных из печени крыс, в которых наблюдался повышенный электрохимический протонный потенциал и ускоренный синтез АТФ [43]. Индуцированный синтез РНК и белка был продемонстрирован при 5 Дж/см2 [44]. Pastore et al. [45] обнаружили повышенную активность цитохром с-оксидазы и полярографически измеренного увеличения утилизации кислорода при 2 Дж/см2 при применении He-Ne лазера. В облучаемых светом митохондриях обнаружена значительное повышение активности протонного насоса, около 55%-ное увеличение отношения