В зависимости от характера взаимодействия лазерного света с биологическими тканями различают три вида фотобиологических эффектов:
1) фотодеструктивное воздействие, при котором тепловой, гидродинамический, фотохимический эффекты света вызывают деструкцию тканей. Этот вид лазерного взаимодействия используется в лазерной хирургии.
2) фотофизические и фотохимическое воздействие, при котором поглощенный биотканями свет возбуждает в них атомы и молекулы, вызывает фотохимические и фотофизические реакции. Это лазерное излучение используется как терапевтическое.
3) невозмущающее воздействие, когда биосубстанция не меняет своих свойств в процессе взаимодействия со светом. Это такие эффекты, как рассеивание, отражение и проникновение. Этот вид используют для диагностики (лазерная спектроскопия).
Фотобиологические эффекты зависят от параметров лазерного излучения: длины волны, интенсивности потока световой энергии, времени воздействия на биоткани. В лазеротерапии применяют световые потоки низкой интенсивности, не более 100 мВТ/см2, что сопоставимо с интенсивностью излучения Солнца на поверхности Земли в ясный день. Поэтому его называют низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ).
Фотобиологической активностью обладает свет в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. В основе фотобиологических процессов лежат фотофизические и фотохимические реакции, возникающие под действием света.
Фотофизические реакции обусловлены нагреванием объекта до различной степени (в пределах 0.1-0.3 0С) и распространением тепла в биотканях. Разница температуры более выражена на биологических мембранах, что ведет к оттоку ионов Na+ и K+, раскрытию белковых каналов и увеличению транспорта молекул и ионов.
Фотохимические реакции обусловлены возбуждением электронов в атомах поглощающего свет вещества. На молекулярном уровне это выражается в виде фотоионизации вещества, его восстановления или фотоокисления, фотодиссоциации молекул, их перестройке – фотоизомеризации.
Лазерное излучение избирательно поглощается содержащимися в клетках пигментными веществами. Пигмент меланин поглощает свет наиболее активно в фиолетовой области, порфирин и его производные – в красной и т.д.
Поглощение лазерной энергии происходит и различными молекулярными образованиями, не имеющими специфических пигментов и фотобиологических мишеней. Вода поглощает видимый свет и красную часть спектра. Это меняет у мембран структурную организацию водного слоя и изменяет функцию термолабильных каналов мембраны.
В биологических структурах организма существуют собственные электромагнитные поля и свободные заряды, которые перераспределяются под влиянием лазерного излучения.
Первичные химические реакции сопровождаются появлением свободных радикалов, запуском процессов окисления биосубстратов. НИЛИ стимулирует метаболическую активность клетки, оказывает действие на процессы жизнедеятельности и регенерации (восстановления), приводит к увеличению содержания в ядрах клеток человека ДНК и РНК, оказывает антимутагенный эффект, активизирует синтез ДНК и ускоряет восстановительные процессы в клетках, подвергнутых радиации. Это позволяет использовать НИЛИ в онкологии, на вредных производствах, в военной медицине.
НИЛИ стимулирует выработку универсального источника энергии АТФ в митохондриях, повышает эффективность работы дыхательной цепи митохондрий. Происходят перестройки в мембранах митохондрий, оказывается антиоксидантный эффект. При лазерной терапии изменяется соотношение насыщенных и ненасыщенных липидов, вязкость липидной компоненты мембран, что отражается на структурных перестройках в мембране, ее функциональном состоянии, активности мембрано-связанных ферментов.
НИЛИ вызывает активацию энергосвязывающих процессов в патологически измененных тканях с нарушением метаболизма, повышение активности важнейших ферментов, снижения потребления кислорода тканями с повышением активности митохондрий, обогащением их энергией, усиление интенсивности гликолиза в тканях.
Вторичные эффекты представляют собой комплекс адаптационных и компенсаторных реакций. НИЛИ устраняет дисбаланс в ЦНС. Доза лазерного излучения определяет стимулирующий или угнетающий эффекты, что дает возможность избирательно применять лазер для ослабленных больных, в педиатрии, при хронических заболеваниях.
При поглощении веществом кванта света один из электронов, находящийся на нижнем энергетическом уровне на связывающей орбитали, переходит на верхний энергетический уровень и переводит атом или молекулу в возбужденное (синглетное или триплетное) состояние. При внешнем фотоэффекте электрон, поглотив фотон, покидает вещество. Однако, эти проявления при взаимодействии света с биообъектом выражены весьма незначительно, поскольку в полупроводниках и диэлектриках (ткани организма такими являются) электрон, захватив фотон, остается в веществе и переходит на более высокие энергетические уровни (в синглетное или триплетное состояние). Это и есть внутренний фотоэффект, основными проявлениями которого являются электропроводимости полупроводника под действием света (явление фотопроводимости) и возникновение разности потенциалов между различными участками освещаемого биообъекта (возникновение фотоэлектродвижущей силы - фотоЭДС). Эти явления обусловлены фоторождением носителей заряда – электронов проводимости и дырок. В результате перехода в возбужденное состояние части атомов или молекул облучаемого вещества происходит изменение диэлектрической проницаемости этого вещества (фотодиэлектрический эффект).
Фотопроводимость бывает концентрационной, возникающей при изменении концентрации носителей заряда, и подвижной. Последняя возникает при поглощении фотонов с относительной низкой энергией и связана с переходами электронов в пределах зоны проводимости. При таких переходах число носителей не изменяется, но это изменяет их подвижность. Образование электронных возбужденных состояний приводит к изменению энергетической активности клеточных мембран, к конфирмационным изменениям жидкокристаллических структур, к структурной альтерации жидких сред организма, к образованию продуктов фотолиза, к изменению pH среды, что в свою очередь является пусковым моментом целого комплекса биофизических и биохимических процессов.
Повышение энергетической активности биологических мембран, которые принимают прямое и очень важное участие во всех функциях клетки, приводит к изменению биоэлектрических процессов, к увеличению активности транспорта веществ через мембрану, идущего в направлении, противоположном градиенту химического и электрохимического потенциала, усиливает основные биоэнергетические процессы, в частности, окислительное фофсфорилирование. Под действием низкоэнергетического лазерного излучения изменяется форма двойного липидного слоя клеточной мембраны, что приводит к переориентировке головок липидов. Поскольку вблизи t = + 37C двойной липидный слой находится в непосредственной близости к точке фазового перехода, т.е. в очень неустойчивом состоянии, поэтому дополнительная энергия, полученная при лазерном воздействии, инициирует фазовый переход клеточной мембраны, т.к. она имеет жидкокристаллическую структуру. Воздействие лазерным излучением на поврежденную ткань приводит к уменьшению внутриклеточного отека, что связано с повышением кровотока в тканях, активации транспорта вещества.
Лазерная терапия может проводиться как самостоятельный метод, так и в комплексе с медикаментозным лечением (с гормональным, с методами физиотерапии). НИЛИ может изменить в процессе лечения чувствительность к лекарственным средствам.
Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных барьеров химических превращений. Эти процессы включают следующие стадии: поглощение света тканевым фотоакцептором и образованием электронно-возбужденных состояний миграции энергии электронного возбуждения, первичный фотофизический акт и появление первичных фото продуктов промежуточной стадии, включающей перенос заряда, образование первичных стабильных химических продуктов, физиолого-биохимические процессы, конечный фотобиологический эффект.
Первыми на пути проникновения НИЛИ в биообъект лежат кожные покровы. Коэффициент отражения и поглощения кожей электромагнитных волн оптического диапазона зависит от различных причин: охлаждения участка воздействия, пола, возраста, угла падения, цвета и пигментации кожных покровов.
При поглощении световой энергии возникают различные физические процессы, основными из которых являются внешний и внутренний фотоэффекты, электролитическая диссоциация молекул и различных комплексов.
НИЛИ производит действие не тол на атомно-молекулярном и клеточном, но и на огранном уровне:
- понижение рецептативной чувствительности;
- уменьшение длительности фаз воспаления;
- уменьшение отеков и напряжения тканей;
- увеличение поглощения тканями кислорода;
- повышение скорости кровотока;
- активация транспортных веществ через сосудистую стенку.
Возникают и клинические эффекты:
- противовоспалительный;
- обезболивающий;
- регенераторный;
- денсенсибилизирующий;
- иммунокоррегирующий;
- улучшения регионального кровообращения;
- бактерицидный и бактериостатический.