VLIV LASEROVÉHO ZÁŘENÍ NA BIOLOGICKÝ ORGANISMUS – International Student Scientific Bulletin (online publikace)

Léčebné účinky na biologický organismus pomocí optického záření se využívají již po mnoho staletí. Helioterapie neboli léčba slunečním zářením se široce používá k léčbě různých kožních poruch, k léčbě a prevenci křivice a k paliativní léčbě plicní tuberkulózy. Nobelova cena byla udělena v roce 1903 za metodu léčby tuberkulózy kůže pomocí ultrafialového světla. Přestože bylo sluneční světlo vždy považováno za prospěšné, před vynálezem laseru využívala fotomedicína především jeho ultrafialovou složku. S příchodem laseru se výrazně rozšířilo využití světla v medicíně. Na jejím základě vznikly chirurgické nástroje, které se hojně využívají k odstraňování tkání odpařováním, k bezkrevnému řezu v oblastech s bohatým prokrvením, jako koagulátory pro masivní tkáňové léze, dále pro vaskulární a pigmentové léze, v oftalmologii, pro řezání zakalených membrán, při operacích odchlípení sítnice.

laserové záření
biologický organismus
denaturace bílkovin
Arndt-Schulzův zákon

1. Filippov A.S. Lasery v medicíně: typy a aplikace // Tiara medical. Lékařské vybavení. 2021, červenec. [Elektronický zdroj]. URL: https: www.tiaramed.ru/advice/lazery -v-meditsine-tipy—primenenie/

2. Nové technologie v rohovkové chirurgii a terapii založené na využití riboflavinu a subablativních radiačních módů excimerového laseru „Microscan Visum“. Moderní technologie v oftalmologii. 2019; 5: 287–291.

3. Minajev V.P. Vývoj laserových lékařských technologií // Fotonika, č. 2, 2010, str. 50-53

4. Geynits A. V. Elisova T. G. Lasery v chirurgické léčbě hemoroidů. Laserová medicína. 2009; 1:31–35

5. Kruševskij Yu. A. Praktická doporučení pro ochranu před elektromagnetickým zářením. — M., 2004.

6. Savitskaya Ya. A. Sborník materiálů krajské vědecké a praktické konference Geotechnologie a ochrana práce v těžebním průmyslu / Ya. A. Savitská, V. V. Paslen. — Krasnoarmeysk, 2008.

S rozvojem laserové technologie se objevily nové oblasti jejich využití, založené na dopadu nízkoenergetického záření na biologickou tkáň [1]. Jsou chápány jako záření, které výrazně nemění teplotu předmětu, který je cílem dopadu. Pod vlivem nízkoenergetické laserové expozice: trpí chronickou bolestí se snižuje; zlepšuje míru přežití kožních laloků, snižuje bolest při revmatoidní artritidě a neuralgii trojklaného nervu; stimuluje prokrvení kostní dřeně a periostu, což vede ke zlepšení zásobování kostí vápníkem při osteoporóze; pocity jsou obnoveny při léčbě raných případů paralýzy; snižuje bolest ze zlomenin a modřin; Snižuje nepohodlí spojené s prostatitidou.

Laserová energie se také používá při některých netepelných manipulacích. K léčbě prekancerózních a rakovinných lézí je tedy pacientovi injikováno fotosenzitivní léčivo (derivát hematoporfyrinu). Po 48-72 hodinách je přirozeně vyloučen ze zdravých buněk, ale zůstává v rakovinných a prekancerózních buňkách. Když jsou podezřelé oblasti ozářeny nízkoenergetickým červeným laserovým světlem, postižená biologická tkáň začne zářit. Díky tomu je možné jasně vymezit jeho hranice. Při ozáření výkonnějším laserem dochází v buňkách ke specifické reakci [2]. Předpokládá se, že to produkuje singletový kyslík, který způsobuje buněčnou smrt. V tomto případě umírají pouze patologické buňky. Tento účinek se nevztahuje na okolní zdravou tkáň.

V závislosti na úrovni světelné energie ovlivňující biologický organismus lze podmíněně rozlišit několik reakcí:

denaturace proteinu (nejslabší reakce při zahřátí na 40 °C a více);

koagulace (při zahřátí na 68 ° C);

odpařování (při zahřátí na 100 ° C);

karbonizace (při výrazné teplotě 120 °C).

Denaturace bílkovin je vratná reakce. Protein se obnoví, jakmile fototermální stimul ustane. Zbývající procesy jsou nevratné a způsobují destruktivní změny vlastností biologické tkáně.

Reakce na nízkoenergetické laserové záření, které způsobuje denaturaci bílkovin, se nazývá fotobioaktivace. V tomto případě je postižené místo ozářeno laserovým zářením o síle miliwattů. Změna teploty v zóně ozařování je nevýznamná (na úrovni 1 °C). Reakcí na takový efekt je: snížení bolesti, zlepšení přežití transplantátů a laloků a zrychlené hojení ran) [3].

Koncept denaturace bílkovin

Veškerá pojivová tkáň v těle je tvořena kolagenem. Kolagen je komplexní proteinová látka skládající se převážně z trojitého peptidového řetězce X-helix. Řetězce se proplétají a spojují s jinými řetězci pomocí vodíkových vazeb, které jsou citlivé na teplo. Při teplotách nad 40 °C dochází k destrukci kolagenu a jednotlivých fibrilových vazeb. Kolagen denaturuje nebo taje zpět do své původní želatinové formy. Navíc v této fázi jsou některé spoje zachovány a přítomny vedle částečně zničených. Když teplota klesne pod 40 °C, tyto vazby se znovu spojí, ale ne nutně se svým předchozím partnerem. Proto může být pozorována určitá reorganizace matrice kolagenových vláken.

Při teplotách nad 55 °C dochází k degradaci bílkovin. Vyznačuje se tím, že všechny zbývající životaschopné vodíkové vazby jsou zničeny během denaturace. Současně dochází ke kolapsu celé struktury matrice. Hlavní tekutina přerušených vazeb se infiltruje do jednotlivých svazků vláken. Když teplota klesne, matrice není zcela obnovena. Dochází k poškození buněk a pozorují se fotodestruktivní změny.

Při teplotách nad 63°C dochází ke srážení. Normální nerovnoměrná struktura buněčné hmoty a kolagenové matrice zmizí. Místo toho se objeví hladká, hustá hmota. Změny se nacházejí v epidermálních a dermálních buňkách jader.

Při teplotách nad 90 °C se mezibuněčná a intracelulární tekutina začíná vařit. Tvoří se malé bublinky.

Při 100 °C se kapalina okamžitě odpaří. Pod vlivem páry v tkáni se v ní prudce zvyšuje tlak. Doslova exploduje a rozptýlí se. V tomto případě jsou částice tkaniny vystřikovány spolu s párou) [4].

Během odpařování se teplo přenáší do blízkých tkání, což způsobuje koagulační nekrózu v blízkých tkáních a denaturaci ve vzdálenějších tkáních.

Pokud je teplota vyšší než 120 °C, je pozorován proces karbonizace – zuhelnatění tkání.

V biologii se za platný považuje Arndt-Schulzův zákon, který říká následující: v biologickém systému slabé podněty vyvolávají silné reakce, střední podněty střední reakce, středně silné podněty systém mírně zpomalí a velmi silné podněty jej zcela zastaví. Na základě toho se volí míra dopadu na biologickou tkáň.

Fyzikální jevy při laserovém ozařování biologického organismu lze vysvětlit následovně. Podle druhého zákona fotobiologie, který se nazývá Einstein-Starkův zákon, každý absorbovaný foton tvoří excitovanou částici, jako je atom, molekula nebo volný radikál. Excitace je primární reakcí na expozici laseru. Návrat do původního stavu může nastat různými způsoby. Energie může být rozptýlena jako teplo bez jakékoli fotochemické reakce. Tento jev se využívá u laserových zařízení, která odpařují biologickou tkáň nebo provádějí koagulaci) [5].

Energie může být rozptýlena ve formě zpětné záře s delší vlnovou délkou.

Kromě toho může být energie přenesena na sousední nevybuzené částice, což způsobí jejich reakci, která je v podstatě fotodynamická. Fotoprodukty mohou také vznikat jako výsledek sekundárních reakcí.

Proto se má za to, že poté, co laserový paprsek dopadne na biologickou tkáň a dojde k primární reakci, následuje sekundární systémová reakce, která může být fototermická (využívá se při odpařování nebo koagulaci), fotoelektrická, fotomagnetická, fotodynamická nebo fotochemická [6].

Vzhledem k tomu, že tělo je jeden celek, účinek nárazu trvá velmi dlouho po jeho skončení. Po laserové operaci reakce těla pokračuje dny, týdny a dokonce měsíce. Tato komplexnost a komplexnost laserové medicíny ji činí velmi zajímavou pro výzkum a vývoj nových technologií.