6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Эффективная_лазерная_терапия_Том_2_Эффективность_лазерной_терапии

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

плотность мощности 0,1 мВт/см2, экспозиция 10 с) повышает концентрацию Ca2+ в клетках буккального эпителия человека, максимум достигается через 5 мин после начала воздействия в цитоплазме, и больше всего в ядре клетки

[Пасюга В.Н. и др., 2013].

Косвенно в пользу предположения о первичном механизме БД НИЛИ в виде термодинамического запуска Ca2+-зависимых процессов также говорят исследования, в которых показана оптимальная экспозиция, совпадающая с полупериодом распространения волн повышенной концентрации ионов (табл. 1.3). Эта тема более подробно обсуждается в заключительной части книги, посвящённой биоритмам и хронобиологическим подходам в лазерной терапии.

Такимобразом, буквальновсёсвидетельствуетвпользунашеймоделипервичного механизма БД НИЛИ, объясняющей его запуском каскада вторичных Ca2+-зависимых процессов, опосредованно и абсолютно неспецифично, через

Таблица 1.3

Оптимальная экспозиция 100 или 300 с для достижения максимального результата БД НИЛИ

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Теоретические основы и общие положения

созданиетемпературногоградиента, активирующеговнутриклеточныедепо с последующим высвобождением ионов кальция из них.

Теперь, когда перед нами представлена достаточно полная картина механизмов БД НИЛИ, можно получить ответы на некоторые вопросы.

Например, чем объяснить энергозависимый с выраженным максимумом (двухфазный) характер лазериндуцированных эффектов? При увеличении ЭПрастётитемпературныйградиент, чтовызываетусилениевысвобождения ионов кальция из депо, но как только их концентрация в цитозоле начинает превышать некий критический уровень, включаются механизмы закачивания (возврата) их в депо, и эффект, связанный с активацией Ca2+-зависимых процессов, исчезает.

Почемувимпульсномрежимеэффектвыше, приЭП, в100–1000 разменьших, чем при непрерывном режиме работы лазера? Потому что время термодинамической релаксации макромолекул (10–12–10–13 с) значительно меньше длительностиимпульса(10–7 с), иоченькороткий, внашемпонимании, световой импульс мощностью в несколько ватт вызывает больший температурный градиент, чем непрерывное излучение в единицы милливатт.

Почему оптимальное время воздействия находится в диапазоне 100–300 с (2–5 мин)? Этополупериодраспространенияволнповышеннойконцентрации ионовкальция, исинхронизациейвнешнеговоздействиясполупериодомэтого процесса (100 с) достигается максимальный результат. Тема также подробно обсуждается в последней части книги.

Разработаннаянамимодельпозволяетнетолькообъяснитьужеимеющиеся факты, но и делать очень важные прогнозы о способах повышения эффективности лазерной терапии, прогнозировать результат влияния НИЛИ на физиологические процессы при изменении методики. Именно этому и посвящена вся книга, разъяснению того, какие параметры методик и как можно менять, чтобы максимально повысить эффективность лазерной терапии.

Таким образом, методы системного анализа позволили показать, что в биологических (терапевтических) эффектах НИЛИ в качестве первичного действующего фактора выступает термодинамический сдвиг (возникновение локального градиента температуры), приводящий к высвобождению Ca2+ из внутриклеточногодепоспоследующейактивациейCa2+-зависимыхбиохими- ческихифизиологическихпроцессов. Причёмнаправленностьэтихответных реакций может быть различна, что определяется ЭП и локализацией воздействия, а также исходным состоянием организма (клетки).

Индуцированное увеличение концентрации Ca2+ носит локальный, кратковременный и периодический характер [Авдонин П.В., Ткачук В.А., 1994]. В табл. 1.4 представлены результаты всего лишь небольшой части исследований, посвящённых возникновению колебаний концентрации Ca2+ в цитозоле. Обратим внимание на некоторые интересные закономерности. Наблюдается не просто большой разброс значений периодов между максимумами в зависимости от выбранной модели и действующего внешнего фактора, но два их

101

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Теоретические основы и общие положения

типа, «быстрый», с периодом около 5 с, и «медленный», с периодом около 100 с. Практически во всех исследованиях выявлено изменение периода колебаний при варьировании концентрацией действующего вещества, тогда как после освечивания НИЛИ период 100 с остаётся неизменным в широком диапазоне энергий. Это свидетельствует в пользу той версии, что процессы высвобожденияионов кальцияиз специфическихCa2+-связывающих центров и неспецифических внутриклеточных депо имеют существенные и принципиальные различия по своей кинетике.

Большая часть наблюдений показывает нестабильную периодичность волн Ca2+, зависящую от концентрации инициирующего процесс агента. По мнению A. Skupin с соавт. (2008), зарождение их с регулярным и стабильным режимом лишь случайность, поскольку сам процесс возникновения стохастический автоколебательный, чем объясняется апериодичность процесса в большинстве наблюдений. Однако при внимательном изучении результатов многочисленных исследований создаётся впечатление, что су-

ществуют генераторы как с неизменными (τconst = 1/fconst), так и с варьируемыми полупериодами (τvar = 1/fvar) постоянных колебаний распространения

волн. Первые, «стабильные» генераторы активизируются воздействием неспецифических внешних факторов, например, ЭМИ, второй тип специфически связан с агонистами различных рецепторов (самый известный IP3). Взаимодействием двух генераторов и определяется широкий спектр изменений, как в периодичности, так и в амплитуде волн, а итоговый полупериод является результатом сложения или вычитания (зависит от фазы колебаний) нескольких периодов.

Ti = 1/fconst ± 1/fvar1 ± 1/fvar2 ± …

Подгенераторомионовкальцияподразумеваетсяихдепоисистемавысво- бождения-закачки (насосы). В итоге может реализоваться любой вариант, от возникновения волны Ca2+ с постоянным полупериодом до многочастотной модуляции. Аналогичныевыводы, близкиекнашейпозиции, сделаныирядом других авторов [Haberichter T. et al., 2001].

Известны многочисленные попытки математического моделирования этого процесса, некоторые из них, безусловно, представляют интерес, например, в отношении промежуточного метаболизма [Иваницкий Г.Р. и др., 1978], но общую концепцию, объединяющую и объясняющую все известные закономерности, создать пока не удалось. Основная проблема заключается именно в том, что колебания концентрации Ca2+, даже в клетках одного типа, имеют существенно различающуюся и меняющуюся периодичность, а это может быть объяснено только разнообразием, как депо, из которого кальций выходит, так и механизмов его высвобождения (предположительно их два). Рассмотрим некоторые из этих моделей, а также собственную, разработанную для частного случая Ca2+-зависимого синтеза АТФ митохондриями.

103

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Математические модели колебания концентрации Ca2+

Разнымиавторами, втомчислеинами, былвыявленрядзакономерностей, характеризующих интенсивность высвобождения Са2+ из внутриклеточных депо под влиянием различных внешних факторов, и подчёркиваем особо – это могут быть самые различные электромагнитные поля, не только НИЛИ. В результате анализа многих фактов возникло предположение, позднее переросшее в полную уверенность, что необходимо шире взглянуть на проблему. Огромный эмпирический опыт и данные многочисленных исследований настоятельно требуют обобщения наблюдаемых закономерностей не только в виде общих постулатов (это нами сделано достаточно давно), но формализовать концепцию уже в более точной математической модели.

С каждым годом, всё детальнее изучая, казалось бы, частный случай лазериндуцированного термодинамического запуска Ca2+-зависимых процессов, мы убеждаемся, что имеем дело с универсальным и фундаментальным явлением, электромагнитным взаимодействием в биологических системах, определяющим не только рассматриваемый нами, но и многие другие механизмы физиологического регулирования. И речь идёт не только о клетках, эти принципы самоорганизации успешно реализуются и на более высоких уровнях живого.

Математическиеметоды в биологии и медицине используются достаточно активно, в том числе предложено множество математических моделей, описывающих различные физиологические процессы. В большинстве случаев признанныеииспользуемыевпрактическойработематематическиеформулы или система уравнений описывают конкретный биологический механизм. Тогда как обобщённые модели, предполагающие описание большого числа процессов биологического регулирования в их взаимодействии и взаимовлиянии, покаостаютсялишьинтересными, ноневостребованнымигипотезами. Мешают избыточно сложный и малопонятный математический аппарат, и самое главное, несоответствие результатов расчётов наблюдаемым на практике закономерностям. «Формулу жизни» вывести ещё никому не удалось вследствие очевидно исключительной сложности поставленной задачи. Однако, на наш взгляд, описать относительно простыми формулами один локальный физиологический процесс, который, скорее всего, окажется по принципу своего регулирования идентичным другим, вполне возможно.

Концентрация свободного цитоплазматического кальция регулируется не только трансмембранным переносом, но и в значительной степени его обратимым связыванием со специфическими группами ряда белков в цитоплазме. При этом процесс диссоциации имеет автокаталитический характер. Связывание кальция обусловливает его низкую, по сравнению с другими малыми ионами, диффузионную подвижность и вследствие этого возможность поддержания значительных градиентов в пределах клетки. В совокупности известныхфактов усматривается наличие в динамике кальция обратныхсвязей.

104

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Теоретические основы и общие положения

Продуктом этих связей может быть, в частности, и спонтанная электрическая поляризация клетки, а также более сложные пространственно-временные режимы автоволнового поведения, свойственные активным средам. Такие режимы проявляются в отдельных клетках и клеточных коллективах и играют существенную роль в организации развития многоклеточных организмов. В данной области физическая теория должна прояснить природу различных наблюдаемыхформмехано-химическойактивностиклеток, нопокаещёпредстоит сделать много больше, чем уже сделано [Белинцев Б.Н., 1991].

Вне всякого сомнения, колебания концентрации Ca2+ происходят в соответствиисосновнымипринципамигиперцикла, вкоторомналичиепервичного продукта, вторичногопродуктаикатализатораявляютсяобязательнымиусловиями возникновения колебательного процесса самоорганизации [Эйген М., Шустер П., 1982]. В этой системе внешнее влияние рассматривается исключительно как фактор, запускающий процесс автоколебаний с начальными условиями, либонезначительноменяющийпараметрысистемы(приотсутствии условия взаимодействия). Такой механизм вполне удовлетворительно позволяет объяснить наблюдающиеся закономерности относительно временных периодовколебанияCa2+ (табл. 1.3 и1.4), посколькусобственныйполупериод распространенияволн100 снеизменен, начальныеусловиясистемынезависят от внешнего действующего фактора.

Несколько иной подход лежит в основе известной модели магнитного параметрического резонанса [Леднёв В.В., 1996; Lednev W., 1991], в которой все процессы описываются через взаимодействие переменного магнитного поля, соответствующей поляризации колебаний Ca2+-осциллятора. Вводится понятие циклотронной частоты, нелинейно связанной с амплитудой магнитногополя. Эти теоретическиеработыимеютэкспериментальноеподтверждение, например, объясняют нелинейную зависимость эффекта (развитие Ca2+- зависимых процессов) от частоты модуляции и амплитуды действующего ЭМИ. Но исключительно для переменных и слабых (единицы и доли мкТл) магнитных полей. Как работает подобный механизм в постоянном магнитном поле или под действием НИЛИ, которое вообще не имеет, как известно, магнитной составляющей, непонятно. Вызывает вопросы и само требование к наличию цикличности, обязательного условия осуществления взаимодействия (в 4-й части книги этот вопрос рассмотрен подробнее). Но эмпирически показанныезакономерностиименнодлямагнитногополясверхнизкойиндукции наводят на мысль, что в данном случае описывается взаимодействие со специфически Ca2+-связывающими центрами.

Модель именно таких процессов предложена и описана G. Dupont и A. Goldbetter (1989, 1992), рассматриваются приток и отток кальция в клетку (рис. 1.27) через плазматическую мембрану (константы скоростей v1 и v2, соответственно); гормонально активируемое освобождение кальция из пула (скорость v3); активный транспорт цитозольного кальция в пул (v4), освобождение кальция из пула, активируемое цитозольным кальцием (v5); свободный

105

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Рис. 1.27. Схема процессов, приводящих к внутриклеточным колебаниям кальция, IP3 (инозитол1,4,5-трифосфат) – фермент, стимулирующий колебания концентрации кальция (Dupont G., Goldbeter A., 1989)

Рис. 1.28. Модель внутриклеточных колебаний кальция, кинетика концентрации кальция при различных константах (Dupont G., Goldbeter A., 1989)

106

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Теоретические основы и общие положения

отток кальция из пула в цитозоль (v6). Формализуется двумя дифференциальными уравнениями:

где S1 – концентрация кальция в цитозоле, S2 – концентрация кальция в гор- монально-чувствительном пуле.

Модель вполне уверенно предсказывает колебания концентрации кальция вовремени, поформе, близкокэкспериментальнымданным(рис. 1.28), многолетний опыт показал её состоятельность в отношении именно IP3-зависимого механизмарегулированияконцентрацииионовкальциявцитозоле[Dupont G., Combettes L., 1992, 2009; Dupont G. et al., 1990].

Математическая модель термодинамического запуска лазерным светом Ca2+-процессов

Задача оказывается не такой уж и сложной, если её рассматривать в рамках модели «чёрного ящика», свойства которого подлежат изучению. При изменении входного меняется и выходной сигнал, происходит это по закону, который задаётся внутренними свойствами «чёрного ящика», его функцией. Термин «чёрный ящик» подразумевает не только отвлечённость от процессов, происходящих внутри его (изучаем общие закономерности), но независимость, подчеркнём это, свойств самой системы от внешнего воздействия. Можно провести такую аналогию. Когда мы управляем автомобилем, то не задумываемся над происходящими внутри его процессами, не меняем принципработыдвигателяисистемыуправления, затознаем, чтопроизойдёт, если нажать на педаль или повернуть руль. Так и лазерный свет, не меняя структур

имеханизмов регулирования в живой клетке, позволяет влиять на активность

инаправленность биологических процессов. Понять общие закономерности управления биологической системой позволят НИЛИ, в данном случае как своего рода способ диагностики, «лазер-тест». По ответному сигналу системы можно изучить принципы её работы, знание которых необходимо, чтобы прогнозировать затем результат этого же воздействия, но уже с лечебными целями. Это наша основная задача.

Влияние внешнего действующего фактора на результат отклика живой клетки и есть базовая, основная функция, которую требуется формализовать. В нашем случае речь идёт о зависимости биологически значимого отклика (эффекта, выходного сигнала) от энергетических (в первую очередь) и других параметровлазерноговоздействия(входнойсигнал). Насамомделемыбудем исследоватьдветеснейшимобразомсвязанныедругсдругомзакономерности, первая из которых описывает эффективность работы системы при различной ЭП НИЛИ, вторая – процесс (зависимость от времени) распространения

107

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

волнповышеннойконцентрацииCa2+ врезультатевнешнеговоздействия. Это следствие высказанного нами ранее предположения о прямой связи между концентрациейионовкальциявцитозолеирезультатомБДНИЛИ. Еслитакой подход окажется верным, то подобная закономерность должна проявляться и

вматематической модели, например, в факте нелинейной зависимости ЭПэффекта от времени экспозиции и колебательных процессов с известными полупериодами. Сформулируем основные свойства функций.

Известная зависимость эффекта от ЭП НИЛИ характеризуется наличием одного максимума, что может быть объяснено только взаимодействием двух разнонаправленно действующих регулирующих механизмов. В этом смысле ничегоновогомыневидим, почтивсёвбиологическихсистемахконтролируетсячерезпериодическисменяющиесяпроцессыактивациииингибирования.

Внашемслучаеэторезультатработывнутриклеточныхгенераторов, товысво- бождающихврезультатекакого-либовоздействия(сигнала) кальцийиздепов «свободный доступ», то закачивающих назад избыток ионов. Такой механизм позволяет активизировать при необходимости Ca2+-зависимые процессы, но ограничивает верхний предел конечного результата. Теоретически кальция может высвободиться в сотни раз больше, чем это происходит на самом деле, существующий гигантский запас, но в норме происходит повышение концентрации ионов в 10–30 раз, не более.

Для анализа мы ограничиваем диапазон оптимальных энергетических па-

раметров входного сигнала (Uвх) одним порядком, т. е. при изменении ЭП (Uвх) в 10 раз от начального значения, эффект (конечный результат) успевает достичь максимума и опять снизиться до минимального значения. Фактически этот диапазон может быть значительно шире и уже в зависимости от свойств лазерного света и методики (см. другие части книги), для упрощения процесса моделирования мы выбрали самый простой вариант, непрерывный режим работы лазера.

Втораязависимость– волнообразноеизменениеконцентрацииCa2+ вовре-

мени [Alexandratou E. et al., 2002] (рис. 1.26), очевидно, описывает результат запускаавтономногостабильногогенератора, эффективностьработыкоторого (предельная концентрация высвобождаемых ионов кальция) регулируется внешним сигналом. Чем выше амплитуда волн концентрации ионов, тем значительнее конечный результат и эффективность воздействия НИЛИ.

Качественно опишем этот процесс в терминах выбранной нами модели исследования. После освечивания имеет место изменение выходного сигнала

ввидедвухмаксимумов. Имеетсябазовыйуровеньсигнала(постояннаявели-

чина, исходный уровень концентрации Ca2+) – U0. Внешний принципиальный вид функции в виде двух максимумов («двугорбый верблюд») не зависит от параметров входного сигнала, первый максимум наблюдается всегда и строго через 100 с, а второй через 300 с, полупериод 100 с – постоянная величина.

ВзависимостиотуровнявходногосигналаUвх меняетсяамплитудавыходного сигнала Uвых, т. е. максимумов Umax1 и Umax2, но сохраняются все пропорции.

108

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Теоретические основы и общие положения

Этот процесс вызывает постепенное увеличение сигнала, достижение максимума и дальнейшее снижение.

Уже достаточно давно H. Friedmann и R. Lubart (1996), объясняя закономерностиБДНИЛИ, высказалипредположение, чтоповышениеконцентрации Ca2+ в митохондриях действует разнонаправленно, не только стимулируется работа дыхательной цепи митохондрий, но при превышении определённого уровня концентрации ионов всё большая часть НАДФ·Н тратится на откачку избыточного кальция, что замедляет производство АТФ. При этом скорость откачкиявляетсянелинейнойфункциейотносительноконцентрацииCa2+. Есть латентный временной период, когда продукция АТФ, связанная с величиной редокс-потенциал митохондрий (∆Ψm), и активность ионного насоса или АТФазы, сбалансированы, затем происходит увеличение электрохимического градиентаCa2+, ускоряетсяпритокионов, возникаетвторойпикконцентрации Ca2+ в цитозоле и начинается новый цикл колебаний.

Имеютсяипрямыеэкспериментальныедоказательствасинхронизирующей роли энергозависимого митохондриального транспорта Ca2+ на амплитуду и скорость распространения концентрационных волн Ca2+ в цитоплазме живых клеток. Показано, что энергозависимый транспорт Ca2+, а также выброс Ca2+ в митохондриях является составной частью механизма усиления внутриклеточных Ca2+-сигналов, необходимого для генерации, поддержания и синхронизации распространяющихся волн свободного Ca2+ в цитоплазме клеток [Холмухамедов Э.Л., 2008].

Рассмотрим теоретическую модель функционирования механизма Ca2+- зависимой циклической системы активации митохондрий под влиянием внешнегодействующего фактора. Онапредставляетинтереспотойпростойпричине, что любые внутриклеточные процессы требуют энергетических затрат и напрямую связаны с наличием резерва энергии.

Конечно, интересно было бы рассмотреть модель шире, включить в неё и синтез белка, без которого не обходятся все остальные реакции на клеточном уровне (пролиферация и пр.). Но тогда придётся перейти на другой уровень временных периодов, что крайне затруднительно, поскольку, как известно, эти биологические процессы имеют околочасовую периодичность [Бродский В.Я., Нечаева Н.В., 1988]. Кроме того, рассмотрение только энергетического обеспечения без учёта других механизмов, влияющих на синтез белка, не только проще, но также оправдано с точки зрения возникающих трудностей в определении всех взаимодействующих факторов. Возможно, эта задача будет решена позже.

Формализуем модель «ЭП–Ca2+–∆Ψm–АТФ», для чего введём условные обозначения(рис. 1.29): Х – уровеньАТФ, Y – редокс-потенциалмитохондрий

(∆Ψm), Z – концентрацияCa2+, P – энергетическаяплотность, равная PSср t (1.1),

k1 … k5 – постоянные коэффициенты, определяемые справочными данными и в ходе теоретического эксперимента, Pср. – средняя мощность, S – площадь.

109