Effects of photodynamic and light-oxygen action at the ultrastructure of various leucocyte populations

Photodynamic and light-oxygen effects in biosystems are caused by molecular singlet oxygen production. The difference in their manifestations is associated, fi rst of all, with the place where singlet oxygen is generated in the microstructure of biological objects. Peculiarities of their effects determine area of their application. Objective. To fi nd out submicroscopic differences in leukocytes which are treated by laser light in the oxygen absorption band and under photodynamic effect (PDE). Materials and methods. Lympho-leuko mass was extracted from donor blood taken at a venipuncture using the standard procedure. Its 0.5 ml epiquots were irradiated in a quartz cuvette with 1 264 nm laser radiation (light-oxygen effect – LOE). The second series of samples was irradiated with 405 nm radiation (Soret band) in the presence of chlorine E6 photosensitizer (photodynamic effect – PDE). Various irradiation parameters were used. Leukocyte suspension was prepared for microscopy by the standard technique for blood cells. Semi-thin slices were examined with DLMB light binocular microscope having a digital camera and image analyzer made by the Leica fi rm. Ultra-thin sections were examined by transmission electron microscope Libra 120 (Karl Zeiss fi rm). Results. In large magnifi cation (600–1000) of the microscope, morphological changes in both granulocytes and agranulocytes were observed under different experimental regimes. When laser exposure is 1 264 nm and maximal exposure dosage – 90 J/cm2, changes in monocytes and lymphocytes look like a partial detachment of plasmalemma or its detachment from the main cytoplasm. In granulocytes, there are cytoplasma areas having no organelles what indicates that the impact was right at the redistribution of nuclei and other components of granulocyte cytoplasm. With irradiation dosage decreasing, changes in samples become less; it shows their dose-dependent character. If irradiation takes place in the Soret band with photosensitizer and exposure dose 100 J/cm2, changes observed in granulocytes show cytoplasmic vesiculation, while agranulocytes cells have a larger volume what indicates injuries to cell membranes and the onset of osmotic swelling. Conclusion. The data obtained in different cell populations under electron microscopy examination indicate different changes in nuclear-cytoplasmic relationships under different irradiation parameters. These differences predetermine more precise points for better practical application of LOE and PDE effects. At the same time, the obtained data can be prerequisite for future researches in this direction.

photodynamic effect, light-oxygen effect, low-level laser radiation, singlet oxygen, electron microscopy, blood cells

1. Амбарцумян Р.В., Елисеев П.Г., Еремеев Б.В. и др. Биологическое действие лазерного излучения на эритроциты в инфракрасной полосе поглощения молекулярного кислорода // Краткие сообщения по физике. – 1987. – № 10. – С. 35–37.

2. Алексеев Ю.В., Захаров С.Д., Иванов А.В. Фотодинамический и светокислородный эффекты: общность и различия // Лазерная медицина. – 2012. – № 16 (4). – С. 4–9.

3. Букин Г.В., Вольф Е.Б., Данилов В.П. и др. Структурные переходы межклеточного раствора, вызванные прямой фотогенерацией синглетного кислорода в суспензии эритроцитов // Краткие сообщения по физике ФИАН. – 1991. – № 1. – С. 18–24.

4. Данилов В.П., Захаров С.Д., Иванов А.В. и др. Фотодинамическое повреждение клеток в красной и ИК полосах поглощения эндогенного кислорода // Доклады АН СССР. – 1990. – Т. 311. – № 5. – С. 1255–1258.

5. Данилов В.П., Захаров С.Д., Иванов А.В. и др. Спектральноселективный фотодинамический эффект без экзогенных фотосенсибилизаторов и его возможные применения для фототерапии рака и биостимуляции // Известия АН СССР, серия Физика. – 1990. – № 8. – С. 1610–1620.

6. Демина О.М., Картелищев А.В. Динамика показателей клеточного, гуморального иммунитета и клеточных факторов роста у больных вульгарными угрями при фотодинамической терапии // Лазерная медицина. – 2011. – № 15 (4). – С. 12–17.

7. Захаров С.Д., Еремеев Б.В., Перов С.Н. Cравнение эффектов лазерного воздействия на длинах волн 1,26 и 0,63 мкм на эритроциты // Краткие сообщения по физике ФИАН. – 1989. – № 1. – С. 15–16.

8. Захаров С.Д., Иванов А.В. Светокислородный эффект в клетках и перспективы его применения в терапии опухолей // Квантовая электроника. – 1999. – Т. 29. – № 3. – С. 192–214.

9. Захаров С.Д., Иванов А.В., Вольф Е.Б. и др. Структурные перестройки в водной фазе клеточных суспензий и белковых растворов при светокислородном эффекте // Квантовая электроника. – 2003. – Т. 33. – С. 149–162.

10. Захаров С.Д., Иванов А.В., Корочкин И.М., Данилов В.П. Прямое возбуждение фотонами эндогенного молекулярного кислорода – фотофизический акт терапевтического действия лазерного излучения // Лазерная медицина. – 2006. – Т. 10. – Вып. 1. – С. 4–9.

11. Лихачева Е.В., Алексеев Ю.В., Мазур Е.М., Пономарев Г.В. Изучение эффективности сочетанного применения лекарственных композиций фотосенсибилизаторов с антибактериальными, антигистаминными и заживляющими препаратами при разных формах хронических ринитов и риносинусопатий // Лазерная медицина. – 2011. – № 15 (2). – С. 66–67.

12. Немцев И.З., Захаров С.Д., Лапшин В.П. и др. Обоснование применения гелий-неонового лазера в медицинской реабилитации больных с атрофиями // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 1992. – Т. 26. – № 2. – С. 57–62.

13. Николаева Е.В. Низкоинтенсивное лазерное и некогерентное излучение в лечении стрептостафилодермий и псориаза. Дис. … канд. мед. наук. – М., 2009. – C. 51–52.

14. Странадко Е.Ф., Рябов М.В., Фурлатова Н.М. и др. Исследование антибактериальной активности фотодинамической терапии с новым фотосенсибилизатором хлоринового ряда в эксперименте in vitro // Лазерная медицина. – 2002. – № 6 (1). – С. 44–47.

15. Странадко Е.Ф., Иванов А.В. Современное состояние проблемы фотодинамической терапии рака и неопухолевых заболеваний // Биофизика. – 2004. – Т. 49. – № 2. – С. 380–383.

16. Фиалкина С.В., Алексеев Ю.В., Коновалова Г.Н. и др. Подавление жизнеспособности клеток стафилококков лазерным лучом 1270 нм // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. – 2012. – № 5. – С. 70–73.

17. Фиалкина С.В., Бондаренко В.М., Алексеев Ю.В., Армичев А.В. Подавляющее действие лазерного облучения длиной волны 1270 нм на репликацию вирионов бактериофага // Лазерная медицина. – 2011. – № 15 (2). – С. 113.

18. Цыб А.Ф., Каплан М.А., Романко Ю.С. и др. Фотодинамическая терапия. – М.: Изд. МИА, 2009. – 212 с.

19. Armichev A.V., Ivanov A.V., Panasenko N.A. et al. Spectral Dependence of Erytrocyte Response of Low-Intensity Irradiation at 570–590 nm // Journal of Russian Laser Research. – 1995. – Vol. 16. – P. 186–188.

20. Babenko E.V., Eremeev B.V., Kapustina G.M. et al. Copper-vapor laser application for the identifi cation of primary photoreceptor by low level laser therapy of patients // J. Russian Laser Research. – 1995. – Vol. 16. – P. 181–185.

21. Brown S.B., Brown E.A., Walker I. The present and future role of photodynamic therapy in cancer treatment // Lancet. Oncol. – 2004. – Vol. 5. – P. 497–508.

22. Dougherty T.J., Gomer C.J., Henderson W. et al. Photodynamic Therapy // J. Nat. Cancer Inst. – 1998. – Vol. 90. – P. 889–905.

23. Ivanov A.V., Zakharov S.D., Mashalov A.A. The light-oxygen effect as the analogue of photodynamic effect and its possibility in tumor therapy // In Current Research on Laser Use in Oncology: 2000–2004, edited by Andrei V. Ivanov, Mishik A. Kazaryan, Proc. SPIE. – 2005. – Vol. 5973, 59730U 1–13.

24. Levy J.G. Photodynamic Therapy // Trends in Biotechnology. – 1995. – Vol. 13. – № 1 (132). – P. 14–18.

25. Zakharov S.D., Ivanov A.V. Light-Oxygen Effect as a Physical Mechanism for Activatio of Biosystems by Quasi-Monochromatic Light (A Review) // Biophysics. – 2005. – Vol. 50. – Suppl. 1. – P. S64–S85.

26. Zakharov S.D., Ivanov А.V. Changes in the aqueous phase of cell suspensions and protein solutions induced by a photoexcitation of the molecular oxygen (to mechanisms of biological action of low level laser radiation), In Current Research on Laser Use in Oncology: 2000–2004, edited by Andrei V. Ivanov, Mishik A. Kazaryan. Proc. SPIE. – 2005. – Vol. 5973, 5973OV 1-14.