Воздействие оптоэлектронных устройств в синем диапазоне на организм человека. Обзор литературы

ЭФФЕКТЫ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СИНЕГО ДИАПАЗОНА

Нефармакологические методы лечения не являются новыми для клинической медицины и успешно применяются с давних времен. Воздействие физическими факторами (теплом, холодом, светом), а впоследствии и более сложными методами (электрический ток, магнитное поле) нашло широкое применение во многих сферах клинической практики. В последнее время разрабатываются способы воздействия оптическим излучением синего диапазона (ОИСД). Существует целый ряд исследований, посвященных изучению фотоакцепторов, медиаторов и сигнальных путей, участвующих в клеточно-специфических реакциях, наблюдаемых после воздействия ОИСД. Среди всех цветов спектра синий свет обладает выраженным обезболивающим действием, стимулирует защитные свойства организма, активирует деятельность кардиореспираторной системы [1]. ОИСД способно удлинять продолжительность и глубину сна. Оно ускоряет регенерацию тканей при ожогах, ранах, обладая антисептическим действием. Применение его в комплексном лечении инфекционно-аллергического миокардита повышает эффективность лечения, улучшая метаболизм миокарда, при этом фракция выброса возрастает на 15–20 %. ОИСД все более активно входит в арсенал немедикаментозных методов лечения [2][3].

Сеансы профилактической фототерапии синим светом способствуют активации функциональных резервов организма человека при адаптации к климатогеографическим факторам и напряженной физической деятельности [4][5].

Основные эффекты ОИСД: стимуляция синтеза энергии на клеточном уровне, снижение вязкости крови, увеличение скорости кровотока в магистральных сосудах и микроциркуляции, укрепление сосудистой стенки, регуляция метаболизма, регенерация, улучшение проводимости нервных импульсов, усиление доставки и утилизации кислорода тканями организма [6]. ОИСД снижает концентрацию глюкозы крови, что позволяет применять его у больных сахарным диабетом, особенно при поражении сосудов нижних конечностей. В хирургии ОИСД успешно используется при лечении инфицированных ран, варикозных и трофических язв, остеомиелита, туберкулеза костей и суставов. ОИСД оказывает положительный корригирующий эффект на реологические свойства крови [7]. Под влиянием ОИСД гемоглобин в эритроцитах переходит в более выгодное конформационное состояние и переносит больше кислорода [8]. Воздействие ОИСД способствует улучшению настроения и снятию тревоги [9]. В результате влияния ОИСД активные формы кислорода (АФК) высвобождаются и активируют сигнальные каскады, которые приводят к уменьшению воспалительной реакции тканей, при этом концентрация АФК увеличивается в 1,26 раза [10].

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

По своей функциональности применение оптоэлектронных устройств является наиболее эффективным в линейке приборов для контактного светодиодного излучения. Светодиод – это полупроводниковый прибор, создающий оптическое светодиодное излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. В настоящее время ламповые дорогостоящие источники света вытесняются дешевыми, но не менее эффективными светоизлучающими диодами – СИД (light-emitting diode, LED). Одними из первых светодиодных устройств были матричные светодиодные аппараты. Технология изготовления четырехкомпонентных сверхчистых полупроводниковых композиций на основе алюминия, индия, галлия и фосфора позволяет широкомасштабно создавать излучающие элементы с высоким коэффициентом полезного действия и запрограммированным спектром излучения. Современные суперлюминесцентные СИД являются продуктами новейших нанотехнологий. Имея такой же как у терапевтических лазерных приборов уровень мощности монохроматического оптического излучения, СИД значительно дешевле, долговечнее (срок службы – около 50 тыс. часов), потребляют ничтожное количество электроэнергии, обладают более высокой устойчивостью к механическим воздействиям. СИД используют в фототерапевтических приборах нового поколения, в том числе в устройствах для одноразового применения как для стационарного, так и для автономного применения, обладающих направленными лечебными свойствами. СИД оставались чрезвычайно дорогими до 1970 г. – 200 $ за штуку. В 1971 г. Исама Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура изобрели технологию изготовления дешевого синего светодиода, за что им была присуждена Нобелевская премия по физике в 2014 г. В середине 1970-х годов в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН группой ученых под руководством Жореса Ивановича Алферова были получены новые материалы – полупроводниковые гетероструктуры, в настоящее время применяемые для создания сверхъярких СИД и полупроводниковых лазеров. Открытие было удостоено Нобелевской премии в 2000 г. [11]. В настоящее время выпускаются СИД российского производства полного спектра оптического излучения (рис. 1).

ФОТОТЕРАПИЯ И ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Фототерапия – это клиническое применение света в качестве лечения [12]. В настоящее время известны эффекты этого метода: расширение коронарных сосудов, нормализация энергетического метаболизма клеток, противовоспалительное действие за счет торможения высвобождения гистамина и других медиаторов воспаления из тучных клеток, угнетение синтеза простагландинов, нормализация проницаемости капилляров, уменьшение отека и болевого синдрома, положительное влияние на процессы перекисного окисления липидов в сыворотке крови, нормализация липидного обмена [6]. Увеличение переноса кислорода повышает метаболизм тканей организма. Энергообразование в клетках увеличивается, улучшается микроциркуляция. Активируется обмен внутритканевой жидкости. Анальгезирующее действие основывается на активации метаболизма, повышении уровня эндорфинов. Развиваются ответные комплексные адаптационные нейрорефлекторные и нейрогуморальные реакции с активацией иммунной системы, повышается болевой порог восприятия нервных окончаний [13]. Перспективным является применение новых нефармакологических средств в анестезиологии на основе использования апробированных и зарекомендовавших себя схем общей анестезии [14]. Отмечается необходимость разработки и внедрения в практику методов безопиоидного или малоопиоидного обезболивания, а также популярного в настоящее время подхода «ускоренная хирургия» (“fast-track surgery”), или более современной концепции ускоренного восстановления ERAS (Enhanced Recovery After Surgery) [15].

Световое воздействие на акупунктурные точки влияет на различные рефлекторные и нейрогуморальные реакции организма и стимулирует функцию гипофиза. В Древнем Китае существовало учение, согласно которому организм человека существует благодаря некой жизненной энергии, которая перемещается по особым каналам в человеческом теле. Для обмена энергии важную роль играют некоторые биологические точки, которые связаны с каналами и располагаются по всему телу. Если на них осуществляется негативное воздействие, то они перестают нормально функционировать и энергия не поступает к органам, что и приводит к развитию заболеваний. Эта теория послужила толчком к созданию акупунктурного метода лечения. Впоследствии было установлено, что на точки можно воздействовать и иным способом. Так возникла квантовая фоторефлексотерапия. За десятилетия это направление обрело новую жизнь и в настоящее время активно внедряется в медицинскую практику. Энергия квантового излучения способна воздействовать на стволовые клетки. Последние начинают более активно мигрировать из костного мозга в кровь (их содержание увеличивается в 6–10 раз) и затем – в ткани, где они трансформируются в клетки поврежденного органа и тем самым участвуют в восстановлении его структуры [16][17].

СВЕТОДИОДНЫЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ФОТОТЕРАПИИ

В России разработана серия светодиодных аппаратов для фототерапии в области красного и синего диапазонов действия, не имеющих мировых аналогов. Их достоинствами являются функциональность, комфортность использования, возможность применения в любых условиях, небольшая стоимость. Светодиодная соска создана для профилактики и лечения ОРВИ детей от рождения до 4 лет. Браслет автономный светоизлучающий (БАСИ) в синем диапазоне действия предназначен для профилактики десинхронозов и повышения энергетики организма. БАСИ изготовлен с учетом того, что рецепторы к синему свету находятся на поверхности кожи человека, и при контактном воздействии будут практически полностью поглощать излучение света, исходящего из светодиодной матрицы, расположенной в ремешке браслета. Мощность – 41 мВт. Энергия, излучаемая БАСИ за один сеанс, составляет до 29,2 Дж (рис. 2). Применяется аппарат для контактного светодиодного облучения крови в синем диапазоне действия длиной волны 470 ± 10 нм «АФС» (рис. 3).

БИОЛОГИЧЕСКОЕ И КЛИНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СИНЕГО ДИАПАЗОНА

Синий свет поглощается флавинами, порфиринами и нитрозированными белками, расположенными внутри клетки. В результате АФК и оксид азота (NO) высвобождаются и активируют сигнальные каскады, которые приводят к зависимой от концентрации регуляции воспаления, пролиферации, дифференцировки и апоптоза. Поглощение синего света опсинами приводит к активации передачи сигналов, связанных с G-белком, и, как следствие, к вазорелаксации и барьерному гомеостазу [18]. Экспериментальные и клинические исследования доказали, что ОИСД улучшает микроциркуляцию [19]. Синий свет способствует регенерации тканей при ранах, ожогах [20]. Выявлено положительное воздействие ОИСД на психофизиологические характеристики спортсменов [21]. В настоящее время все больше используется контактное воздействие на организм. Установлено, что терапевтический эффект ОИСД при внутривенном облучении крови и контактном воздействии на организм пациента практически одинаков [22].

Согласно первому закону фотобиологии, энергия света должна поглощаться молекулярным фотоакцептором или эндогенным фотосенсибилизатором, чтобы оказывать влияние на биологическую систему. К числу фотоакцепторов относятся специализированные фоторецепторы, которые представляют собой интегрированные белково-хромофорные системы. Фотохимические реакции в них приводят к конформационным изменениям, которые запускают сигнальный каскад и, как следствие, клеточный ответ [23]. Что касается синего света, большинство фоторецепторов включают флавины. Они являются универсальными соединениями, участвуют в реакциях, инициируемых светом, поглощая излучение на пиковой длине волны 460 нм. Фотовозбуждение флавинов вызывает образование синглетных и триплетных состояний кислорода и высвобождение АФК [24]. В клетках разных типов существуют белки, содержащие флавин. Одним из них является криптохром, концентрация которого уменьшается при воздействии синего света. Он экспрессируется в клетках кожи. Кроме того, синтазы оксида азота (NOS), ферментативно продуцирующие NO, содержат флавин в качестве кофактора. Рибофлавин участвует в многочисленных окислительно-восстановительных реакциях как кофактор и связан с образованием свободных радикалов. Основное расположение этого фоторецептора идентифицировано в митохондриях. Синий свет увеличивает активность NOS, повышая ферментативное высвобождение NO [23]. Видимый свет поглощается фотоакцепторами в пигментированных и непигментированных клетках млекопитающих, активируя сигнальные каскады и нижестоящие механизмы, которые приводят к модуляции клеточных процессов [25]. Синий свет вызывает выделение NO и АФК из клеточных фоторецепторов, находящихся в митохондриях. NO высвобождается из нитрозированных белков, уменьшая воспалительные сигналы [26].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оптическое излучение синего диапазона действия является научно-обоснованным видом терапии. Метод лечения имеет высокую эффективность, небольшую стоимость при отсутствии побочных реакций и осложнений.