Механизмы противовоспалительного, иммуномодулирующего, ранозаживляющего и нормализующего обмен веществ действия света прибора Биоптрон
СтатьиОпубликовано в журнале:
Материалы научно-практической конференции "Новые направления в использовании светотерапии БИОПТРОН"
Москва-Екатеринбург. Апрель 2003.
К.А.Самойлова доктор биологических наук, профессор
Институт цитологии Российской Академии наук, г.Санкт-Петербург, Россия
Основные системные и клеточные механизмы терапевтического действия видимого и инфракрасного света. Почти 20-летний международный опыт клинического применения полихроматического видимого и инфракрасного поляризованного (ВИП) света прибора "Биоптрон" свидетельствует о его эффективности при заболеваниях самого различного этиопатогенеза. В значительной степени это связано с тем, что ВИП свет индуцирует в организме широкий спектр положительных функциональных сдвигов, которые проявляются в его противовоспалительном, иммуномодулирующем, ранозаживляющем, анальгетическом и нормализующим обмен веществ действии.
Цель наших исследований, начатых в 1998 г. состояла в том, чтобы дать теоретическое и экспериментальное обоснование механизмов, с помощью которых облучение небольших участков поверхности тела человека ВИП светом приводит к формированию совокупности этих весьма сложных по своей природе эффектов.
Наш проект базировался на способности видимого и инфракрасного (ИК) света достаточно глубоко проникать в поверхностные отделы кожи и вызывать структурно-функциональные изменения крови в густой сети периферических микрососудов, где скорость циркуляции невысока, и кровь может получить эффективную дозу света. Доказательством того, что при облучении видимым светом кожных покровов действительно происходит фотомодификация крови, является использование излучения видимого диапазона для лечения гипербилирубинемии (желтухи) новорожденных: превращая токсический билирубин плазмы крови в нетоксический, свет способствует его быстрому выведению из организма.
Что касается функциональных последствий фотомодификации крови, то они уже более 20 лет известны отечественным клиницистам, благодаря широкому применению при лечении различных заболеваний разработанных в нашей стране методов внутрисосудистого и экстракорпорального облучения собственной крови пациента лазерным видимым и нелазерным УФ светом. Этот опыт убедительно свидетельствует о том, что, воздействуя светом только на кровь, можно успешно лечить воспалительные, инфекционные, сердечно-сосудистые, кожные заболевания, стимулировать регенерацию длительно незаживающих ран и язв, нормализовать обмен веществ, вызывать анальгетический эффект. Хотя методы фотомодификации крови используются, как правило, в комплексе со стандартным лечением, в ряде случаев они эффективны и как монотерапия. По нашему мнению, терапевтическая эффективность транскутанного облучения крови полихроматическим светом прибора "Биоптрон" должна быть достаточно высока, поскольку его спектральный диапазон - 480-3400 нм - воспроизводит доминирующие на Земле виды Солнечной радиации - видимое и ИК излучение, под действием которого в процессе эволюции организм человека и животных мог выработать, подобно растениям, специализированные механизмы поглощения и утилизации лучистой энергии. В этой связи обращает на себя внимание тот факт, что клетки и плазма крови млекопитающих, помимо гемоглобина, содержат большое количество окрашенных молекул, поглощающих в видимой и ИК областях спектра и способных поэтому выступать в роли первичных акцепторов света (согласно первому закону фотохимии, только поглощенный квант света может быть эффективным). Среди таких акцепторов - ферменты, участвующие в дыхании клеток и в антиоксидантной (антиокислительной) защите компонентов крови, а также ряд других биомолекул.
В самые последние годы важнейшая роль в стимулирующем действии оптического излучения на клетки и ткани отводится двум поглощающим свет ферментным комплексам, обладающим свойствами оксидантов - никотин-аденин-динуклеотид-фосфат-оксидазе (НАДФ-оксидазе) и нуклеотидсодержащему биоптерофлавопротеиду - NO-синтазе. При действии видимого и ИК света эти ферменты, локализованные в клеточной мембране, активируются, и, используя окружающий кислород, продуцируют его активные формы (АФК) - супероксиданион, перекись водорода, гидроксильный радикал и окись азота (NO). Именно эти высокореакционные молекулы проводят световой сигнал от поверхности облученной клетки к ее ядру, воздействуя на специализированные внутриклеточные механизмы проведения активационного сигнала (фосфорилирование белков, состояние кальциевых каналов, содержание в клетке кальция и др.). Вызывая образование клетками высокоактивных посредников, свет активирует их многие функции - рост, пролиферацию, синтез белков, секрецию медиаторов, фагоцитоз, хемотаксис и т.п. Способность АФК и особенно NO к диффузии позволяет им осуществлять межклеточное взаимодействие и таким образом вовлекать в реакцию на световое воздействие целые сообщества клеток.
Ферменты, ответственные за образование АФК и NO, как и сами посредники, обнаружены у подавляющего большинства клеток и тканей, в том числе во всех типах лейкоцитов, тромбоцитах, эндотелиальных и гладкомышечных клетках кровеносных сосудов. Роль этих медиаторов в биостимулирующем действии света в настоящее время интенсивно исследуется. Уже установлено, что образование в системной циркуляции оксида азота - NO, составляет важнейший механизм таких эффектов видимого и ИК света как расширение кровеносных сосудов и дезагрегация тромбоцитов, без которых фототерапия едва ли могла быть высокоэффективной.
Быстрые изменения крови человека после ее облучения ВИП светом in vivo (транскутанно) и in vitro. Облучив ВИП светом в терапевтической дозе (5 мин, 12 Дж/см2) около 500 добровольцев (участок крестцовой области диаметром 15 см), мы смогли выявить, в сравнении с контрольной (плацебо) группой, широчайший спектр структурно-функциональных изменений клеток и плазмы крови (таблица). Обращает на себя внимание тот факт, что изменения развиваются практически немедленно: они регистрируются уже через 30-60 мин после облучения и затрагивают все типы клеток и многие компоненты плазмы крови. Как доказательство участия в этих изменениях активных форм кислорода и проявления их оксидантных свойств, в мембранах эритроцитов (Эц) изменяется уровень перекисей липидов. Изменение структурного состояния мембран влечет за собой увеличение на поверхности Эц экспрессии мембранных рецепторов и увеличения их лиганд-связывающей активности. Это - косвенное свидетельство возрастания транспортной функции Эц. Одновременно повышается степень насыщения гемоглобина кислородом, увеличивается деформируемость Эц, снижается их вязкость. Эти изменения вместе с эффектом внутрисосудистой дезагрегации тромбоцитов и повышением активности антикоагулянтов плазмы способствуют нормализации реологических параметров крови (ее текучести), что немедленно проявляется в улучшении кровотока в системе микрососудов. Следствием оптимизации микроциркуляции крови является снижение отека тканей, эвакуация токсинов, улучшение трофики (питания) и газового режима в тканях.
Наши результаты свидетельствуют также о том, что облучение поверхности тела ВИП-светом сопровождается быстрыми структурно-функциональными изменениями и активацией всех типов лейкоцитов - фагоцитирующих клеток, натуральных киллеров, лимфоцитов (таблица). Как известно, именно они защищают организм от инфекции и сдерживают развитие злокачественных новообразований. Секретируя большое разнообразие активных растворимых факторов (прежде всего цитокинов и ростовых факторов), лейкоциты участвуют в процессах воспаления, регенерации и осуществляют в организме взаимодействие всех систем поддержания гомеостаза - нервной, эндокринной, иммунной, гемостатической и др.
Как уже указывалось, свет модифицирует структурно-функциональное состояние компонентов плазмы (см.табл.). При этом быстрое изменение соотношения про- и противовоспалительных цитокинов, повышение уровня ростовых факторов, снижение содержания глюкозы, изменение количества атерогенных и антиатерогенных липидов плазмы может быть следствием окисления важнейшего транспортного белка крови α-2-макроглобулина, образовавшимися при действии света активными формами кислорода. Дело в том, что этот высокомолекулярный белок плазмы образует комплексы с цитокинами, ростовыми факторами, протеолитическими ферментами, инсулином и ключевым энзимом катаболизма липидов - липопротеинлипазой, осуществляя таким образом транспорт этих молекул в организме. При некоторых воздействиях и, прежде всего при окислении, прочность связей в этом комплексе модифицируется, в результате чего происходит освобождение одних белково-пептидных молекул и связывание других.
Важный вклад в терапевтическое действие ВИП-света может вносить повышение фибринолитической активности плазмы крови: возрастание активности антитромбина и уровня тканевого активатора плазминогена.
Чтобы выяснить, в какой степени изменения циркулирующей крови связаны с ее транскутанной фотомодификацией, параллельно с облучением добровольцев проводили облучение образцов их крови in vitro (в чашках Петри), уменьшив, однако, в 5 раз дозу света. Как видно в Таблице, при прямом воздействии света на кровь в ней индуцируются те же эффекты, что и при облучении кожных покровов. Поскольку, облучая небольшой участок поверхности тела, мы можем вызвать фотомодификацию весьма ограниченного количества циркулирующей крови, следовало выяснить, каким образом эффекты, вызванные светом в малом объеме крови, трансформируются в изменения всего ее циркулирующего пула. С этой целью в каждом опыте облученную in vitro кровь смешивали с гораздо большим (десятикратным) объемом необлученной аутологичной крови, моделируя таким образом события в сосудистом русле, когда транскутанно фотомодифицированная кровь смешивается с основным ее объемом. Выяснилось, что несмотря на десятикратное разведение, облученная кровь не только не утрачивает своей активности (см.табл.), но в целом ряде случаев даже превосходит ее. Отсюда следует, что облученная кровь способна немедленно "транслировать" необлученной вызванные светом изменения, и, таким образом, очень быстро изменять состояние всего ее циркулирующего объема. Можно предположить, что основу феномена "трансляции" эффектов света составляет индуцированный им каскад АФК-индуцированных изменений клеток и компонентов плазмы крови.
Следует подчеркнуть, что действие света и модифицированной им крови носит выраженный регулирующий характер: возрастают только исходно низкие показатели, а снижаются или не меняются, соответственно, исходно высокие или близкие к норме.
Эффект курсового облучения: механизмы противовоспалительного и иммуномодулирующего действия ВИП света.
Нами изучены не только немедленные изменения крови после однократного облучения добровольцев, но и эффекты 5-10 ежедневных фототерапевтических процедур. Как правило, активирующее влияние света на иммунокомпетентные клетки крови, регистрируемое после 1-го облучения добровольцев, отмечается и в течение всего фототерапевтического курса. Следует, однако, отметить, что из-за высокой исходной индивидуальной вариабельности иммунологических показателей, их изменения иногда носят прямо противоположный характер. Наряду с активирующим действием света наблюдается и его ингибирующее влияние. Среди наиболее важных иммунологических последствий курсового воздействия ВИП-света следует выделить следующее. После ежедневных 5-10 облучений на 14%-17% возрастает количество циркулирующих в крови мононуклеарных лейкоцитов - моноцитов и лимфоцитов. В контрольной группе, состоящей из необлученных добровольцев, у которых, как и у облученных, в течение 5-10-дневного курса проводился 4-5-кратный забор крови для исследований, такие изменения не выявлены. На этом основании можно предположить, что ежедневное облучение ВИП-светом стимулирует пролиферацию моноцитов и лимфоцитов. Существенно, что в случае ВИП-облучений меняется не только количественный, но и качественный состав этих клеток. Дело в том, что в рамках иммунной системы ее различные функции распределяются между популяциями и субпопуляциями мононуклеарных лейкоцитов. Выяснить, какие типы клеток и как быстро отвечают на воздействие ВИП-света, можно путем определения специфических, экспрессированных на клеточной поверхности, белковых молекул (CD-маркеров). Сравнивая их изменения в условиях in vivo и in vitro, мы смогли установить, что при исходно нормальном уровне CD-клеток растет (в среднем на 30%) количество моноцитов, натуральных киллеров, В-лимфоцитов и активированных мононуклеаров; при исходно сниженном уровне CD- клеток - увеличивается содержание общей фракции Т-лимфоцитов (на 23%) и особенно - цитотоксических (CD8+) Т-лимфоцитов (на 64%), в меньшей степени - Т-хелперов (CD4+) - на 32%. При исходно повышенном уровне некоторых субпопуляций лимфоцитов происходит его снижение (в первую очередь активированных мононуклеаров, Т-лимфоцитов и натуральных киллеров). Таким образом, фототерапия с использованием ВИП-света обладает выраженным регулирующим действием на иммуннокомпетентные клетки, что позволяет использовать ее как с целью стимуляции, так и подавления иммунных процессов.
Как следствие прямой фотоактивации В-лимфоцитов к концу курса в среднем на 26% возрастает содержание в циркулирующей крови продуцируемых ими двух классов иммуноглобулинов (Ig) - IgM и IgA. Одновременно быстро снижается уровень циркулирующих иммунных комплексов (в среднем на 30%); этот эффект наиболее выражен у лиц с их исходно высоким содержанием. Выявленные изменения гуморального иммунитета сохраняются по меньшей мере и через неделю после окончания фототерапевтического курса. Не затрагивая вопрос о механизмах этих эффектов, коснемся только их возможных последствий. Повышение вскоре после облучения уровня IgM , позволяет быстро нейтрализовать бактериальные антигены, в связи с чем ВИП-свет целесообразно использовать для коррекции первичного противоинфекционного иммунитета. Возрастание содержания IgA обосновывает возможность защиты слизистых. Клиницисты, использующие в лечебных целях видимое и ИК излучение от лазерных источников, подчеркивают его высокую эффективность при патологиях лор-органов и респираторного тракта, что, по всей вероятности, обусловлено возрастанием содержания IgA, причем не только в крови, но и в секретах слизистых .
Наиболее высокая степень фотостимуляции функционального состояния выявляется у фагоцитирующих клеток крови - моноцитов и гранулоцитов. По всей вероятности, это обусловлено тем, что среди иммунокомпетентных клеток крови они являются основными продуцентами АФК. Так, после 1-го облучения интегральный показатель фагоцитоза возрастает у отдельных добровольцев до 300% от исходных значений, в среднем - на 64%, а к концу 10-дневного курса - на 90%. Несколько слабее повышается фагоцитарная активность основной популяции лейкоцитов - нейтрофильных гранулоцитов. Следует учесть, что эти клетки остаются в циркуляции всего 6-8 ч., а моноциты - до 48 ч., после чего они мигрируют в ткани, прежде всего в поврежденные, чтобы принять участие в развивающемся воспалительном процессе. На смену им из костного мозга в кровь поступают вновь образованные клетки. В условиях ВИП-курса будут активироваться и те, и другие, что несомненно повлияет как на исход воспаления, так и на развитие специфического иммунного ответа.
Исследуя фагоцитарную функцию лейкоцитов, мы попытались выяснить роль поляризации света. С этой целью добровольцев и образцы их крови облучали поляризованным и неполяризованным светом одинакового спектрального состава в одинаковой дозе (12.0 Дж/см2 и 11.8 Дж/см2, соответственно.). Возрастание показателей фагоцитоза достигало максимальных значений через 0.5 ч после облучения поляризованным светом и через 24 ч - после облучения неполяризованным. Величина эффектов в конечном счете оказывалась сходной, причем не только in vivo, но и in vitro. В обоих случаях эффект света транслировался облученной кровью и носил выраженный регулирующий характер. Тем не менее, несмотря на сходство этих изменений, нельзя исключить того, что различия в скорости развивающихся изменений (кстати, обнаруженные и по ряду других показателей) могут повлиять на конечный эффект ежедневных (курсовых) воздействий света.
Важнейшую роль в скорости и исходе воспалительного процесса играют продуцируемые различными лейкоцитами активные растворимые факторы белково-пептидной природы - цитокины. Их основное назначение - регуляция различных функций иммунокомпетентных клеток. Провоспалительные цитокины обеспечивают мобилизацию и активацию клеток воспаления, а противовоспалительные цитокины ограничивают этот процесс. Ряд цитокинов регулирует клеточный и гуморальный иммунный ответ, а некоторые из них сами обладают эффекторным действием (противовирусным, цитотоксическим). Некоторые из них контролируют пролиферацию различных клеток и принимают участие в регенерации тканей.
Нами показано очень быстрое, регистрируемое уже через 30 мин после 1-го облучения ВИП-светом, "исчезновение" из циркулирующей крови провоспалительных цитокинов - фактора некроза опухолей (ФНО-α), интерлейкинов - ИЛ-6, ИЛ-2, ИЛ-12. Так, при исходно повышенном содержании ФНО-α оно падает в 30 раз, ИЛ-8 - в 4-6 раз, ИЛ-2 - в 4-10 раз и ИЛ-12 - в 12 раз (к концу курса). Одновременно возрастает содержание в плазме крови противовоспалительных цитокинов - ИЛ-10 и транформирующего фактора роста - ТФР- (31. Особенностью фототерапии, проводимой с использованием ВИП-света, является быстрое 6-кратное увеличение в крови важнейшего иммуномодулятора - интерферона γ (ИФН-γ), причем даже при его исходно нормальном уровне. Важнейшей функцией этого цитокина является активация клеточного иммунитета (функционального состояния моноцитов, макрофагов, естественных киллеров и цитотоксических Т-лимфоцитов), что прежде всего повышает противовирусную и противоопухолевую резистентность организма.
Опыты с ВИП-облучением крови in vitro дают основание связывать все описанные выше эффекты с прямым действием света на кровь. Во всех вариантах опытов свет не просто стимулирует, а регулирует содержание цитокинов.
Эффект курсового облучения: механизмы ранозаживляющего действия ВИП-света. Помимо уже обсуждавшихся эффектов ВИП-света (улучшения реологических и гемостатических свойств крови, активации кровотока в микрососудах с восстановлением трофики и газообмена в тканях, быстрой элиминации факторов воспаления, стимуляции фагоцитирующих клеток и др.), огромное значение для активного ранозаживления имеет обеспечение клеток регенерирующей ткани специфическими активаторами их роста и пролиферации - ростовыми факторами. Лишь незначительное количество таких факторов синтезируется самими клетками этих тканей, основное количество продуцируется тромбоцитами и лейкоцитами крови и с помощью белков плазмы транспортируется в организме. В силу различных причин содержание ростовых факторов в системной циркуляции может уменьшаться, что влечет за собой снижение ростостимулирующей (РС) активности плазмы для различных клеток. В связи с этим представляло интерес выяснить, изменяется ли при воздействии ВИП-света уровень ростовых факторов в плазме крови и каким образом меняется ее ростостимулирующая (РС) активность в отношении основных клеток кожи и сосудов (кератиноцитов, фибробластов и эндотелиоцитов).
К настоящему времени сотрудниками нашей лаборатории выявлено кратковременное повышение в плазме крови количества тромбоцитарного фактора роста, стимулирующего пролиферацию фибробластов и эндотелиальных клеток в среднем на 28% при его исходно нормальном уровне, а также ТФР- (31 (в среднем на 40% при исходно сниженном содержании). Этот цитокин усиливает рост фибробластов и синтез коллагена, но угнетает деление кератиноцитов.
Если исследования влияния ВИП-света на содержание в крови ростовых факторов только начаты в нашей лаборатории, то анализ изменений РС потенций крови для различных клеток человека уже в значительной степени завершен. Нами показано практически немедленное возрастание РС активности плазмы для клеток кожи (кератиноцитов) и эндотелиальных клеток (в среднем на 25%), а также для фибробластов (на 10-15%). Эти эффекты регистрируются на протяжении 10-дневного курса ВИП-терапии, а также после облучения крови in vitro. Как и многие другие эффекты, эти изменения в значительной степени определяются исходным уровнем РС активности крови: ее возрастание возможно только при исходно сниженных показателях. Эта закономерность проявляется и в отношении раковых клеток, которые, как известно, делятся гораздо интенсивнее нормальных. Согласно нашим наблюдениям, образцы плазмы крови, усиливающие пролиферацию кератиноцитов и фибробластов, не способны стимулировать деление малигнизированных клеток.
Кроме того, нами обнаружено, что ВИП-свет значительно сильнее повышает способность плазмы крови стимулировать пролиферацию эпителиальных клеток эпидермиса и эндотелия сосудов, чем клеток соединительной ткани - фибробластов. По нашему мнению, это различие обуславливает не только быструю грануляцию и эпителизацию ран, но и предотвращает гиперпродукцию клеток соединительной ткани - процесса, приводящего к образованию рубцов.
В целом, совокупность полученных нами результатов свидетельствует о том, что облучение ВИП-светом, вызывая большое разнообразие изменений клеток и плазмы крови, может способствовать профилактике и лечению многих заболеваний, а также гармоничному восстановлению поврежденной кожи.
