Влияние низкоинтенсивного света на функциональное состояние внутренних органов при их альтерации БАВРИНА АННА ПЕТРОВНА

Введение к работе

Актуальность проблемы

В настоящее время в медицине все более широкое применение находит

воздействие на ткани и органы низкоинтенсивными электромагнитными излучениями. При этом многочисленные исследования по воздействию низкоинтенсивного света показывают, что данный тип излучения обладает способностью влиять на функциональное состояние тканей и органов, а также на организм в целом (Владимиров и др., 2004, Калинина и др., 2011; Кару, 2005, 2008; Кобзева, 2013; Лаврушина, Топурия, 2007, 2008; Миронова, Физюкова, Соломатина, 2014; Монич и др., 2010, 2011; Петрищев, Зубов, Дементьева, 2011, Странадко, 2012, Утц, Галкина, Райгородский, 2013; Buravlev et al., 2013; Fiksdal, Tryland I., 1999; Machneva et al., 2008). В литературе имеются сведения о влиянии низкоинтенсивного лазерного излучения на регенерацию тканей после их альтерации различными факторами (Букатый и др., 2007; Бурдули, Балаян, 2013; Жуков, Кукольникова, 2011; Кару, 1986, Мачнева и др., 2013; Сутягина и др., 2013; Tafur, Mills, 2008). В то же время, исследованию эффектов воздействия широкополосного низкоинтенсивного света уделено гораздо меньше внимания, хотя многими авторами показано отсутствие зависимости биологического эффекта от когерентности излучения (Барабаш и др., 1996; Монич, Шахов, Воробьев, 1994; Ульянов, Ульянова, 2010; Ernst, Fialka-Moser, 1993; Schuhfried, Korpan, Fialka-Moser, 2000). При этом известно, что стимулирующие эффекты лазерного излучения происходят только в узком интервале терапевтических доз, при высоких отмечается гиперактивация, при сверхвысоких – ингибиция функций органов и тканей (Гуляр, 1999; Зверева, Грунина, 1996; Кондратьев, Михайлова, Петрищев, 2013; Петрищев, Янтарева, Фокин, 2005; Послов, 2002; Элькина и др., 1990; Ernst, Fialka-Moser, 1993). Не изученными остаются особенности эффектов воздействия низкоинтенсивного широкополосного света на процессы восстановления физиологических функций тканей и органов после гипоксии, обусловленной наложением асфиксии и облучения высокоинтенсивным лазерным излучением. Гипоксия, ишемия и такие физические факторы, как ионизирующее и высокоинтенсивное неионизирующее излучения способны вызвать

патологические изменения в облучаемых органах и тканях, обусловленные

накоплением активных форм кислорода, ингибированием ферментативной антиоксидантной системы и, как результат, оксидативным стрессом. Одними из ключевых механизмов фотобиологического действия низкоинтенсивного света является фотомодификация активности ферментов, в том числе, антиоксидантных, и фотодиссоциация нитрозильных комплексов (Владимиров и др., 2004, Кару, 1999), что приводит к снижению содержания продуктов свободнорадикального окисления в исследуемых тканях. Поэтому изучение содержания продуктов свободнорадикального окисления в изучаемых объектах может послужить универсальным методом исследования степени альтерации и восстановления тканей и органов, а также организма в целом.

Вместе с тем, исследована роль не всех звеньев ферментативная регуляции окислительных процессов в развитии каскада фотохимических процессов. Интерес представляет изучение возможности модификации активности фермента глутатион-s-трансферазы (ГST). Не раскрытой представляется также картина морфологических альтераций происходящих в клетках мышечных тканей при развитии оксидативного стресса и в ходе компенсации его последствий.

Цель исследования: изучение и сравнительная оценка действия низкоинтенсивного широкополосного света красного диапазона на оксидативные процессы в тканях крыс, активность фермента ГST и ультраструктуру клеток мышечных тканей после их альтерации различными физическими факторами (гамма-излучением, лазерным излучением красного и инфракрасного диапазона высокой мощности) и наложением асфиксии.

Задачи исследования:

1. Определить изменение активности ГSТ в сыворотке крови крыс, вызванное воздействием высокоинтенсивным ионизирующим и неионизирующим излучением, а также влиянием гипоксии и последующим облучением низкоинтенсивным широкополосным красным светом.

2. Исследовать влияние высокоинтенсивного лазерного излучения красного и

инфракрасного диапазонов на микроструктуру и функциональное состояние

поперечнополосатой скелетной мышцы и мышцы сердца и выявить особенности

альтераций внутренних органов, вызываемых электромагнитными излучениями

этих диапазонов.

3. Изучить возможность компенсации альтераций микроструктуры и функционального состояния поперечнополосатой скелетной мышцы и мышцы сердца, вызванных ионизирующей радиацией, высокоинтенсивным лазерным излучением красного и инфракрасного диапазонов и наложением асфиксии с помощью локального воздействия на соответствующие органы и ткани низкоинтенсивным широкополосным красным светом.

4. Изучить влияние низкоинтенсивного широкополосного красного света на процессы окислительной модификации белков (ОМБ) в мышечной, сердечной и легочной тканях, а также в сыворотке крови крыс после облучения ионизирующей радиацией, высокоинтенсивным лазерным светом и наложения асфиксии.

5. Изучить влияние низкоинтенсивного широкополосного красного света на процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) в мышечной, сердечной и легочной тканях, а также в сыворотке крови крыс после воздействия на организм крыс вышеперечисленными факторами.

6. Изучить влияние низкоинтенсивного широкополосного красного света на

электрическую активность сердца крыс после воздействия на проекционную

область сердца ионизирующей радиацией и наложения асфиксии.

Научная новизна. Изучено влияние низкоинтенсивного широкополосного

электромагнитного излучения видимого диапазона на функциональное состояние

тканей, органов и организма в целом после альтерации различными физическими

факторами. Установлено, что широкополосный красный свет повышает

активность антиоксидантной системы, в частности активность ГST в сыворотке

крови животных, подвергшихся облучению ионизирующей радиацией, лазерным

излучением высокой мощности и наложению асфиксии. Проведено исследование

процессов свободнорадикального окисления (ОМБ и ПОЛ) и активности ГSТ в

различных тканях крыс при развитии поражений, вызванных ионизирующей

радиацией, високоинтенсивным лазерным излучением красного и инфракрасного

спектра и наложением асфиксии. Выявлено сходство и различие действия

лазерного излучения высокой мощности красного и инфракрасного диапазона на

процессы свободнорадикального окисления и активность ГSТ в тканях

лабораторных животных и дана сравнительная характеристика. Показано

корректирующее влияние широкополосного красного света на скорость

образования промежуточных продуктов и накопления конечных продуктов ОМБ в

сердечной и легочной тканях, а также сыворотке крови крыс при развитии

радиационно-индуцированной болезни сердца и при коррекции последствий

асфиксии. Выявлено восстанавливающее действие низкоинтенсивного

электромагнитного излучения видимого диапазона на содержание продуктов ПОЛ

в сердечной и легочной тканях, а также сыворотке крови крыс при развитии

лучевого поражения сердца и после наложения асфиксии. Показана нормализация

содержания промежуточных и конечных продуктов свободнорадикального

окисления (ОМБ и ПОЛ) в мышечной ткани крыс, подвергшихся облучению

гамма-излучением и высокоинтенсивным лазерным излучением красного и

инфракрасного диапазона под действием низкоинтенсивного широкополосного

света. Исследованы эффекты воздействия низкоинтенсивного широкополосного

электромагнитного излучения видимого диапазона на ультраструктуру скелетной

и сердечной мышечной ткани крыс при коррекции нарушений, вызванных

ионизирующей радиацией и лазерным излучением высокой мощности.

Воздействие низкоинтенсивным красным светом способствовало восстановлению

сократительной функции скелетной мышцы и миокарда, предотвращению

деструкции митохондрий и дилатации саркомеров. Выявлено, что облучение

проекционной зоны сердца широкополосным красным светом может

компенсировать патологические изменения характеристик сердечной

деятельности и крыс, подвергавшихся воздействию гамма-излучением и

наложению асфиксии.

Теоретическая и практическая значимость работы. Работа выполнена в

соответствии с плановым НИР кафедры медицинской физики и информатики

НижГМА. Исследование является фундаментальным теоретическим

исследованием с перспективным практическим выходом. Проведенные

исследования углубляют представления о нарушениях процессов

свободнорадикального окисления и активности ферментативной защиты,

происходящих в организме при альтерации различными факторами, такими как

ионизирующая радиация, высокоинтенсивное лазерное излучение и асфиксия.

Полученные данные расширяют представление о действии низкоинтенсивных

электромагнитных излучений видимого диапазона на функциональное состояние

различных тканей, органов и организма в целом при их альтерации. Результаты исследований позволяют разработать практические методы коррекции нарушений, вызванных вышеперечисленными факторами и внедрить их в физиологическую и медицинскую практику. В результате проведенных исследований установлены особенности влияния лазерного излучения высокой мощности красного и инфракрасного диапазона на физиологическое состояние мышечной ткани и организма в целом. Таким образом, применение низкоинтенсивного широкополосного красного света имеет большие перспективы при практическом использовании в качестве терапевтического фактора, способного восстанавливать поврежденные ткани на молекулярном уровне в различных областях: в онкологической практике, хирургии и других направлениях медицины.

Положения, выносимые на защиту.

1. Фермент ГST является одним из ключевых компонентов отклика биологических тканей на низкоинтенсивное световое воздействие.

2. Широкополосный красный свет стимулирует активацию ГST после альтерации тканей гамма-излучением, высокоинтенсивным лазерным светом и наложением асфиксии.

3. Широкополосный красный свет модифицирует ультраструктуру скелетной мышечной ткани и миокарда: способствует увеличению количества митохондрий и восстановлению их структуры; обеспечивает снижение внутриклеточного отека и появление значительного количества гранул гликогена; вызывает восстановление ядрышек, а также дилатацию миофибрилл, при этом ширина саркомеров миосимпластов соответствует ширине саркомеров в норме. Морфологические изменения, происходящие в ультраструктуре мышечных тканей показывают локализацию структур, обеспечивающих отклик живой ткани на световое воздействие.

4. Широкополосный красный свет снижает уровень продуктов ПОЛ в миокарде, скелетной мышце, легких и сыворотке крови после воздействия ионизирующей радиацией, высокоинтенсивным лазерным излучением красного и инфракрасного диапазона, а также после наложения асфиксии.

5. Широкополосный красный свет нормализует скорость образования промежуточных продуктов и накопления конечных продуктов ОМБ в тканях крыс после воздействия вышеперечисленными стресс-факторами.

6. Облучение высокоинтенсивным лазерным излучением красного и инфракрасного диапазона приводит к активации процессов образования продуктов ОМБ и ПОЛ не только в непосредственно облученных образцах мышечной ткани, но и в сыворотке крови, что свидетельствует об общем ослаблении организма в результате локального воздействия лазерным излучением высокой мощности.

7. Существуют различия в молекулярном ответе живых организмов на воздействие высокоинтенсивным лазерным излучением красного и инфракрасного диапазона: воздействие лазерным светом красного диапазона вызывает более выраженные локальные реакции, воздействие лазера инфракрасного диапазона приводит к более общим (общеорганизменным) ответным реакциям.

8. Облучение широкополосным красным светом проекционной области сердца после воздействия ионизирующей радиацией и наложения асфиксии приводит к восстановлению его электрической активности.

Внедрение результатов исследования. Результаты исследования используются в курсах преподавания медицинской физики и биофизики на кафедре медицинской физики и информатики ГБОУ ВПО НижГМА Минздрава России; в курсе преподавания физиологии человека и животных и спецкурсе «Обмен веществ» на кафедре биохимии и физиологии ННГУ им. Н.И. Лобачевского.

Апробация работы. Диссертация апробирована 27 октября 2015 года на объединенном заседании коллектива сотрудников кафедр медицинской физики и информатики, клинической лабораторной диагностики ФКПВ, нормальной физиологии им. Н.Ю. Беленкова и общей и клинической фармакологии.

Основные положения работы были доложены и обсуждены на Х

Международной научно-практической конференции «Современная техника и

технологии в медицине, биологии и экологии» (Новочеркасск, 2010), на III

Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская

физика – 2010» (Москва, 2010), на конференции молодых ученых «Механизмы адаптации физиологических систем организма к факторам среды» (Санкт-Петербург, 2010), на конференции Progress in Biomedical Optics and Imaging -Proceedings of SPIE «Mechanisms for Low-Light Therapy V» (USA, San Francisco, 2010), на II Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы современной медицины: актуальные вопросы и перспективы развития» (Москва, 2011), на X Научной сессии молодых учёных и студентов «Современное решение актуальных научных проблем в медицине» (Нижний Новгород, 2011), IV съезде биофизиков России, симпозиуме III «Физика – медицине и экологии» (Нижний Новгород, 2012), на IV съезде биофизиков России, симпозиуме II «Физические основы физиологических процессов» (Нижний Новгород, 2012), на XII международной научно-практической конференции «Естественные и математические науки в современном мире» (Москва, 2013).

По материалам диссертации опубликовано 21 работа, их них 14 – в изданиях, рекомендуемы перечнем ВАК МО РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 334 страницах машинописного текста; состоит их введения, обзора литературы, материалов и методов собственных исследований, обсуждения результатов, выводов, списка литературы, включающего 689 источников, из которых 494 отечественных и 196 иностранных, и приложения. Диссертация иллюстрирована 10 таблицами и 137 рисунками.