Введение к работе
I. I.I. Актуальность исследований
Вслед за созданием первых лазеров ^олее чем 25 лет тому назад почти сразу появился интерео к взаимодействию когерентного монохроматического излучения с биологическими системами. К настоящему времени можно говорить о двух основных направлениях в лазерной биомедицине. Это, во-первых, макродеструкция целостности тканей и клеток, являющаяся основой лазерной хирургии, и,во-вторых, молекулярная фотомодицина, основшшая на фотофизических процессах и последуицих фотохимичоских и фото-биологических реакциях в биомолекулах и клетках. Процессы взаимодействия лазерного излучения с биологическими материалами, являющиеся основой лазерной хирургии (коагуляти, сильный нагрев и испарение, абляция, оптический пробой и гидравлический удар), ранео не наблюдались под действием обычного свота из-за его низкой интенсивности. Поэтому в первое десятилетие в лазерной биология и медицине больше вшшания было уделено изучению механизмов взаимодействия мощного лазерного луча с биологическими системами.
Параллельно лазерные источники начали использовать в традиционных направлениях как фотофизики и фотобиологии (изучений процессов фотосинтеза, зрения), так и фотомедицшш (терапия псориазов, фоторадаацпошіая терапия). В фотомедицшш и фотобиологии сейчас узко можно говорить о развитии целой области лазерной медиио-биологичоской науки, включающей разнообразные направления, где лазеры применяются как уникаль-ныо инструменты изучения биологических объектов (различные спектральные методы иселодованїш, лазерная микроскопия, голография и т.д.) или как средство воздействия в терапевтической практике. Основой этих методов являются механизмы взаимодействия излучения, лазорного или нолазерного, с биомолекулами и клетками, которые в пршщіте могут быть фотоэпергетичоокими (как, например, фотосинтез), гдо происходит непосредственное зинчсанио зноргші света, или фотоповревдающими (на молекулярном' уровне) , фоторогуляторшши или фотоинформационными, 1'ДО не происходит запасания анергии. Рассматриваемые и диссертации процессы пріш.-ідюзкат ко второй групно процессов, т.е. нефото-
энергетическим. Взаимодействие лазерного излучения с биомолекулами и клетками, которое лежит в основе нефотоэнергетичэо-ких процессов, охватывает широкий диапазон кнтенсивностей излучения и длительностей времен воздействия, но тем не менее находится исключительно в пределах неразрушащего действия.
С точки зрения клеточной биологии, конечный фотобиологический эффект воздействия излучения определяется главным образом теми клеточкыда структурами (ядро, мембраны, митохондрии) , где протекают иачалыше стадии (фотофизические и фотохимические) данного фотопроцесса. Хотя некоторые пз нефото-энергетических процессов явились предметом исследований классической фотофизики и фотобиохимии (например, воздействие низкоинтенсивного УФ непрерывного излучения на ДНК), в данной диссертации исследуются процессы, не являющиеся традициошод.га, во-первых, в смысле источников излучения (импульсные УФ лазерные источники в широком диапазоне интенсивностей и длительностей импульсов, ранее не использованные в УФ фотобиологии клетки), и,во-вторых, в смысле диапазона излучений (видимое и ближнее Ж излучение не было областью исследований нефото-энергетических процессов в нефотосинтезирущих клетках).
Необходимость проведения систематических исследований по воздействию излучения видимой и ближней ИК областей на клетку появилась в связи о развитием низкоинтенсивной лазерной терапии,осуществляемой в основном при помощи Не-Л/е лазера, которую вполне успешно используют, например, для лечения долго незаживающих ран и трофических язв различной этиологии, где традициошше медикаментозные метода часто являются неэффективными. До сих пор систематические исследования этих явлений и их интерпретация на клеточном уровне отсутствуют.
Большинство авторов, проводя эксперименты по воздействию различных агентов, в том числе УФ и ^-излучения, на культуру клеток, использует в качестве модели культуру в экспоненциальной фазе роста, а данные о воздействии на клетки в стационарной фазе роста даже непрерывного низкоинтонспвного УФ излучения очень малочисленны.Но именно эта модель, культура клеток в стационарной фазе роста, заслуживает большого внимания с точки зрения онкологии. Общепринятой является сейчас точка зрения, что покоящиеся опухолевые клетки (а они являются одной из основных субпонуллцпй в культуро ГЛОТОК стгіЦПО-
парной фази роста) являются более резистентними к повреждающим воздействиям, с чем связывают определенные трудности как лучевой, так и химиотерапии опухолей. По данным литературы, культура опухолевых клоток в стационарной фазе роста является удовлетворительной моделью (в смысле составляющих эту культу-.ру субпопуляций) для солидных опухолей. Во всех разделах диссертации проведено сравнительное исследование реакций на облучение культуры клеток HeLa (карцинома человека) в стационарной п экспоненциальной стадиях роста, а в шестой глава исследуется возможное радиомодифицирущее действие лазерного света на клетки в стационарной фазе роста.
1.2. Цель работы
В диссертации проведено систематическое изучение воздействия непрерывного и импульсного (в разных режимах) УФ, видимого и блтишго ИК излучения как на метаболизм клетіси в целом, так и на отдельные структуры клетки. Выполненные исследования преследовали три основные цели: I) разработка фотофизических и фотобиологических методов воздействия видимого света на нефотоспнтоэнруюцие клетки и научное обоснование низкоинтенсивной лазерной терапии; 2) расширение возможностей УФ фотофизики и фотобиологии клетки о помощью новых для этой области науки импульсных лазерных источников; 3) поисіиї возможностей селективного повреждения лазерным излучением нопролиферирую-щих опухолевых клеток по сравнению с активно пролифорируыцш.щ с целью повышения эффективности противоопухолевой лучевой терапии.
В результате выполненных.исследований разработано новое направление в области фотобпофпзшш и фитобиологии - рогуля-торное воздействие ближнего УФ, видимого и ближнего ИК излучения на метаболизм ".сфотосилтезирующих клеток (прокариота-ческло и эукарнотическйо микроорганизмы, клетки млекопитающих),
1.3. Основные защищаемые положения:
I. Существование эффекта регуляции метаболизма при воздействии на клетки разной степени организации монохроматическим излучением в ближней УФ, видимой и ближней Ш< областях.
-
Требованші на основіше параметры лазерного излучения для проявленая регуляторішх эффектов в клетке.
-
Существование рашшх (в первые минуты и часы после воздействия) и отдаленных (десятки часов после воздействия) изменений в клеточном метаболизме после облучеїшя.
-
Принцип регуляторного воздействия видимого, ближнего УФ и ближнего ИК излучения на метки. Схемы передачи и усиления регуляторішх сигналов в эукариотической и прокарио-тической клетках.
-
Селективное воздействие импульсного лазерного излучения на покоящиеся клетки по сравнению о активно пролиферирую-щими.
-
Радиомодафицирующее действие лазерного излучения в УФ и видимом диапазонах на покоящиеся клетки.
1.4. Научная новизна работы
1. Исследовано воздействие низкоинтенсивного излучения в
широком диапазоне длин волн, доз и интенсивностей на про-
кариотические, примитивные и сложные зукариотические
клетки. Установлены условия, при которых свет оказывает
стимулирующее воздействие на клеточный метаболизм, и усло
вия, при которых наблюдаются ингибирупцее воздействие
или летальность.
-
Определена роль монохроматичности и когерентности в эффективности воздействия видимым, ближним ИК и ближним. УФ излучением на клеточный метаболизм.
-
Выяснен физиологический статус клетки, необходимый для проявления регуляторних эффектов излучения.
-
Установлен принцип регуляторного воздействия низкоинтенсивного монохроматического излучения в ближней УФ, видимой и ближней ИК областях спектра. Выявлеш молекулярные основы регуляторного воздействия.
-
Исследованы возможности селективного воздействия импульсным лазерным излучением в широком диапазоне длин волн
и режимов облучеїшя на покоящиеся клетки по сравнению
с активно пролиферирущими. Разработаны два метода
селоктивного повреждения покоящихся опухолевых клеток.
6. Иоследовано радиомодифицирущее дейотвие лазерного
излучения на клеточном уровне различных длин волн и
типов излучения. Определены типы излучения, которые
могут оказывать либо радиозащитное?либо радиосенсиби-
лизирувдев действие. :
1.5. Научная и практическая ценность
Основным практическим применением монохроматического низкоинтеисивного видимого свота в медицине являетоя лазерная торапия (в основном Ые-А/е лазер, в последние годы также Не-Ы лазер и полупроводниковые 6аAs лазеры). Пред-ставлешше в диссертации результаты по комплексному исследованию воздействия йшилего УФ, видимого и ближнего ИК излучеїшя на клетку создают биологическую основу существующим эмпирическим и несистематическим данным в этой области медицины. D низкоиитонсивной лазерной терапии получошшо дашше позволяют оптимизировать параметры излучения (длшш волны, доза, интенсивность ).
Цикл исследований по мутагенному и летальному действию излучопий ХоС|- и /VdJ;^A(r лазеров позволяет оценить побочные эффекты использования этих лазеров в практической медицино ( ХеСІ лазер считается перспективным для лазерной ангиопластики, а ШЪ,:Шлазер - для лазерной офтальмологии). Дашше о лотальпом и мутагешюм действии излучения ХеО| лазора ( X =308 нм) і'акже продотавляют практическую важность в овязи о умоньшеїшом озонового слоя стратосферы для прогноза воздействия ожидаемого одвига границы попадающего на землю ближнего УЗ изучения.
Получеїише в диссортации результаты по селективному воздеи-стиш на покоящиеся опухолешо клетки 2-й гармоники Си лазера и излучения Л/сІгт5ЇА(г лазора (основная частота, 2-я и 4-я гармо-
ники) могут быть иопользоваїш для разработки новых методов или модификации существущюс методов противоопухолевой терапии.
Полученные в диссертации данные о радишодифиодрущем действии излучения llo-tie лазера могут быть иопользоваїш для разработки или оптимизации методов радиозащиты,
1.6. Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на 14 .Всесоюзных и 16 Международных конференциях, симпозиумах, совещаниях и школах: XI, XII, XIII Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Ереван - 1982, Москва - 1985, Минск -1988); I Всесоюзном биофизическом съезде (Москва - 1982); III, ІУ Всесоюзных школах по применению лазеров в биологии (Красновидово - 1983, Кишинев - 1986); Всесоюзной конференции по применению лазеров в народном хозяйстве (Звенигород
- 1985); Всесоюзном симпозиуме "Использование лазерного излу
чения в сочетании с другими физико-химическими факторами в
медицине" (Сухуми - 1983), Всесоюзной конференции по примене
нию лазеров в медицине (Красноярск - 1983); Всесоюзной кон
ференции "Молекулярные механизмы биологического действия опти
ческого излучения " (Ялта - 1984); Всесоюзном совещании по
применению лазеров в биологии и медицине (Пущино - 1982);
Всесоюзном совещании "Лазеры в народном хозяйстве "(Москва -
1988); Межреспубликанской школе-семинаре по применению лазеров
в биологии и медицине (Тарту - 1988, 1989); X и XII Между
народных школах по квантовой электронике (Эриче, Италия -
1983, 1987); I и II Европейских конгрессах по фотобиологии
(Гренобле, Франция - 1986, Падуя, Италия - 1987); Международ
ном симпозиуме по метаболизму цианобактерий (Киоо, Греция
- 1985); Международном конгрессе "Лазеры в медицине и хирур
гии" (Болонья, Италия - 1985); X Международном фотобиологи
ческом конгрессе (Иерусалим, Израиль - 1988); ХУ и ХУІ кон
грессах Американского фотобиолоилесного общества (Балтимор,
США - 1987, Харбор, США - 1988); Гордоновских конференциях
по применению лазеров в биологии и медицине (Мериден, CL1A -
1984, 1988); Международном симпозиуме по биологическому дей
ствию неионизирущого излучети НИРО-87 (Стокгольм, Шлшкя
- 1987); X. Международном конгрессе ію прикладной биомедицина (Нью Орлеане, США - 1988); II Международном симпозиуме по низкоинтенсивной лазерной терапии (Лондон - 1988); Международной конференции по фотодинамике и применению'лазеров в медицине (Лондон - 1988); Еяогодном конгрессе Американского общества лазерной хирургии и медицины (Арлингтон - 1989).
Материалы диссертации также докладывались на научных семинарах в различных институтах СССР (Институт спектроскопии АН СССР, Институт молекулярной биологии АН СССР, Всесоюзный онкологический научный центр АМН СССР, Всесоюзный кардиологический научный центр АМН СССР) и за рубежом (Институт квантовой" оптики, Гархинг, ФРГ - 1981, 1984; Технический университет, Мюнхоп, ФРГ - 1981, 1984; Институт биофизической химии, Геттинген, ФРГ - 1981, 1984; Онкологический центр, Гойдель-берг, ФРГ - 1984; Королевский институт, Стокгольм , Швеция -1987; Университет йена, ГДР - 1983; Центр квантовой электроники, Милан, Италия - 1982, 1985; Медицинская школа Неаполитанского университета - 1985, 1987; Институт квантовой оптики, Флоренция, Италия - 1982, 1985; МассачусотскиЯ технологический институт, Кембридж, США - 1988; Калифорнийский университет в Беркли, США - 1988; Медицинская школа Гарвардского университета, США - 1988; Онкологический центр им. М.Д.Андерсона университета Тохас, Хгастон, США - 1988; Университет Техас в Остине, США - 1988; Медицинская школа университета Пенсильвания, США - 1988; Оптичоскнй центр университета Аризоны, Тушон, США - 1988; Гай Хоогштал, Лондон - 1988; Бекмановскнй лазерный институт, Ирвайн;США - 1989; Лазерный институт Модаципской школи уішверситета Юга, Солт Лейк Сити, США -1989; Университет Нью Иорка , США - 1989).
1.7. Публикации,
По материалам диссертации опубликовало 57 печатных работ, в том числе одна монография и 5 обзоров, список которых приводится в кошів автореферата, а также три препринта. Получены два авторских свидетельства.
1.8. Личини вклад соискателя '
Автор осуществлял выбор направлений иселєдоваїшй, постановку задач, участвовал в проведении и обсуждении экспериментов, шторлротировал и обобщал результаты.
1.9. Структура и объем работы