Введение к работе
Актуальность проблемы. Лазерная терапия широко применяется в медицине и биологии для стимулирующего действие на клетки и ткани (Kara T.I., 2003). Лазерное излучение вызывает усиление пролиферации клеток, стимулирует микроциркуляцию и ангиогенез, ускоряет процессы репарации тканей при повреждении. Однако механизмы его воздействия остаются еще не до конца изученными, выбор параметров лазерного облучения (длины волны, плотности мощности и продолжительности воздействия) носит преимущественно эмпирический характер. В последнее время в медицине внедряются новые методики терапии с использованием лазеров повышенной мощности, что позволяет достичь терапевтически значимых доз лазерного излучения в глубине ткани (Данилова СВ.,2005; Kara T.I., 2003).
Представляет большой интерес воздействие лазерного излучения на костный мозг, обеспечивающий за счет стволовых и юных клеток процессы кроветворения и регенерации. Однако, сведения о действии лазерного излучения на структуры костного мозга единичны и касаются эффектов низкоинтенсивных режимов, преимущественно гелий-неонового лазера (Vacek А., 1990; Семенков В.Ф., 1993; Pyczek, М, 1994).
Регуляция процессов созревания, дифференциации и миграции клеток костного мозга осуществляется с активным участием его стромы, важной составляющей которой являются тучные клетки. Исследования последних лет убедительно доказали, что лазерное излучение вызывает повышение функциональной активности тучных клеток, являющихся маркерами воздействия физических факторов на ткани (Соловьева Л.И., 1999; Баранова М.Г., 2005; Астахова Л.В., 2001). Тучные клетки при дегрануляции выделяют большое количество цитокинов, факторов роста, медиаторов, обеспечивающих активацию клеток микроокружения, хемотаксис, ангиогенез, активизацию матриксных металлопротеиназ, необходимых для мобилизации юных клеток из костного мозга в периферический кровоток. Однако эти данные касаются непосредственно облученных тканей. Отсутствуют сведения о
реакции тучных клеток глубоколежащих тканей, в том числе и костного мозга, в ответ на облучение, проводимое с поверхности кожи, хотя эти сведения, несомненно, важны для понимания механизмов воздействия лазеров на кроветворное микроокружение и процессы мобилизации клеток из костного мозга.
Цель исследования.
Целью данной работы является исследование реакции отдельных компонентов кроветворного микроокружения в ответ на воздействие лазерного излучения в высокоинтенсивном терапевтическом режиме. Задачи исследования:
Оценить глубину проникновения лазерного излучения с длиной волны 980 и 660 нм при разных способах бесконтактного облучения методом компьютерного моделирования и осуществить подбор оптимального режима для воздействия на структуры костного мозга у лабораторных животных (крыс).
Изучить функциональную активность тучных клеток в костном мозге животных после воздействия лазерного излучения терапевтической мощности с длинами волн 980 и 660 нм.
Определить реакцию сосудов костного мозга в ответ на лазерное облучение терапевтической мощности с длинами волн 980 и 660 нм.
Оценить активность желатиназ в костном мозге после воздействия лазерного излучения.
Выявить взаимосвязь морфофункциональных характеристик тучных клеток, реакции сосудов костного мозга и активности желатиназ.
Научная новизна работы.
Впервые методом математического моделирования произведена оценка глубины проникновения лазерного излучения 660 и 980 нм и плотности мощности излучения на глубине при различных способах облучения
биологической ткани с поверхности. Показано, что при облучении мощностью 2 Вт в течение 2 минут дистанционно с плотностью мощности 2 Вт/см на глубине 3 мм достигаются терапевтически значимые плотности мощности и плотности энергии для обеих используемых в эксперименте длин волн.
Установлено, что действие высокоинтенсивного лазерного излучения в используемых режимах на костный мозг в первый час после облучения оказывает стимулирующий эффект, выражающийся в усилении функциональной активности тучных клеток (повышении их индекса дегрануляции), увеличении среднего диаметра сосудов костного мозга и доли сосудов в костномозговой ткани, усилении активности желатиназ (ММП-2 и ММП-9)
Показано, что через 1 сутки после облучения наблюдается дезактивация отдельных компонентов кроветворного микроокружения, выражающаяся в снижении функциональной активности тучных клеток (уменьшении их количества и снижении индекса дегрануляции), снижении активности желатиназ, а также нормализация среднего диаметра сосудов костного мозга и доли сосудов в костномозговой ткани. Динамика активности тучных клеток находится в достоверной положительной корреляционной связи с сосудистой реакцией и активностью матриксных металлопротеиназ.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Результаты работы расширяют представления о механизмах адаптации организма при действии высокоинтенсивного лазерного излучения в терапевтических режимах на биологические ткани. Показано, что лазерное излучение вызывает активизацию тучных клеток костного мозга, матриксных металлопротеиназ 2 и 9, увеличивает просвет сосудов костного мозга, что может способствовать гемопоэзу а также стимулировать миграцию клеток из костного мозга в кровь.
Полученные экспериментальные данные и результаты моделирования имеют существенное значение для экспериментальной биологии, практической
медицины и служат основанием для подбора оптимальных режимов лазерных воздействий на биологические ткани и разработки новых лазерных технологий. На основе результатов исследования разработан новый способ стимуляции выхода стволовых клеток из костного мозга в периферическое кровяное русло (патент РФ № 2305573 от 10.09.2007).
Результаты работы используются в научно-исследовательской работе ОГУЗ ЦОСМП «Челябинский государственный институт лазерной хирургии» для разработки новых технологий лазерной терапии, внедрены в учебный процесс кафедры нормальной физиологии ГОУ ВПО «Челябинская государственная медицинская академия» (курс лекций «Механизмы адаптации организма») и кафедры теоретической физики ГОУ ВПО «Челябинский государственный университет» (курсы лекций «Биофизика» и «Биомедицинская оптика».)
Основные положения, выносимые на защиту:
Краткосрочная реакция со стороны кроветворного микроокружения после облучения лазерами с длиной волны 980 и 660 нм мощностью 2 Вт в течение 2 мин носит стимулирующий характер, что заключается в усилении дегрануляции тучных клеток, увеличении среднего диаметра сосудов костного мозга и доли кровеносных сосудов в ткани, усилении активности желатиназ.
Через 1 сутки после облучения наблюдается нормализация параметров, характеризующих сосудистую систему костного мозга, и снижение активности других компонентов кроветворного микроокружения (уменьшение количества и степени дегрануляции тучных клеток, снижение активности желатиназ).
Комплекс выявленных морфофункциональных изменений тучных клеток, реакции сосудистого русла и матриксных металлопротеиназ может являться физиологической основой усиления миграции костномозговых клеток в периферическую кровь.
Апробация работы.
Результаты исследований были доложены и обсуждены на V научно-практической конференции Челябинского государственного института лазерной хирургии (Челябинск, 2006 г.); Русско-Американской конференции по гематологии (СпбГМУ, Санкт-Петербург, 2006 г.); V Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения В.Н. Черниговского (Санкт-Петербург, 2007 г.), Научной сессии, посвященной 10-летию Южно-Уральского научного центра РАМН «Медицинская академическая наука - здоровью населения Урала» (Челябинск, 2008 г).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 2 публикации - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура диссертации.
Диссертация изложена на 121 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, главы, описывающей материалы и методы исследований, главы результатов собственных исследований, главы обсуждения полученных результатов, выводов, списка литературы. Указатель использованной литературы включает 70 отечественных и 191 зарубежный источник. Работа содержит 26 таблиц, 14 рисунков.
