Изменение структуры печени и ее иммунной системы под влиянием лазерного света в эксперименте

Валерий Гурин, заведующий лабораторией функциональных систем Института физиологии НАН Беларуси
Людмила Арчакова, главный научный сотрудник отдела ‹‹Центр электронной и световой микроскопии›› Института физиологии НАН Беларуси, доктор биологических наук, профессор
Николай Сердюченко, главный врач 1-й городской клинической больницы, доктор медицинских наук
Алла Емельянова, старший научный сотрудник лаборатории психонейрофизиологии Института физиологии НАН Беларуси, кандидат биологических наук
Светлана Новаковская, старший научный сотрудник отдела ‹‹Центр электронной и световой микроскопии›› Института физиологии НАН Беларуси, кандидат биологических наук
Наталья Жукова, младший научный сотрудник лаборатории физиологии афферентных систем Института физиологии НАН Беларуси
Александр Егоров, младший научный сотрудник отдела ‹‹Центр электронной и световой микроскопии›› Института физиологии НАН Беларуси

Низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) весьма широко применяется в разных областях медицинской практи ки [1, 2] в качестве эффективного терапевтического метода благодаря своему универсальному неспецифическому действию на ткани и организм в целом путем одновременного влияния на несколько звеньев патогенетической цепочки. Положительный терапевтический эффект, проявляющийся при воздействии НИЛИ разных областей спектра, позволяет утверждать, что этот процесс осуществляется посредством нескольких механизмов [3, 4]. В числе последних признаны резонансные, в которых основную роль играет монохроматичность лазерного излучения, узкий спектр которого совпадает со спектром поглощения активных центров в биоткани, как это происходит при фотогенерации синглетного кислорода [5], а также нерезонансные механизмы [6, 7] и, возможно, другие, сегодня еще неизвестные. В каждом из них определяющими оказываются те или иные характеристики лазерного излучения.

Давно установлено, что реакция живого организма на действие внешних физических факторов проявляется благодаря поглощению биообъектами энергии соответствующего фактора, миграции и трансформации этой энергии в биологические реакции [8]. Последние представляют собой сумму физико-химических сдвигов и эффектов: температурного (теплообразование), ионных сдвигов, электрической поляризации, свободнорадикальных процессов (генерация свободных радикалов), конформационных изменений, изменений состояния воды и т.д. Многие из этих проявлений выдвигаются в качестве первичных эффектов [9, 10]. В условиях различных патологических состояний, как считают авторы, следует разорвать патологический контур управления, «стереть энграмму патологии», навязать биосистеме свойственный ей ритм функционирования в норме. Комплексный подход в этих случаях состоит в подавлении деятельности еще имеющегося патологического контура управления и активизации нормально, но не в полную силу, функционирующих систем, ответственных за компенсацию, реституцию и регенерацию биоструктур.
В условиях лазерной терапии значительно ускоряются процессы репаративной регенерации [11] и повышается уровень биоэнергетических процессов в тканях [12]. Интересно, что вновь образовавшиеся, взамен поврежденных, структуры обладают функциональной специфичностью, присущей данной ткани или органу [13]. Низкоинтенсивное лазерное излучение резко активизирует кинетику ферментативных реакций, а благодаря генерализованному характеру распространяется далеко за пределы зоны облучения [9].

Основной критерий использования НИЛИ в медицинской практике — это достижение позитивного эффекта, включающего стимуляцию иммунной системы, ускорение заживления раневых поверхностей, снижение выраженности той или иной симптоматики и т.д. Используя данный вид лечения, практическая медицина значительно опережает теоретические представления о механизмах действия лазерного света на биологические объекты. При этом остаются недостаточно изученными патохимические и биофизические механизмы НИЛИ, не полностью раскрыты его потенциальные возможности, в связи с чем существует сомнение в безопасности этого воздействия. Объяснить это можно не только различными подходами к лечению, методиками, дозировками лазерного воздействия, но и отсутствием возможности у большинства исследователей достаточно объективно и достоверно оценивать характер и глубину патологических изменений. Так, в зависимости от спектрального состава, дозы [14—20], мощности и других условий лазерное излучение может оказывать как благотворный, так и поражающий эффекты. Полагают, что в основе обоих эффекты лежит один и тот же механизм с участием фотосенсибилизированных свободнорадикальных реакций, а разнонаправленность конечных эффектов определяется содержанием акцепторов энергии — эндогенных фотосенсибилизаторов. Если последние в клетке преобладают, то гиперпродукция радикалов-инициаторов провоцирует гибель клетки, а малое их содержание вызывает стимуляцию.

Следует отметить, что эффективность лазерной терапии зависит и от исходного состояния тканей и всего организма в целом [21]. Состояние центральной нервной системы, время суток, года, употребляемые лекарственные средства определяют электрические и оптические свойства кожи, что существенно сказывается на характере взаимодействия организма с лазерным лучом. В то же время лазерный свет, влияя на метаболизм, нервные процессы и микроциркуляцию [22], значительно повышает чувствительность организма к физическим и медикаментозным воздействиям. Показано, что в зависимости от параметров многие физические факторы, в том числе и лазерное излучение, способны оказывать существенное влияние на избирательное накопление, перераспределение и даже направленное поступление лекарственных веществ в определенные ткани организма. Лечебные физические факторы могут активно воздействовать на биотрансформацию лекарств, обеспечивая их обезвреживание, ослабление побочного и токсического эффектов и выведение их из организма [23—27]. Комбинированное применение лазерного излучения волн различной длины повышает эффект воздействия НИЛИ на ткани, способствуя регуляции биологических процессов на более высоком уровне [1]. В последние годы достаточно эффективно применяется лазерная стимуляция акупунктурных точек [28, 29]. Подобный метод лазерной терапии, в частности для реабилитации больных бронхиальной астмой, улучшает клиническое течение заболевания, приводит к нормализации обмена биоаминов, восстанавливает нарушенный гистогематический барьер, активизирует функции форменных элементов крови и т.д., в результате чего уменьшаются сроки временной нетрудоспособности, увеличивается длительность ремиссии и до 12% снижается выход на инвалидность.

В литературе имеются сведения о биостимулирующем влиянии низкоинтенсивного лазерного излучения на гепатоциты животных [30]. Исследования касаются во просов изменения структуры печени после различных оперативных (частичная гепатэктомия) вмешательств, либо под влиянием различных внешних (рентгеновское облучение, вызванный аллергический дерматит и др.) воздействий, а также при патологии печени [31].

Ранее нами [32—37] было установлено, что в условиях экспериментального травматического артрита коленного сустава кроликов 18 сеансов 20-минутного облучения низкоинтенсивным лазерным светом в диапазоне красной, синей, инфракрасной длины волн, а также в сочетании с магнитным полем на протяжении 30 суток приводят к значительной стимуляции оссификации и минерализации субхондральной кости в области раны. Облучение способствует пролиферации молодых остеогенных клеток и кальцификации матрикса костной ткани, наиболее выраженных после комбинированного воздействия НИЛИ красной области спектра и магнитного поля.

В вышеназванных работах основное внимание обращено на изучение механизмов и закономерностей действия НИЛИ на репаративные процессы хрящевой и костной ткани. Несомненного участия в этих процессах следует ожидать со стороны иммунной системы организма, в том числе и печени. Необходимо было выяснить структурно-функциональные особенности реакции печени и ее иммунной системы в условиях травмы организма и после воздействия на него физических факторов, в частности НИЛИ.

Для этого все исследования проведены нами на кроликах в условиях экспериментально вызванной травмы коленного сустава — модели экспериментального артрита (МЭА). Субмикроскопическая организация печени и ее иммунной системы изучалась в течение послеоперационного периода, а также после облучения организма низкоинтенсивным лазерным светом красной области спектра.

Материал и методы исследования

С использованием электронно-микроскопического метода исследования [38] нами проведены две серии экспериментов на кроликах. В первой серии опытов изучалась ультраструктура печени и ее иммунной системы на 30-е сутки после искусственно вызванной травмы коленного сустава, создаваемой оперативным путем как модель травматического артрита (МТА).

Во второй серии экспериментов, сразу после операции и в течение всего послеоперационного периода, животные получали 18 сеансов облучения лазерным светом в красном диапазоне волн при длине волны 632,8 нм и мощности 100 мВт/см2. Облучали 10 точек тела животного (6 точек на коже в окружении раны и 4 точки в области печени) — 2 мин каждую точку. Суммарное ежедневное облучение составляло 20 мин в день.

Через 30 дней после операции под тиопенталовым наркозом у животных обеих серий экспериментов иссекали кусочки печени и фиксировали методом погружения в 5%-ный раствор глютарового альдегида с последующей фиксацией в 2%-ном растворе осмиевой кислоты. Затем материал обезвоживали в спиртах возрастающей крепости, ацетоне и помещали в аралдит. Материал резали на микротоме фирмы LKB и просматривали на электронном микроскопе JEM 100CX.

Результаты экспериментов и обсуждение

Электронно-микроскопическое исследование гепатоцитов на 30-е сутки после создания искусственной травмы коленного сустава кроликов выявило структурные изменения клеток печени, которые не могли определенным образом не отразиться на ее функции. В первую очередь это проявилось снижением количества гранул гликогена и рассеянными редкими включениями гликогеновых зерен на значительных территориях цитоплазмы гепатоцитов. Последняя по этой причине приобретала пониженную электронную плотность. Все это дает основание говорить о том, что к концу первого месяца после создания экспериментальной травмы снижаются процессы анаэробного дыхания. Аналогичные изменения происходят и в энергетике обменных процессов гепатоцитов, о чем свидетельствуют рассеянные группы митохондрий у пограничных мембран. Ядра клеток умеренно заполнены сконцентрированными у ядерной мембраны гранулами хроматина. Со стороны цитоплазмы к ядру прилегают отдельные очаги гранулярной эндоплазматической сети и группы секреторных пузырьков — вероятных депо липопротеидов.
Описанная нами картина субмикроскопической организации гепатоцитов дает ясное представление о спаде функциональной активности печени в связи с экспериментальной травмой. При этом синтетические процессы в гепатоцитах снижаются, поскольку обусловливающие их цитоплазматические органеллы в основном не выявляются.

Значительная часть синусоидных капилляров находится в спавшемся состоянии и выключена из кровообращения. Функционирующие синусоиды содержат эритроциты, отдельные лимфоциты и многочисленные отростки купферовских клеток, что свидетельствует об умеренной активности фагоцитарной системы печени в данных условиях эксперимента.

В перисинусоидальных пространствах определяются липоциты печени, накапливающие липиды и витамин А.

Вторая часть исследований выполнена в аналогичных условиях искусственно вызванной травмы коленного сустава кроликов и является демонстрацией реакции гепатоцитов и иммунной системы печени на облучение низкоинтенсивным лазерным светом в красном диапазоне волн.

Установлено, что проведенные 18 сеансов лазерной терапии светом красной области спектра в течение 30 суток после операции МТА оказывают сложное влияние на структурно-функциональную организацию печени, проявляясь значительными реактивными изменениями в гепатоцитах и иммунной системе. Накопление большого количества гранул гликогена и рибосом, интенсивно заполняющих весь объем клеточной цитоплазмы, — типичная картина гепатоцитов в указанной серии экспериментов. Среди массы органелл выявляются отдельные островки гранулярного и агранулярного эндоплазматического ретикулума, которые вместе с аппаратом Гольджи локализуются преимущественно в околоядерной зоне клеток. К пластинчатому комплексу тесно прилегают митохондрии (рис. 1). В перисинусоидальном пространстве определяются множественные ворсинки печеночных клеток, а в примембранных областях цитоплазмы видны многочисленные пузырьки и вакуоли. Описанные изменения свидетельствуют о значительном повышении функциональной активности гепатоцитов и интенсификации обменных процессов между гепатоцитами и кровью синусоидов.

Вместе с тем нами отмечена повышенная чувствительность отдельных клеток к действию лазерного облучения. В таких случаях в гепатоцитах выявляются ‹‹обнаженные›› ядра, когда значительные области клеточной цитоплазмы отторгаются, а содержимое их мигрирует в просвет синусоидов (рис. 2 а, б). В плазме крови в этих случаях видны фрагменты цитоплазматических органелл: эндоплазматического ретикулума, митохондрий, гранул гликогена и др.

Происходящая в этих условиях экспериментов дилятация синусоидных капилляров способствует наполнению их эритроцитами и другими элементами крови, улучшая микроциркуляцию и кровоснабжение ткани печени (рис. 3а).

Стимуляцию иммунной системы печени можно проследить на примере активации купферовских клеток, локализованных в эндотелии синусоидов и в просвете капилляров. Эти клетки увеличиваются в размере, а их гипертрофированная цитоплазма содержит многочисленные органеллы (рис. 3б). В синусоидных капиллярах выявляются их предшественники — активированные моноциты и макрофаги, а также базофилы, численность которых при облучении НИЛИ значительно увеличивается (рис. 3в).

На активацию иммунной системы печени указывают также находящиеся в ее капиллярах малые и большие активированные лимфоциты, многие из которых тесно прилегают к эндотелию и с ним взаимодействуют (рис. 3г). Об активации лимфоцитов и макрофагов можно судить по наличию у обоих значительного числа микроворсинок. Дистрофические изменения, отмеченные нами в ходе экспериментов, изредка встречаются в клетках нелимфоидного ряда — базофилах, участвующих, как известно, в регуляции гомеостазиса.

Итак, анализ результатов проведенных нами исследований свидетельствует о том, что в условиях экспериментально вызванной травмы коленного сустава кроликов происходят значительные структурные изменения и связанное с ними снижение функциональной активности гепатоцитов и элементов иммунной системы печени. Проявляется это угнетением энергетических и синтетических процессов в ткани печени, а также уменьшением кровоснабжения органа. Фагоцитарная система печени в данных условиях экспериментов умеренно активна.

Определенными изменениями характеризуется реакция гепатоцитов и иммунной системы печени на облучение низкоинтенсивным лазерным светом в красном диапазоне волн. Значительное число гранул гликогена и рибосом в клеточной цитоплазме гепатоцитов, тесный контакт митохондрий с элементами пластинчатого комплекса, множественные ворсинки печеночных клеток в перисинусоидальном пространстве, улучшение микроциркуляции и кровоснабжения ткани печени — все это говорит о высокой активности самих гепатоцитов и обменных процессов между ними и кровью синусоидов. Активация купферовских клеток, локализованных не только в эндотелии синусоидов, где выявляются их предшественники — активированные моноциты и макрофаги, но и в просвете капилляров, где малые и большие активированные лимфоциты могут тесно прилегать к эндотелию и с ним взаимодействовать — типичная картина, характеризующая активацию иммунной системы печени. Следовательно, при понижении структурно-функциональной активности гепатоцитов и иммунной системы печени в условиях травматического артрита применение низкоинтенсивной лазерной терапии в красном диапазоне волн снижает реактивные процессы в печени, вызываемые операционной травмой, и оказывает мощный стимулирующий эффект на ее ультраструктуру и активность иммунокомпетентных клеток, что, несомненно, вызывает повышение их функциональных возможностей и резистентности организма в целом.

Литература

1. Крюк А.С., Мостовников В.А., Хохлов И.В. и др. Терапевтическая эффективность низкоинтенсивного лазерного излучения. Мн., 1986.
2. Tuner J., Hode L. Low level laser therapy. Stockholm, 1999.
3. Минаев В.П. О возможном механизме влияния когерентности лазерного излучения на взаимодействие с биотканью при низкоинтенсивной лазерной терапии // Использование лазеров для диагностики и лечения заболеваний. М., 1996. С. 5—7.
4. Башкирова Н.А. Клинико-экспериментальное обоснование принципов лечения остеофитов бугра пяточной кости с использованием низкоинтенсивного лазера. Автореф. канд. дисс. Самара, 1993.
5. Елисеенко В.И. Механизмы взаимодействия различных видов лазерного излучения с биологическими тканями // Использование лазеров для диагностики и лечения заболеваний. М., 1996.6. Воронина О.Ю., Каплан М.А., Степанов В.А. Нерезонансный механизм биостимулирующего действия низкоинтенсивного лазерного излучения // Физическая медицина, 1992, т. 2, № 1—2. С. 40—50.
7. Захаров С.Д., Еремеев Б.В., Перов С.М., Панасенко Н.А. Индуцированные лазером биоэффекты в эритроцитах, осуществляющиеся через молекулярный кислород // Действие электромагнитного излучения на биологические объекты и лазерная медицина. Владивосток, 1989. С. 52—65.
8. Бурилков В.К., Крочик Г.М. Биологические действие лазерного излучения. Кишинев, 1989.
9. Илларионов В.Е. Концептуальные основы физиотерапии в реабилитологии. М., 1998.
10. Илларионов В.Е. Медицинские информационно-волновые технологии. М., 1998.
11. Булякова Н.В., Азарова В.С. Структурные особенности мышечных регенератов и состояние тимуса при лазеротерапии поврежденных мышц в различные периоды их восстановления // Изв. РАН. Сер. биол., 2006, №6. С. 667—678.
12. Брискин Б.С. Современное состояние и перспективы развития лазерной терапии // Использование лазеров для диагностики и лечения заболеваний. М.,1996. С. 18.
13. Илларионов В.Е. Основы лазерной терапии. М., 1992.
14. Минц Р.И., Скопинов С.А. Структурная альтерация биологических жидкостей и их моделей при информационных воздействиях // Действие электромагнитного излучения на биологические объекты и лазерная медицина. Владивосток, 1989. С. 6—41.
15. Байбеков И.М., Касымов А.Х., Козлов В.И. и др. Морфологические аспекты низкоинтенсивной лазеротерапии. Ташкент, 1991.
16. Ben-Dov N., Shefer G., Irintchev A. et al. Low-energy laser irradiation affects satellyte cell proliferation and differentiation in vitro // Biochim. Biophys. Acta, 1999, v. 1448. P. 372—380.
17. Agaiby A.D.,Ghali L.R., Wilson R.,Dyson M. Laser modulation of angiogenic factor production by T-lymphocytes // Lasers Surg. Med., 2000, v. 26, № 4. P. 357—363.
18. Булякова Н.В., Зубкова С.М., Азарова В.С. и др. Эффект импульсного ИК-лазерного излучения на восстановление травмированных мышц с различной регенерационной способностью и состояние тимуса // Докл. РАН, 2002, т. 382, № 3. С. 411—416.
19. Mendez T., Pinheiro A., Pacheco M. et al. Dose and wave-length of laser light have infl uence on the repair of cutaneous wounds // J. Clin. Laser Med. Surg., 2004, v. 22, № 1. P. 19—25.
20. Клебанов Г.И Низкоинтенсивное лазерное облучение вызывает priming лейкоцитов // Использование лазеров для диагностики и лечения заболеваний. М.,1996. С. 11.
21. Загускин С.Л. Системный анализ биоритмологической диагностики и управления жизнедеятельностью // Современные проблемы изучения и сохранения биосферы. СПб, 1992.
22. Козлов В.И., Зайцев К.Т. Воздействие лазерного излучения на систему микроциркуляции // Сб. науч. тр., посв. памяти акад. Д.А. Жданова. М., 1998. С. 51—52.
23. Лещинский А.Ф., Улащик В.С. Комплексное использование лекарственных средств и физических лечебных факторов при различной патологии. Киев, 1989.
24. Улащик В.С. Очерки общей физиотерапии. Мн., 1994.
25. Золотарева Т.А. Физические лечебные факторы: основы механизма действия на процессы биотрансформации в печени. Киев, 2000.
26. Улащик В.С., Лукомский И.В. Общая физиотерапия. Мн., 2005.
27. Улащик В.С. Физические факторы — модуляторы фармакокинетики и фармакодинамики лекарств // Медико-биологические аспекты действия физических факторов. Мн., 2006. С. 21—23.
28. Остроносова Н.С. Патофизиологическое обоснование лазерной стимуляции акупунктурных точек при лечении бронхиальной астмы. Автореф. дисс. докт.мед.наук. М., 2006.
29. Самосюк И.З., Лысенок В.П., Лобода М.В. Лазеротерапия и лазеропунктура в клинической и курортной практике. Киев, 1997.
30. Девятков Н.Д., Зубкова С.М., Лапрун И.Б., Макеева Н.С Физико-химические механизмы биологического действия лазерного излучения // Усп. совр. биол.,1987, т. 103, № 1. С. 31—43.
31. Ворожейкин В.М., Артыков М.Н., Байбеков И.М. Экпериментальное обоснование использования низкоинтенсивного лазерного излучения при патологии печени // Низкоинтенсивные лазеры в медицине. Обнинск, 1991. С. 24—26.
32. Емельянова А.А., Сердюченко Н.Ф., Арчакова Л.И. Эффекты лазерного излучения на ультраструктуру суставного хряща в разные сроки восстановительного периода // Функциональная нейроморфология. Фундаментальные и прикладные исследования. Мн., 2001. С. 275—278.
33. Арчакова Л.И., Емельянова А.А., Гурин В.Н. Динамика роста и созревания хондроцитов в условиях комбинированной лазерной терапии // Х съезд Белорусского общества физиологов. Тез. докл. Мн., 2001. С. 6.
34. Арчакова Л.И., Гурин В.Н., Емельянова А.А. и др. Влияние лазерной и магнитолазерной терапии на процессы роста и созревания клеток репаративного гиалинового хряща коленного сустава кроликов в разные сроки послеоперационного периода // Весцi НАН Беларусi, сер. мед.-бiял. навук, 2002, № 1. С. 42—53.
35. Арчакова Л.И., Гурин В.Н., Емельянова А.А. и др. Влияние низкоинтенсивной лазерной терапии на регенеративные процессы в гиалиновом хряще коленного сустава кроликов (экспериментально-морфологическое исследование) // Весцi НАН Беларусi, сер. мед.-бiял. навук, 2002, № 3. С. 48—54.
36. Арчакова Л.И., Гурин В.Н., Емельянова А.А. и др. // Роль антропогенных и природных патогенов в формировании инфекционных и неинфекционных болезней человека. Мн., 2002. С. 368—376.
37. Арчакова Л.И., Гурин В.Н., Емельянова А.А. и др. Изменение ультраструктуры поврежденной субхондральной кости при действии низкоинтенсивного лазерного и магнитолазерного облучения // Весцi НАН Беларусi, сер. мед.-бiял. навук, 2002, № 4. С. 120 —124.
38. Боголепов Н.Н. Методы электронно-микроскопического исследования мозга. М., 1976.

Summary

Experiments were performed on rabbits with experimental trauma of the knee joint. The submicroscopic structure of the liver and its immune system was studied in the postoperative period and after radiation in the same time spell by low-intensity red laser light.

Analysis of the results indicates that the liver of rabbits with experimental arthritis is characterized by a signifi cant structural tension and an associated reduction of the functional activity not only of hepatocytes but also of immune elements. Energy and synthetic processes are inhibited, and the blood supply of the organ is diminished. The phagocytic system is moderately active.

Laser radiation of 10 points around the operative wound and at the liver induced accumulation in the hepatocytic cytoplasm of a considerable number of glycogen granules, ribosomes, mitochondria, laminar complex elements, etc. Multiple villi of hepatic cells in the perisinusoidal space, improvement of the microcirculation and blood supply of the liver imply a high activity of hepatocytes themselves and metabolic processes between them and sinusoidal blood. Activation of Kupffer cells localized not only in the sinusoidal endothelium where their precursors, activated monocytes and macrophages, are observed but also in the capillary lumen where small and large activated lymphocytes may closely adjoin the endothelium and interact with it, is a typical pattern of stimulation of the hepatic immune system. Hence, application of low-intensity red laser therapy in conditions of traumatic arthritis not only prevents operatively provoked responses in the liver but also exerts a powerful stimulatory effect on its ultrastructure and immune system, which augments their functional capacity, thereby stimulating the performance of the whole body.