Введение. Одной из наиболее известных областей применения лазеров является медицина. В медицине, в свою очередь, широкое распространение получило использование лазеров в хирургии и внутривенном лазерном облучении крови (ВЛОК) с терапевтическими целями. Факты воздействия монохроматического, поляризованного, когерентного излучения на живые биообъекты в настоящее время хорошо документированы. Но единого представления о взаимодействии биообъекта и лазерного излучения не сложилось, хотя, очевидно, что понимание и изучение механизма такого взаимодействия поможет решить множество проблем.

Принципиальная проблема ВЛОК, состоит в отсутствии надежной информации о механизме воздействия света на живой организм и природе первичных фотоакцепторов, что, в свою очередь, не позволяет сформулировать обоснованные критерии назначения и контроля параметров воздействия света на организм. Процедура ВЛОК проводится с помощью гелий-неонового лазера с длиной волны l =633 нм. или полупроводниковым лазером (l ~ 1 мкм.). Известно, что лазерная волна является монохроматической, когерентной и поляризованной. В зависимости от величины световой энергии, поглощенной тканями живого организма, возникают различные биологические эффекты. Чаще всего применяют мощность излучения от 0,1 до 100мВт/см², что не вызывает деструктивных изменений в тканях Степень рассеивания и глубина проникновения света зависят от длины волны излучения и оптических свойств ткани.

Терапевтический эффект лазерного излучения должен обуславливаться физическими процессами, протекающими как на уровне всего организма в целом, так и более низких уровнях – орган, клетка, фрагмент клетки, биомолекулы и т. д. Особое место среди различных методик лазерной биостимуляции занимает внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК) по той причине, что кровь является биологическим компонентом, который интегрирует функционирование всего организма в целом. Кровь является той жидкостью, которая обеспечивает обмен всех питательных веществ и газов. Лазерное воздействие на крови, по видимому, является одним из наиболее существенных аспектов всех эффектов лазерной биостимуляции. Так, используя данные по микрокапиллярному кровотоку [1], можно оценить, что, при облучении в течение 10 мин 1 см² кожи на пальце, лазерному воздействию подвергается около 100 мл. крови (при общем объеме крови 3 – 5 л). Видимо, поэтому процедура ВЛОК оказывается одной из самых действенных по своим медико-терапевтическим последствиям.

Одной из наиболее актуальных и нерешенных проблем в области применения лазеров в медицине является дозиметрия поглощенной биотканью световой энергии и количественное определение результата лазерного воздействия, причем желательно в терминах физически измеримых величин. В настоящее время в практическом здравоохранении результаты ВЛОК определяют способом биохимического анализа крови до и после облучения, и, исходя из полученных результатов, определяют энергетический график всего курса лазерной терапии для конкретного больного. Данных такого рода опубликовано в научной литературе достаточно много, но их физическая и методическая обоснованность, хотя бы в части метрологической достоверности дозы поглощенной световой энергии, весьма сомнительны и не позволяют дать хотя бы минимального количественного описания временной динамики процесса ВЛОК. Кроме того, опубликованный массив данных очень плохо поддается интерпретации, поскольку биохимические параметры крови зависят от большого числа индивидуальных факторов, а сами методики различны у разных исследователей.

Свойства и состав крови. Кровь – особая жидкая ткань организма, в которой своеобразные клетки свободно взвешены в жидкой среде. Жидкая часть крови – плазма – имеет связь со всеми органами и тканями и отражает происходящие в них биохимические и биофизические процессы. Количество крови у человека в нормальных условиях составляет от 1/13 до 1/20 части от общей массы (3 – 5 л.). Цвет крови зависит от содержания в ней оксигемоглобина: артериальная кровь ярко-красная (богата оксигемоглобином), а венозная темно-красная (бедная оксигемоглобином). Вязкость крови в среднем в 5 раз превышает вязкость воды. Поверхностное натяжение меньше натяжения воды. В составе крови 80% - воды, 1% - неорганические вещества (натрий, хлор, кальций), 19% - органические вещества. Плазма крови содержит 90% воды, удельный вес ее составляет 1030, ниже, чем у крови (1056-1060). Кровь как коллоидная система обладает коллоидно-осматическим давлением, т. е. способна удерживать определенное количество воды. Это давление определяется дисперсностью белков, концентрацией соли и другими примесями. Нормальное коллоидно-осматическое давление составляет около 30 мм. вод. ст. (2940 Па) [3].

Форменными элементами крови являются эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. В среднем 45% крови составляют форменные элементы, а 55% плазма. Эритроциты – безъядерные тельца и состоят из оболочки и жидкого гемоглобина, белкового вещества и нуклеопротеидов. Оболочка состоит из липоида (холестерина и лецитина). Красные кровяные тельца обладают значительной пластичностью и, по-видимому, они могут вытягиваться во время прохождения капилляров, а затем возвращаться в исходное состояние. После выхода из капилляров венозная кровь содержит большой объем кровяных телец, нежели артериальная кровь (не за счет их числа, а за счет их разбухания).Гемоглобин в норме занимает около 95% всей плотной массы эритроцита, и 13% по отношению к весу всей крови. Нормы гемоглобина меняются от условий питания, погодных условий и от мест проживания. Лейкоциты – ядерные клетки, бесцветные. Обычно лейкоцитов примерно в 800 раз меньше, чем эритроцитов. В различных частях тела число лейкоцитов разное. В расширенных сосудах их больше, чем в суженных, потому что в таких сосудах ток крови замедляется. Замечено, что лейкоциты движутся преимущественно вблизи стенок сосудов [4].

Функции крови. Кровь через стенки капилляров входит в соприкосновение с тканями организма и снабжает их кислородом, пищей, водой и даже теплом, а также уносит обратно продукты переработки, СО, молочную кислоту и др. Красные кровяные тельца переносят газы; они воспринимают при помощи гемоглобина кислород из альвеолярного воздуха и разносят его по кровеносному руслу[3,4].

Динамика крови. В крупных кровеносных сосудах кровь можно считать ньютоновской жидкостью, то есть подчиняющийся гидродинамическим законам движения[4]. Поток крови считается ламинарным и однородным. Однако при разветвлении крупного сосуда на более тонкие могут возникать области отрыва и пограничные области, и течение становится турбулентным. Кровь с физической точки зрения представляет собой смесь жидкостей, обладающих разными коэффициентами вязкости. Коэффициент вязкости всей смеси зависит от процентного соотношения ее составляющих. С другой стороны, кровь, движущуюся по круглым каналам, может рассматриваться как суспензия – жидкость со взвешенными в ней частицами, имеющими размер гораздо меньший, чем диаметр трубы. Течение такой суспензии обладает замечательным свойством: в узкой зоне около стенок трубы взвешенные частицы отсутствуют. Это явление носит название пристеночного эффекта [5]. Физическим законам сохранения может удовлетворять движение смеси с произвольным распределением концентрации более вязкой жидкости, но, тем не менее, устанавливается такое течение, которое обладает пристеночным эффектом. При этом концентрация жидкости большей вязкости практически равна нулю у стенок трубки и максимальна в окрестности ее оси. Учет пристеночного эффекта позволяет объяснить наблюдающееся при ВЛОК снижение вязкости крови при одновременном увеличении геометрических размеров клеток крови за счет более эффективного захвата кислорода. Данное обстоятельство подтверждает необходимость облучения при ВЛОК именно сосудов- в микрокапиллярах достичь снижения вязкости крови невозможно, а это ключевой фактор при лечении, например, инфаркта миокарда.

Микрокапиллярная система. Диаметр микрокапилляров колеблется в диапазоне от 4 до 5 мкм, а их протяженность оценивается величиной около 100.000 км., поэтому они располагают огромной площадью, через которую происходит транспортный обмен веществ. В целом, капилляры образуют упорядоченную систему путей микроциркуляции, обеспечивая непрерывное движение крови около клеток организма и тканей, где осуществляются обменные механизмы, без которых жизнь тканей была бы невозможной.

Эффект аномально низкого трения при движении крови по микрокапиллярам при периодическом силовом воздействии пульсового напряжения обусловлен формированием из частиц крови т.н. волновых пакетов. В частности, этот эффект достигается за счет увеличения степени “разрыва”между структурными блоками при их движении в режиме “физического маятника”и возникновения поверхностных деформационных волн солитонного типа на поверхности клеток крови. При этом характеристики солитонных волн оказываются соразмерными рельефу шероховатости поверхностей взаимодействующих в пределах волнового пакета блоков. Пульсирующее давление способствует упаковке этих пакетов в структуры, подобные спиральному течению жидкости при входе в воронку. Поэтому можно предположить, что наличие пульсирующего воздействия, кроме непосредственного продвижения крови, является необходимым механизмом, препятствующим возникновению турбулентного движения крови по кровеносной системе[1].

Гистофизиология капилляров, предполагает, что микроциркулярное русло разделяется на относительно обособленные в структурно-функциональном плане макрососудистые блоки (или модули), что обеспечивает равные условия для доставки крови в многочисленные капилляры органа. Тем самым происходит функциональная кооперация работы капилляров не только с окружающими их тканями, но и с другими близлежащими микрососудами, определяющими режим капиллярной гемодинамики[1].

Причины светочувствительности при ВЛОК. Из данных спектральных исследований известно [6], что на макромолекулярном уровне компоненты крови не имеют ярко выраженных максимумов поглощения при длинах волн излучения, применяемого для проведения ВЛОК. Поэтому, используя подход, принятый в физике полимерных голографических регистрирующих сред [7], можно предположить, что центрами светочувствительности при ВЛОК, кроме ионов железа, входящих в состав гемоглобина, могут выступать биологические макромолекулы и их ансамбли, имеющие отличный от нуля дипольный момент, т.е. имеющие сферически асимметричное конформационное состояние[8]. Последнее может быть обусловлено различными типами взаимодействия элементов крови между собой и стенками капилляров и сосудов. Можно, поэтому, сказать, что светочувствительность при ВЛОК обусловлена системными факторами и имеет фрактальную или иерархически организованную структуру как по механизм взаимодействия с когерентным излучением, так и по величинам энергетической и спектральной светочувствительности.

• Гидрокомплексы форменных элементов крови и стенок сосудов (КВЧ и дальний ИК диапазон [9]);
• Коллективные модули воды и аквакомплексы белковых макромолекул (средний и ближний ИК диапазон [10]);
• Форма оболочки эритроцитов и других элементов крови или четвертичная структура белковых макромолекул [6] (ИК и видимый спектр. диапазон);
• Третичная и вторичная структуры белковых макромолекул типа гемоглобина [6] (видимый спектральный диапазон);
• Ионы железа в гемоглобине ( сине-зеленая область видимого спектрального диапазона);
• Первичная структура белковых макромолекул (УФ спектр. диапазон).

Конечно, такое разбиение достаточно условно и вряд ли исчерпывающе, но оно соответствует принятому в биофизике разделению на типы структур белковых макромолекул [6].

Сенситометрия результатов ВЛОК. Проведя разбиение по механизмам светочувствительности кровеносной системы, логично использовать систему представления результатов взаимодействия крови с лазерным излучением в хорошо известной сенситометрической системе типа ХиД [11], широко применяемой в теории фотографического процесса. В работе [2] было проведено исследование явлений лазерной фотомодификации крови при ВЛОК способом спектрометрии образцов крови забираемой у пациентов в строго фиксированные (по отношению к лазерному воздействию) временные моменты. Использованная методика предполагает, что лечебные действия ВЛОК не связано с действием света на стенки сосуда, поскольку анализу подвергаются только образцы крови in vitro. Несмотря на такое не очень обоснованное предположение, экспериментальные данные, полученные в [2], являются, по-видимому, первыми, показывающими динамику процесса ВЛОК, как во время отдельного сеанса, так и в течение всей процедуры.

Методика получения исходных данных. Исследовался спектр поглощения цельной гепаринизированной венозной крови, взятой до и после проведения сеанса ВЛОК, технически это проводилась так: у больного, которому было назначено ВЛОК, пунктируется периферическая вена и разовым шприцом, предварительно гепаринизированным, производится забор 2-3 мл. крови, через просвет иглы в непосредственно в кровоток вводится моноволоконный световод, где кровь облучается световым конусом. Взятая венозная кровь разводится вначале на 1 мл. крови добавляется 5 мл. изотопического раствора хлористого натрия, а затем добавляется 54 мл. дистиллированной воды. Получался образец 1:60, помещают в кювету спектрофотометра "Specord" и записываются спектры поглощения в диапазоне 400-800 нм. После окончания сеанса ВЛОК производится повторный забор 2-3 мл. венозной гепаринизированной крови приготавливают разведенный образец 1:60 и проводят запись спектров поглощения.[2].

1. фотомодификация крови лазерным излучением с l =0,63 мкм. не приводит к химическим реакциям, а ведет только к конформационным изменениям молекул;
2. фотомодификация крови происходит по механизму фотопереноса электрона, как и в случае слоев дихромированного желатина [7]. Иными словами, квант света с l =0,63 мкм. по механизму внутреннего фотоэффекта выбивает электроны из, например, молекулы гемоглобина, что приводит к изменению зарядовой архитектуры белка всей макромолекулы. Последнее влечет за собой переноску конформационного состояния макромолекулы, что, с ростом поглощения энергии, увеличивает подвижность всей макромолекулярной цепи и облегчает, после прекращения ВЛОК, возвращение молекулы при релаксации (рис.2(а, б)) к нативному здоровому состоянию.
3. мониторинг процесса ВЛОК целесообразно проводить на длине волны 725 нм., где изменения поглощения наиболее ярко выражены.

Заключение. Таким образом, в результате проделанной работы предложен новый переход к представлению данных по ВЛОК в виде сенситометрических поверхностей в координатах (Т-l -lgЕ(0,65)). Такое представление позволяет интерпретировать явления лазерной фотомодификации крови как совокупность конформационных изменений макромолекул гемоглобина в результате первичной реакции фотопереноса электрона. Рассмотрены особенности движения крови по микрокапиллярам и сосудам и показано, что ключевую роль в возникновении эффекта снижения вязкости крови при ВЛОК может играть пристеночный эффект. В микрокапиллярах существенную роль играет кооперативность протекающих изменений. Показано, что мониторинг процесса ВЛОК наиболее эффективно может осуществляться по пропусканию крови на длине волны l =725 нм.

1. Козлов В.М., Мельман Е.М., Нейко Е.М. Гистофизиология капилляров. - С – Петербург: Наука – 1994.
2. Марочков А.В. Внутривенное лазерное облучение крови, механизм воздействия и клиническое применение. – Минск: Полибиг – 1996.
3. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. – М.: Мир – 1988.- 671 с.
4. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов.–М: Москва–1983.
5. Павловский Ю.Н.О пристеночном эффекте. / “Механика жидкостей и газов”. –(1967), № 2, стр. 160
6. Шульц Г., Ширмер Р. Принципы структурной организаци белков. - М.:Мир - 1982 - с.248-259.
7. Vigovsky Yu.N., Konop S.P., Malov A.N., Malov S.N. Photoinduced phase transitions in hologram recording in layers of dichromated gelatin.// Laser Physics, (1998), vol.8, N 4, pp. 901 – 915.
8. Малов А.Н., Малов С.Н., Черный В.В. Физические основы лазерной терапии. – Иркутск: ИФ ИЛФ СО РАН, препринт № 2, - 1997. – 44с.
9. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. – М.: Радио и связь. – 1991. – 168 с.
10. Яшкичев В.И. Вода, движение молекул, структура, межфазные процессы и отклик на внешнее воздействие. 1996, М.-“АГАР”.