Нетермическое действие ЛИ на биологические ткани

Нетермическое действие возможно в результате оптического пробоя при высоких плотностях мощности qS. При этом напряженность электрического поля:

Электрический пробой может приводить к возникновению ударных волн и ионизации клеток, что приводит к их разрушению. Возникновение ударных волн и звуковых колебаний высокой амплитуды возможно и вследствие поглощения излучения, и возникновения термических напряжений. При этом давление в акустической волне:

где В — модуль упругости, е — коэффициент теплового расширения. Давление p в акустической волне велико при высоких значениях м и коротких длительностях импульса излучения фi. Так, при м = 1000 см?1 (сетчатка глаза), WS = 0,1 Дж и фi? 100 нс давление p может превысить ~100 атм (свыше 107 Па). В пределе в режиме модулированной добротности резонатора давление может достигать значения.

где V — объем, в котором выделилась энергия, Г — коэффициент пропорциональности (коэффициент Гренайзена).

Опыты показывают, что в таких режимах ткани поражаются далеко от места воздействия. Например, при облучении головы морской свинки рубиновым лазером (WS = 100 Дж, фi ~ 1 мс) кровотечения обнаружены в стволе мозга, т. е. на участках, далеко отстоящих от черепных костей.

Существует много других механизмов нетеплового действия ЛИ, например: давление света; электрострикция (возникновение электрического дипольного момента и механического вращающего момента); импульс отдачи (в результате извержения частиц с поверхности); механический импульс в результате внутреннего парообразования; фотохимические и фотодинамические эффекты. Большая плотность мощности может привести к многофотонному поглощению. Например, при четырехфотонном поглощении излучения неодимового лазера (л0 = 1,06 мкм) действие будет соответствовать действию УФ-излучения с л0 = 265 нм. Это означает, что излучение неодимового лазера при достаточной qS может вызвать прямую альтерацию нуклеиновых кислот и белков, несмотря на отсутствие у них полос поглощения в этой спектральной области. В опытах наблюдалось возбуждение и люминесценция в УФ-области при действии рубинового лазера с модуляцией добротности; при действии неодимового лазера — в области 500…600 нм. Следует отметить, что процессы, связанные с образованием свободных радикалов и многофотонным поглощением, маловероятны при минимальных, пороговых повреждениях лазерным излучением. Роль вынужденного комбинационного рассеяния в этих случаях тоже незначительна, поскольку переизлучение идет на близких длинах волн. Фотохимические процессы. В отличие от неспецифичных термохимических изменений, выражающихся в тепловом ускорении различных реакций (в первую очередь денатурационных альтераций белков), фотохимические процессы связаны с возбуждением определенных светопоглощающих структур (соединений) и избирательным влиянием на компоненты клетки. В связи с тем, что индукция фотохимических реакций определяется присутствием в клетке светоабсорбирующих веществ, а ее основные биохимические компоненты (белки и нуклеиновые кислоты) имеют максимум поглощения в ультрафиолетовой части спектра, именно эта спектральная область обуславливает наибольший фотохимический эффект. Фотодеструкция белков вызывается УФ-излучением с л0 < 290 нм, причем в области 230…290 нм поглощение обусловлено наличием.

В белковой макромолекуле ароматических аминокислот (фенилалин, тирозин, триптофан), а также цистина. Воздействие на нуклеиновые кис-лоты ЛИ с л0 < 280 нм приводит к повреждениям, из которых важным является образование димеров пиримидиновых азотистых оснований. Помимо прямого воздействия светового излучения на компоненты клетки, которое определяется их собственным поглощением (фотоабсорбцией), возможны повреждения, опосредованные фотосенсибилизаторами (фотодинамический эффект). В зависимости от полосы поглощения сенсибилизатора, разрушения можно производить излучением в видимой области спектра. В самой общей форме процессы прямого и сенсибилизированного фотоповреждения биологического материала могут быть записаны как:

Выражение (5.9) описывает прямое фотоповреждение, а выражение (5.10) — сенсибилизированное; М — облучаемый материал; М* - возбужденная система; Р — продукт реакции; S — сенсибилизатор; S* - реакционно-способный фотосенсибилизатор.

Опытами показано, что с применением фотосенсибилизаторов воз-можно повреждение клеток опухолевой ткани при мощности излучения значительно более низкой, чем необходимая для тепловой активации биологических объектов. В заключение следует отметить, что особенностью применения лазеров для индукции фотохимических процессов, по сравнению с другими световыми источниками, является возможность создания высоких плотностей потоков в узких спектральных участках, что важно при узких полосах поглощения биохимических соединений. Это позволяет избежать побочных реакций, которые возможны при облучении широким спектром.