Cơ chế tương tác của laser công suất thấp với cơ thể sống

Cơ chế tương tác của laser công suất thấp với cơ thể sống Quang thụ thể (chromophore): caùc phaân töû hay coù khaû naêng bieán ñoåi naêng löôïng aùnh saùng thaønh daïng naêng löôïng khaùc Phaûn öùng quang sinh: söï haáp thuï aùnh saùng coù böôùc soùng nhaát ñònh bôûi phaân töû quang thuï theå. Quang phoå taùc ñoäng (toång hôïp acid nhaân, keát dính maøng teá baøo): Caùc cöïc ñaïi 404, 620, 680, 760 vaø 825 nm. coù theå quy veà phoå cuûa CytCoxydase. 825 nm: cytA OX, 760 nm: cytB RED, 680 nm: cytB OX, 620 nm: cytA RED. Ñænh 400450 nm: laø ñöôøng bao cuûa moät soá ñænh haáp thuï ôû vuøng 350450 nm (cöïc ñaïi ôû gaàn 404420 nm coù theå quy cho hemOX vaø ôû gaàn 450 nm coù theå quy cho cytB RED).

CƠ CHẾ TƯƠNG TÁCBỨC XẠ LASER CÔNG SUẤT THẤP

VỚI CƠ THỂ SỐNG

Ths Nguy n Th Ng c Lam ễn Thị Ngọc Lam ị Ngọc Lam ọc Lam

ỨNG DỤNG LASER TRONG Y HỌC

LASER

Nghiên cứu các

đối tượng sinh học

Các phương pháp

ghi phổ, đo đạc,

vi thao tác

Tác động tới cácđối tượng sinh học

Sinh kích thích

Quanghoá Quangđông Bốc bay tổ chứcPhân hủy nhiệt

chọn lọc quang động họcHiệu ứng

Endre Mester (Hungary, 1968): bức xạ laser Ruby và Argon làm các vết loét mãn tính chóng lành hơn

Các hiện tượng vật lý x y ra ảy ra

Các hiện tượng vật lý x y ra ảy ra

khi chiếu tia laser lên mô sinh học

Các hiện tượng vật lý xẩy ra

khi chiếu tia laser lên mô sinh học

Hiện tượng phản xạ

Các hiện tượng vật lý xẩy ra

khi chiếu tia laser lên mô sinh học

Hiện tượng phản xạ

Các hiện tượng vật lý xẩy ra

khi chiếu tia laser lên mô sinh học

Hiện tượng tán xạ

Các hiện tượng vật lý xẩy ra

khi chiếu tia laser lên mô sinh học

Hiện tượng hấp thụ

ĐỘ XUYÊN SÂU

- Tương tác với các quang thụ thể (photoacceptor)

- Biến đổi quang thụ thể

- Biến đổi phân tử

- Biến đổi dưới mức tế bào

- Biến đổi mức tế bào

- Biến đổi tổ chức, cơ thể

TƯƠNG TÁC CỦA LASER CÔNG SUẤT THẤP VỚI CƠ THỂ SỐNG

CÁC QUANG THỤ THỂ Ở CÁC TẾ BÀO NHÂN

THẬT

KHÔNG QUANG HỢP

Quang th th (chromophore): ụ thể (chromophore): ể (chromophore): các phân tử hay có khả năng biến đổi năng lượng ánh sáng thành dạng năng lượng khác

Phản ứng quang sinh: sự hấp thụ ánh sáng có bước sóng nhất định bởi phân tử quang thụ thể

QUANG THỤ THỂ

biệt hoá (photoreceptor):

rhodopsin, phytochrome, bacteriorhodopsin, chlorophyll

Không biệt hoá( photoacceptor):

?

QUANG THỤ THỂ

sinh học

Để hoạt động như một quang thụ thể, tham gia vào các quá trình quang sinh điều chỉnh, phân tử phải phần nào có cấu trúc then chốt, điều khiển con đường chuyển hoá

Thí dụ: Các mạch oxy hoá-khử

A Arvanitaki và N Chalazonitis: mạch hô hấp của các tế bào nhân thật cũng như nhân sơ đều có sự mẫn cảm ánh sáng

Mẫn cảm ánh sáng là tính chất chung của ty lạp thể tế

bào động vật có vú và có ý nghĩa sinh lý trong các điều kiện xác định

Ty lạp thể chiết tách mẫn cảm với bức xạ ánh sáng đơn sắc vùng khả kiến và hồng ngoại gần

Tổng hợp ATP

 = 405 nm, 415 nm,

436 nm, 602 nm, 632,8 nm, 650 nm

 477 nm, 546

nm, 554 nm và 577

Tieâu thuï oxy

 = 632,8 nm điện thế màng

Tế bào thần kinh và cơ tim: ánh sáng vùng khả kiến có thể gây các biến đổi hình thái sinh lý

Các biến đổi chức năng ở tế bào bị kích thích do chiếu laser có liên quan với tác động lên mạch hô hấp

Năng lượng photon gây tăng tốc quá trình chuyền điện tử trong mạch hô hấp và dịch chuyển cân bằng các phản ứng oxy hoá khử

Phân tử thụ thể sơ cấp:

cytochrome và flavin?

Quang phổ tác động (tổng hợp acid nhân, kết dính màng tế bào):

Các cực đại 404, 620, 680, 760 và 825 nm

có thể quy về phổ của CytC-oxydase

- 825 nm: cytA OX,

- 760 nm: cytB RED,

- 680 nm: cytB OX,

- 620 nm: cytA RED

Đỉnh 400-450 nm: là đường bao của một số đỉnh hấp thụ

ở vùng 350-450 nm (cực đại ở gần 404-420 nm có thể quy cho hemOX và ở gần 450 nm có thể quy cho cyt RED)

Phân tử CytC-oxydase không phải ở trạng thái hoàn toàn oxy hoá hay khử, mà ở một trong các dạng trung gian, là quang thụ thể sơ cấp

Cơ chế chuyền điện tử phức tạp, nhiều bậc (và chưa sáng tỏ tường tận) giữa các trung tâm khác nhau trong phân tử men tạo ra sự tồn tại nhiều dạng trung gian, khác nhau ở mức độ oxy hoá

Một trong những cơ chế tác động khả dĩ của ánh sáng lên tế bào nằm ở sự tăng tốc truyền điện tử ở mạch hô hấp

do sự thay đổi tính chất oxy hoá khử của các thành phần

của nó, tạo nên trạng thái điện tử quang kích thích

T ng t c ăng tốc ốc độ truyền điện tử nội trong phân tử cytC-oxydase

Giảm số lượng liên kết ở tâm xúc tác NO (điều tiết tố (kìm hãm) đối với hoạt tính của cytc-oxydase và liên kết với chính cyt )

h

?

?

Sự tăng nhiệt độ trong thời gian ngắn của sinh phân tử hấp thụ có thể gây ra biến đổi cấu trúc (thí dụ hình thái) và dẫn đến tác động của các quá trình sinh hoá (các phản ứng tối, thứ cấp),

như sự hoạt hoá hay kìm hãm các men

Sự tham gia của các phân tử oxy.

Superoxyde

-trong quá trình hô hấp bình thường 1-2% oxy không được

khử hoàn toàn đến nước mà chỉ đến anion superoxyde O2-. ;

-cường độ tạo O2-. phụ thuộc vào trạng thái trao đổi chất

của ty lạp thể;

-sự hoạt hoá hoạt động mạch hô hấp và oxy hoá co-enzyme Q làm tăng lượng O -. tạo thành

acid arachidonic v.v.

Oxy singlet

- (giả thiết) sự hấp thụ photon do các porphyrin và flavin làm tăng sản xuất oxy singlet 1 O 2

(hiệu ứng quang động học)

- oxy singlet cũng có thể được tạo ra theo con đường

kích thích trực tiếp

- nồng độ rất nhỏ 1 O có thể thúc đẩy tăng sinh tế bào

Quang thụ thể

- Các phân tử hô hấp mạch tế bào: cytochrome (a/a3,

glutamate dehydrogenase

- Các acide nhân

- Liên kết hydro: ngoại phân tử, nội phân tử

- Oxy phân tử

CÁC CƠ CHẾ TẾ BÀO SƠ CẤP

CÁC CƠ CHẾ TẾ BÀO THỨ CẤP

(PHẢN ỨNG TỐI)

Nhiều phản ứng sinh hoá ở tế bào xẩy ra trong nhiều giờ thậm chí nhiều ngày sau chiếu sáng (vài giây cho đến một số phút)

- phổ tác động tốc độ tổng hợp ADN và ARN vẫn đo

được 1,5 giờ sau bức xạ bằng ánh sáng đơn sắc kéo dài 10s

?

MẠCH KHUYẾCH ĐẠI VÀ TRUYỀN TÍN HIỆU QUANG:

Ba cặp đóng vai trò cơ bản trong điều chỉnh thế redox:

GSH/GSSH, NAD/NADH và NADP/NADPH.

Con đường thứ nhất: điều chỉnh oxy hoá khử

Các chức năng oxy hoá -

khử được hoạt hoá nhờ ánh

sáng

thay đổi ở trạng thái

oxh-kh của bào tương (Eh)

hoạt hoá một số yếu tố phiên mã (NF-kB, AP-1), khử cực tế bào, thay đổi pH nội bào (pHi) thời gian ngắn

Một sự thay đổi nhỏ mức ATP nội bào cũng có thể làm thay đổi đáng kể trao đổi chất tế bào

Con đường thứ hai: kiểm soát mức ATP nội bào

Phản ứng thứ cấp

ATP nội bào

Tại sao các quang thụ thể sơ cấp như nhau và các phản ứng sơ cấp ở mạch hô hấp giống nhau lại dẫn đến các đáp ứng tế bào khác nhau?

 Đáp ứng tế bào được quyết định ở mức các phản ứng thứ

cấp (tạo tín hiệu tế bào), nhanh nhất là ở mức độ phiên mã.

 Mặc dù có tính đồng nhất của một số giai đoạn cơ bản ở đầu mạch truyền tín hiệu quang, nhưng bằng các phản ứng tiếp

theo , tuỳ thuộc vào các yếu tố phiên mã (thí dụ, các yếu tố

điều chỉnh redox NF-kB, AP-1), quyết định đáp ứng cụ thể của kiểu tế bào được khảo sát.

Sự thay đổi trạng thái OXY HOÁ-KHỬ tế bào có thể tạo nên không chỉ bằng bức xạ laser mà bằng các con đường khác

(thí dụ hoá học, điện)

Tuy nhiên khi nói về tác động ở mức mô hay toàn bộ cơ thể, tác động laser có ưu thế cả trên phương diện các hiệu ứng có lợi tiềm năng lẫn tác động khu trú chọn lọc

Biến đổi mức tế bào

- Tái lập cấu trúc và hoạt động chức năng của màng tế bào

- Thay đổi điện tích, điện cực tế bào, điện thế màng,

- Tăng hoạt tính tăng sinh

BIẾN ĐỔI MỨC CƠ QUAN VÀ CƠ THỂ

-Tăng sinh tế bào

- Thúc đẩy phục hồi

- tăng cường miễn dịch

- Hoạt hĩa vi tuần hồn

I.Z Samosjuky và cs (1997):

-Tăng cường họat tính enzym

-Tăng tổng hợp ATP

-Kích thích tổng hợp ADN và ARN

- Kích thích tổng hợp protein

- Kích thích miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu

- Kháng viêm

- Giảm đau

-Giải dị ứng cục bộ và toàn thân

-Hoạt hoá chức năng hệ tuần hoàn

HIỆU ỨNG KÍCH THÍCH SINH HỌC CỦA LASER CÔNG SUẤT THẤP

HOẠT HOÁ CHỨC NĂNG HỆ TUẦN HOÀN

+ Tăng chỉ số tiêu sợi huyết

+ Tăng nồng độ Heparin tự do

+ Tiêu huyết khối tự phát

+ Giảm nồng độ Fibrinogene

+ Giảm chỉ số đông máu

+ Giảm ngưng kết hồng cầu

+ Giảm độ kết dính tiểu cầu

+ Giãn mạch (vi mạch)

+ Tăng tân tái tạo mạch

+ Tăng vi tuần hoàn

+ Tăng dung nạp oxy với Hemoglobin 20-30%+ Giảm nhu cầu tiêu thụ oxy của tổ chức

+ Tăng khả năng thực bào của bạch cầu

CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA TƯƠNG TÁC LASER CÔNG SUẤT THẤP LÊN CƠ THỂ SỐNG

Thông số tác động tối ưu đưa lại hiệu quả điều trị tối đa

Không có lý thuyết (kể cả giả thuyết) hiện hữu nào có thể cho phép xác định định lượng các thông số

Các thông số được xác định theo kinh nghiệm

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ TÁC ĐỘNG

LASER CST LÊN CƠ THỂ NGƯỜI

• tương tác với các tác nhân khác: đồng vận, đối vận

• tính chất tác động: vị trí và chế độ

• thông số bức xạ: bước sóng, công suất, năng lượng, nhịp…

• nhịp sinh học của bệnh nhân

BƯỚC SÓNG

Trung cổ: điều trị đậu mùa bằng ánh sáng đỏ

Doebereiner, 1816: nhiệt và các vùng ánh sáng khác nhau có ảnh hưởng khác nhau, liệu pháp nhiệt và LP màu

J Beclard (1858): trứng ruồi nở nhanh hơn với AS tím, ánh sáng lục tác dụng kém nhất Còn lại: xanh > đỏ > vàng > trắng

Selmi và G Piacentini (1870), cường độ thải CO2 ở các

động vật khác nhau: vàng > lục > xanh > trắng

J Moleschotta (1885): ảnh hưởng của ánh sáng lên trao đổi khí ở sinh vật

B.S Kogan: ảnh hưởng của ánh sáng trắng và đơn sắc lên trao đổi protein ở động vật (chó)

Ánh sáng đỏ làm giảm các quá trình oxy hoá, vàng và tím hoạt hoá

BƯỚC SÓNG

Aùnh sáng đơn sắc SĐS có tác động rõ rệt lên hoạt tính vỏ não, phản ứng miễn dịch, quá trình tạo máu, tái sinh mô, tăng sinh tế bào, hoạt tính men oxy hoá khử và các men khác.

Tương quan chưa hoàn toàn sáng rõ

BƯỚC SÓNG

Kết dính

Bước sóng

ADN

ADN ARN

Hiệu ứng bức xạ

T.I Karu và nk: Hiệu quả bước sóng bức xạ trên quá trình tổng hợp

ADN, ARN và kết dính màng ở tế bào HeLa in vitro

BƯỚC SÓNG

S Rochkind và nk: chiếu laser 5 BS khác nhau qua da lên thần kinh ngoại biên tổn thương do chèn ép.

Laser He-Ne làm giảm hoạt động chức năng thần kinh,

ánh sáng không kết hợp (660 nm) ít hiệu quả Laser 830

nm + AS không kết hợp 880 và 950 nm không gây hiệu ứng

Ju.I Ukhov và cs.: so sánh tác động ánh sáng laser He-Ne và HN chiếu trong ổ bụng lên hoạt tính miễn dịch He-Ne ảnh hưởng mạnh lên tế bào thực bào dịch rỉ, HN – các quá trình tăng sinh tế bào và biệt hoá tế bào mô hạt

BƯỚC SÓNG

P.Sh.Movljan-Khodjaev: BX laser (He-Ne, BDHN, hơi đồng và nitơ) có tác động kích thích lên hàng rào bảo vệ ống tiêu hoá.

He-Ne: thay đổi cấu trúc tế bào biểu mô

Hơi đồng và nitơ: thay đổi ở tế bào mô liên kết (trước hết ở bạch cầu, tương bào, dưỡng bào)

HN-từ: kích thích vi tuần hoàn, di cư tế bào và hoạt tính thực bào

BƯỚC SÓNG

G Gallety: BX laser CO2 (10600 nm, 1,5 J/cm2) và

GaAlAs (830 nm, 0,5 J/cm2) kích thích lành vết thương ngoại khoa

CO2 kích thích lành mô xương

V.N Koshelev và cs: BXHN kích thích lành vết thương mạnh hơn

Đối với gãy xương laser He-Ne, CO2 (10.600 nm) nitơ (tử ngoại) có tác dụng giống nhau

BƯỚC SÓNG

Ảnh hưởng của bức xạ laser công suất thấp lên đối tượng sinh học phải dựa trên cơ sở tương tác năng lượng với vật chất.

Hiệu ứng phụ thuộc vào năng lượng tương tác

Các dạng cơ thể khác nhau (từ đơn bào tới con người) mẫn

cảm với trường điện từ các tần số khác nhau (trong đó có

vùng quang học) ở mức năng lượng tương tác nhiều bậc

nhỏ hơn giá trị lý thuyết

NĂNG LƯỢNG

Liều bức xạ

Phản ứng cơ thể

Mức sinh lý

Trạng thái xuất phát

Tối ưu

Các pha phản ứng của cơ thể đối với bức xạ laser

• Liều thấp: không tác dụng

• Liều vừa: tác dụng tốt

• Quá liều: phản tác dụng

NĂNG LƯỢNG

Liều tác động laser chỉ là một phần của đặc tính thông năng lượng.

tin-NĂNG LƯỢNG

Vùng năng lượng tối ưu có khoảng biến thiên rất hẹp

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mật độ năng lượng được cơ thể hấp thụ:

-sai số đo công suất bức xạ -tính bất đồng nhất của môi trường hấp thụ -sự thay đổi hệ số phản chiếu bề mặt

Tốc độ sinh trưởng E coli ở

các liều bức xạ laser liên

tục khác nhau

Mật độ công suất 15,7 mW/cm 2

Kích thích

NĂNG LƯỢNG

Liều J/m 2

Hiệu ứng bức xạ

Kích thích hoá huỳnh quang tế bào máu bằng bức xạ laser ( = 820 nm, f = 700 Hz) với các cường độ khác nhau (mW/cm2): 1- 0,4; 2-1,2; 3-5,1; 4- 15,2; 5- 63,3; 6-199

NĂNG LƯỢNG

Liều J/m 2

Hiệu ứng bức xạ

Sự tăng tính kết dính màng tế bào HeLa (1-3) hay hoá huỳnh quang tế

bào tuỷ xương chuột bằng bức xạ laser ( = 820 nm, f = 700 Hz) với các cường độ khác nhau:

1, 4- 5,1mW/cm ; 2-63,3 mW/cm ; 3, 5-199 mW/cm

NĂNG LƯỢNG

THÔNG TIN

• Là tổ chức không gian – thời gian của tác động

• Thông tin của BX laser:

bước sóng tần số điều biến biên độ và độ rộng xung độ phân cực

độ đơn sắc mật độ công suất cách thức tác động nhịp sinh học của BN sự kết hợp các tác nhân khác …

Thời gian

Thay đổi phần thông tin của bức xạ cho phép giảm năng lượng

bức xạ một vài bậc mà vẫn cho hiệu ứng cuối cùng tương

đương hay lớn hơn

THÔNG TIN

TÍNH KẾT HỢP

- Tính kết hợp không gian và thời gian.

- Độ dài kết hợp của các laser bán dẫn vào cỡ millimet ->độ

kết hợp không gian mất khi tiếp xúc với mô sinh học

- Độ kết hợp thời gian liên quan chặt chẽ với tính đơn sắc

Các đối tượng sinh học có cấu trúc không đồng nhất phức tạp về mặt quang học (Danilov, Malov): gần giống tinh thể lỏng, chứa nước liên kết, tạo ra các hiện tượng quang học đa dạng khi bức xạ kết hợp lan truyền trong đó

TÍNH KẾT HỢP

-Hiện tượng tán xạ mạnh trong các mô sinh học (trừ mắt)

- Hiện tượng giao thoa và tính phân cực bị triệt tiêu chỉ sau một độ sâu không lớn (200 m đối với  = 630 nm,

Khaidakov)

-Da chứa nhiều quang thụ thể

TÍNH K T H P ẾT HỢP ỢP

J Kubota, T Oshiro: Bức xạ laser CST làm tăng truyền dịch, số lượng mao mạch, vận tốc dòng máu ở vết thương chuột thí nghiệm

Diode quang thì không (840 nm)

T Berki và nk.: bức xạ laser He-Ne làm tăng khả năng

thực bào và sản xuất immunoglobulin ở tế bào in vitro

Ánh sáng thường đơn sắc hoá cùng bước sóng và cùng liều thì không

D Haina và nk: bức xạ laser He-Ne làm tăng tốc độ tạo mô hạt ở vết thương trên chuột 13% (ở liều 0,5 J/cm2) và 22% (1,5 J/cm2)

Ánh sáng không kết hợp cùng bước sóng làm tăng dưới

10%

R.G Calderhead: bức xạ diode quang không có tác dụng đối với vết thương 3-9 cm trên chuột so với laser diode (830-840 nm, 1J/cm2)

TÍNH ĐƠN SẮC

Bức xạ laser CST có hiệu quả điều trị cao hơn ánh nắng nhiều lần (10-100 mW/cm2)  độ đơn sắc có tầm quan trọng

Độ rộng phổ bao nhiêu?

Ánh sáng đỏ phổ rộng (50-200 nm) > < laser He-Ne

 laser ưu thế hơn

Laser = ánh sáng đèn cùng phổ

PHÂN CỰC

Bức xạ phân cực bị hấp thụ kém hơn BX không phân cực

Mô sinh học có các tính chất quang học khác nhau đối với ánh sáng phân cực và không phân cực

-> hiệu ứng KTSH của ánh sáng phân cực có thể lớn

hơn

BỨC XẠ XUNG VÀ ĐIỀU BIẾN

Điều biến cường độ nguồn sáng – xu hướng của laser trị liệu

Hiệu quả ĐT của BX xung cao hơn liên tục

Xung và điều biến làm giảm sự lờn của cơ thể trước tác động.

Tần số, độ rộng xung, khoảng ngắt bao nhiêu?

BX laser CST xung hiệu quả hơn liên tục do tác động trigger lên cơ thể: tạo các phản ứng cục bộ và toàn thân hướng về bình thường hoá các chức năng bị mất và hồi phục các tổn thương cục bộ.

BỨC XẠ XUNG VÀ ĐIỀU BIẾN

CÔNG SUẤT VÀ CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ

Mật độ công suất có ý nghĩa lớn hơn CS

Các phần khác nhau của cơ thể đáp ứng khác nhau

Nhiều thực nghiệm lâm sàng cho thấy:

Hiệu quả điều trị nằm trong khoảng 0,4-10 mW/cm2 đối với

BX liên tục và 0,01-1,0 mW/cm2 đối với xung

Một số trường hợp đặc biệt dùng mật độ 300-500 mW/cm2

Mật độ năng lượng tối ưu thông thường là 1 – 3 J/cm2

Nhịp thay đổi tốc độ sinh trưởng vi sinh vật kích thích bởi ánh sáng

(Karu)

NHỊP SINH HỌC

V.V.Trubchov: phản ứng thích nghi của thần kinh đối với

NHỊP SINH HỌC

Các luận điểm cơ bản

Cơ thể người là một cấu trúc tự tổ chức và điều

khiển phức tạp

Cơ thể sống một mặt duy trì các điều kiện bên trong độc lập, mặt khác luôn luôn trao đổi vật chất và thông tin với môi trường bên ngoài

Nếu sự trao đổi thông tin được thực hiện bằng con đường điều tần thì cần một phổ rất rộng các tần số độc lập để tổ chức cấu trúc thông tin