Способ фототерапии

 

Изобретение относится к области медицины, биологии, ветеринарии и предназначено для проведения фототерапии путем биостимулирующего действия модулированного оптического излучения за счет повышения селективности воздействия на биологические объекты. Воздействуют узкополосным модулированным оптическим излучением на. биологические объекты. Частота модулирующего сигнала находится в диапазоне от 100 кГц до 30 ГГц. Длина волн излучения 0,75-1,6 мкм. Способ позволяет повысить активность иммунной системы и общую резистентность организма, увеличить фагоцитирующую активность лейкоцитов у людей и животных, изменить соотношение между концентрацией Т-хелперов и Т-супрессоров от 2,2 до 4,2 раз. 20 з.п. ф-лы, 3 табл.

Способ относится к области медицины, биологии, ветеринарии и может быть использован для проведения фототерапии, путем биостимулирущего действия узкополосного модулированного оптического излучения.

Известен способ фототерапии [1], используемый в различных областях медицины, биологии. Способ заключается в воздействии узкополосного оптического излучения (He-Ne лазер, непрерывный режим излучения, длина волны λ = 632,8 нм), оказывающего биостимулирующее действие на биологические объекты. Данный способ позволяет, например, достаточно успешно лечить ряд заболеваний (трофические язвы и др.), где медикаментозное воздействие не всегда эффективно, увеличивает скорость размножения микроорганизмов, пролиферацию культур клеток.

Недостатком способа является недостаточное биостимулирующее действие из-за низкой селективности воздействия на биологические объекты.

Для усиления биостимулирующего действия за счет повышения селективности воздействия модулируют мощность излучения. Но для He-Ne лазера модуляция мощности излучения является чрезвычайно сложной самостоятельной задачей, решение которой связано с значительными техническими сложностями.

Известен способ фототерапии [2], выбранный за прототип, заключающийся в воздействии узкополосного оптического излучения (полупроводниковый лазер инфракрасного диапазона длин волн), модулированного по мощности, на биологические объекты. Причем для повышения селективности воздействия осуществляется модуляция мощности оптического излучения в диапазоне частот от 8 до 210 Гц.

Недостатком данного способа является недостаточное биостимулирующее действие за счет низкой селективности воздействия, поскольку частота модуляции мощности оптического излучения крайне мала. Дело в том, что частота модуляции существенно меньше, чем частоты процессов, происходящих в биологических объектах, имеющих жизненно важное значение, например, иммунная система.

Технической задачей, решение которой обеспечивается предложенным изобретением, является создание способа фототерапии, позволяющего усилить биостимулирующее действие оптического излучения за счет повышения селективности воздействия на биологические объекты.

Данная задача осуществляется тем, что в способе фототерапии, заключающемся в облучении биологических объектов узкополосным оптическим излучением с модуляцией по мощности, согласно изобретению модуляция мощности излучения осуществляется на частотах от 100 кГц до 6 ГГц.

Благодаря этому появляется возможность осуществлять воздействие (облучать) оптическим излучением на биологические объекты не в целом (как интегральное целое), а на те его структуры, воздействуя на которые достигается требуемый результат.

Дело в том, что наибольший биостимулирующий эффект достигается для сигналов модуляции высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов, исключая низкочастотный диапазон (до 100 кГц). Поэтому мощность оптического излучения модулируют в диапазоне частот от 100 кГц до 6 ГГц.

Благодаря высокоскоростному управлению (в указанном диапазоне частот) параметрами оптического излучения открываются новые возможности воздействия на биологические объекты, поскольку такая модуляция мощности излучения действует на биологические молекулярные механизмы в соответствии с корреляцией между временной зависимостью излучения и молекулярным процессом в клетках. Данное модулированное оптическое излучение вызывает резонансную раскачку (то есть увеличение амплитуды колебаний) и соответственно модификацию состояний биологических молекул, одновременно обеспечивая селективность воздействия на определенные структуры биологических объектов.

Частотный диапазон модуляции мощности оптического излучения соответствует следующим биологическим процессам: 1. Периодические конформационные перестройки макромолекул и состояний ферментных цепочек, происходящие в биохимических реакциях, таких как синтез АТФ. Эти процессы характеризуются периодами (10^-5-10^-6) с.

2. Колебания биологических мембран. В частности, эти колебания сопровождают мембранные преобразования энергии и переносом ионов через мембрану. Частоты свободных колебаний соответствуют гигагерцовому диапазону частот.

3. Колебания элементов клеточных структур, размещенных в протоплазме, например, ядра и плазмиды. Частоты этих колебаний лежат в мегагерцовом диапазоне.

Как видно, все указанные колебания перекрываются частотой модуляции оптического узкополосного излучения.

Мощность оптического излучения должна находиться в диапазоне от 0,5 до 10 мВт. Дело в том, что предлагаемый способ - способ низкоинтенсивной фототерапии - подразумевает применение супернизких мощностей облучения. Характерно, что даже сверхмалые дозы оптического излучения обеспечивают достижение положительного эффекта.

С другой стороны низкоинтенсивное воздействие не навязывает биологическим объектам свой закон их функционирования, а только "дает толчок" к правильному функционированию, не нарушая собственных законов биологического объекта. Последнее очень важно. В частности пациент физически даже ощущает сам процесс воздействия излучения.

Увеличение верхней границы диапазона частот модуляции оптического узкополосного излучения до 30 ГГц позволяет влиять на самые "глубинные" процессы, происходящие в биологических объектах. С другой стороны, указанная верхняя граница ограничивается физическими возможностями реализации процесса модуляции узкополосного оптического излучения.

Для усиления биостимулирующего действия способа используется сигнал модуляции мощности узкополосного оптического излучения в виде гармонического колебания. Биологические объекты являются открытыми неравновесными системами, многие процессы в которых периодические [3]. Поэтому такой закон изменения модулирующего сигнала является наиболее благоприятным для биологических объектов и для достижения поставленной цели.

Экспериментальные и клинические исследования показывают, что биостимулирующее действие узкополосного оптического излучения усиливается, если мощность излучения модулируется поочередно сигналами с частотами, неравными между собой (подобно синергическому эффекту).

Усиление биостимулирующего действия узкополосного оптического излучения особенно наглядно проявляется при модуляции мощности излучения одновременно двумя сигналами с частотами, неравными друг другу. При этом достигается одновременное воздействие на двух "уровнях" организации биологических объектов. Такая модуляция позволяет достичь большего биостимулирующего эффекта, чем поочередная или одночастотная модуляции.

Высокая селективность воздействия узкополосного оптического излучения достигается за счет того, что частоты модулирующих сигналов выбираются целенаправленно, то есть строго равными резонансным частотам макромолекул, мембран и мембранных структур, периодическим процессам в клетках.

Применение данного способа фотобиологической терапии достаточно эффективно при иммунотерапии, благодаря тому, что Т и В клеточные мембранные структуры являются одними из наиболее оптимальных объектов воздействия модулированного оптического излучения, поскольку молекулярное взаимодействие между иммунными клетками "включает" и регулирует ответ иммунной системы. Используемое излучение обратимо изменяет свойства мембран. Эффект воздействия излучения на лимфоциты характеризуется специфическими функциями модулирующих частот порядка 10 и 100 МГц. Это ведет к изменению конформации рецепторов лимфоцитов. Резонансные колебания могут быть параметрическими, обусловленными периодическими изменениями интенсивности излучения и связанными с изменением количества фотонов, поглощенных клеточной структурой. Увеличение амплитуды колебаний рецепторов ведет к изменению конформации рецептора и модификации его антигенных свойств. Интересно то, что излучение селективно изменяет конформационные состояния рецепторов, которые характеризуются специфическими периодическими процессами. Отметим, что излучение ведет к модификации небольшой части лимфоцитов (2-3% от всех), поскольку клеточное взаимодействие достаточно сильно изменяет первоначальное состояние иммунной системы небольшим количеством модифицированных лимфоцитов. В конечном итоге это ведет к нормализации хелперно-супрессорного соотношения.

В частности для действия на Т и В клетки воздействию излучения подвергается периферическая кровь человека и животных, что наиболее удобно для неинвазивного воздействия.

Результаты клинических испытаний показали, что если воздействовать ежедневно (как в [2]) узкополосным источником оптического излучения, то получается следующая картина. После первого воздействия анализы крови дали положительный эффект. Если второе воздействие осуществляется на следующий день, то эффект сугубо отрицателен. Аналогичное происходит и на третий день. При этом реакция биологического объекта от предыдущего воздействия может полностью скомпенсировать биостимулирующий эффект последующего воздействия оптического излучения. И только на четвертый день зафиксирован снова положительный эффект. Следовательно, если воздействие узкополосного источника оптического излучения осуществлять один раз в 4, 5, 6, 7 дней, то положительный эффект сохраняется. Исходя из этого и установлен оптимальный временной интервал в 4-7 дней. Разброс в несколько дней означает следующее. Если есть возможность (в клинике, больнице, дома и т.п.), то наиболее удобно проводить воздействие узкополосным оптическим излучением один раз в семь дней. Если временные сроки ограничены, то лучше делать через 4 дня. Например, если от момента операции до выписки пациента проходит 17 дней, то укладываются 4 процедуры через 4 дня.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения целесообразно облучать поверхность кожи в области проекции бицепса, предплечья, ладони, ушной раковины.

Количество облучений выбирают равным от 2 до 20. В среднем число воздействий составляет от 2-5 до 10 раз с продлением до 15-20 раз.

В качестве источника узкополосного оптического излучения можно с успехом использовать полупроводниковые инжекционные лазеры.

Экспериментальные и клинические исследования показали, что полупроводниковые инжекционные лазеры значительно эффективнее газовых и для получения одного и того же результата требуется значительно меньшее количество энергии. Кроме этого, полупроводниковый инжекционный лазер имеет более высокую степень безопасности по сравнению с газовыми лазерами, где используется электрическое напряжение в несколько тысяч вольт, а также имеет существенно меньший вес и габариты, не требует спецпомещений, темных очков, обслуживающий персонал в принципе не подвергается облучению. Поэтому полупроводниковый лазер отвечает самым высоким требованиям современной медицины: неинвазивность, простота управления, точность и контролируемость дозировки воздействия на биологические объекты, миниатюрность, универсальность, возможность сочетания с различными диагностическими и физиотерапевтическими приборами.

В качестве инжекционных полупроводниковых лазеров наиболее оптимальны лазеры на структурах QaAs/AlGaAs с длиной волны (750-910) нм, InP/InGaAsP с длиной волны (1,1-1,6) мкм.

В случае использования светодиодов в качестве источника узкополосного оптического излучения (длина волны (850-950) нм), фототерапевтические приборы можно сделать суперминиатюрными, с малым весом, автономными, которые легко использовать в полевых, домашних условиях, на фермах и т.п.

В качестве источника узкополосного оптического излучения можно использовать светодиод с поляризатором, который по биостимулирующему воздействию занимает промежуточное положение между полупроводниковым инжекционным лазером и светодиодом.

Необходимо отметить, что указанные источники узкополосного излучения обладают несколько разными параметрами - мощность излучения, длина волны, габариты, надежность и т. д. Поэтому в зависимости от конкретных условий представляется целесообразным использование одного из указанных типов источников излучения.

Способ реализуется следующим образом. Разработка способа фототерапии применительно к иммуностимуляции с помощью узкополосного излучения ближнего инфракрасного диапазона (и создание лечебной аппаратуры на основе способа) была осуществлена авторами на базе клинико-иммунологической лаборатории Нижегородского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии в период 1990-1994 гг.

Исследования были проведены на клеточном уровне, на экспериментальных животных, на здоровых добровольцах, а также на больных с гнойными осложнениями.

Воздействие осуществлялось источником излучения со следующими параметрами: Тип излучателя - GaAs/AlGaAs; АЛ107А; лазер ИЛПН-205А; светодиод Длина волны излучения, нм - 850; 950 Ширина линии излучения, нм - 0,1; 15 Плотность мощности излучения в области воздействия, мВт/см² - 0,5-2,0; 1,0-2,0 Частоты модуляции - 100 кГц - 6 ГГц; 100-500 кГц В качестве модели для воздействия в эксперименте использовались Т и В лимфоциты человека, характеристики которых контролировались с помощью реакции розеткообразования с фиксированными эритроцитами мыши и барана. Реакция розеткообразования определяется взаимодействием клеточных маркеров лимфоцитов и тестирующих эритроцитов и позволяет делать выводы о состоянии мембран и рецепторов лимфоцитов. В частности рецептор, обуславливающий розеткообразование Т-лимфоцитов с эритроцитами барана, является молекулой CD2, которая отвечает за процесс активации Т-лимфоцитов. Рецептор эритроцитов барана B-лимфоцитов также связывают с активацией B-клеток.

В эксперименте использовались свежие лимфоциты здоровых доноров в возрасте 18-40 лет. Получение лимфоцитов и реакция розеткообразования осуществлялись по стандартным методикам. Опыты были проведены с клетками 24 доноров, для каждого из которых осуществлялось 6 измерений: 3 контрольных измерения и 3 измерения, при которых лимфоциты облучались дозой 15 мДж/см², частота модуляции для лазера 10 МГц и 100 МГц, а для светодиода 200 кГц. Реакция розеткообразования проводилась сразу после облучения.

В таблице 1 приведены усредненные по 24 донорам данные по процентному количеству лимфоцитов, образующих розетки с двумя типами эритроцитов после облучения, и контрольные значения розеткообразования. Как следует из приведенных данных, облучение приводит к активизации антиген-специфического взаимодействия лимфоцитов с тестируемыми клетками, обладающими определенными маркерами. Результаты для прототипа [2] (частота модуляции 210 Гц) уступают результатам предлагаемого способа.

Системное влияние фототерапии на организм человека и животных было изучено на кроликах (группа из 10 животных - 5 контрольных и 5 облучаемых) и 6 здоровых добровольцев в возрасте от 25 до 35 лет. Курс фототерапии состоял из 4 сеансов облучения с периодичностью 2 дня, 4 дня, 5 дней и 7 дней. Облучению с плотностью мощности излучения 2 мВт/см² подвергались ушная раковина и область проекции бицепса. Доза облучения за каждый сеанс составляла 100 мДж на 1 кг веса.

Данные, полученные при облучении с периодичностью 2 дня, дали неудовлетворительный результат. Данные, полученные при облучении, с периодичностью 4, 5, 7 дней дали одинаковый и удовлетворительный результат.

Полученные результаты приведены в таблицах 2, 3. Результаты для кроликов показаны в сравнении для животных до облучения и через неделю после окончания курса облучения. Для контрольной группы животных за период наблюдения достоверных изменений в показаниях не было и эти данные не приведены. Для добровольцев также показаны данные до и через неделю после курса фототерапии.

Следует отметить, что многие иммунологические методики отработаны только для людей. И по этой причине результаты анализов для добровольцев являются более полными.

Индекс фагоцитоза определялся для культуры Staphilococcus aureus 600 как отношение колониеобразующих клеток в пробах со смесью бактериальной суспензии и гепаринизированной крови пересеянных в питательную среду без инкубации и с 4-х часовой инкубацией при 37^oC. Процентные количества Т и B клеток; Т-хелперов и Т-супрессоров определялись методом розеткообразования и пробой на теофиллин - чувствительность соответственно.

Приведенные результаты показывают, что облучение по данному способу не приводит к достоверным изменениям большинства биохимических и общих клинических показателей организма из числа контролируемых. Однако параметры, связанные с активностью иммунной системы и общей, резистентностью организма меняются после курса фототерапии. Наблюдается увеличение фагоцитирующей активности лейкоцитов, как у кроликов, так и у добровольцев.

Наиболее сильные изменения происходят в иммунной системе (иммунологические анализы проводились только с человеческими клетками): курс фототерапии приводил к изменению соотношения между концентрацией Т-хелперов и Т-супрессоров от 2,2 до 4,2. Следует отметить, что параметр Тх/Тс является достаточно стабильной характеристикой иммунного статуса животного или человека и значительное изменение соотношения между субпопуляциями лимфоцитов, также как и увеличение индекса фагоцитоза позволяют сделать вывод о выраженном иммунностимулирующем действии данного метода фототерапии. Вместе с тем результаты анализов и наблюдение за облученными животными и добровольцами указывают на отсутствие патогенного действия фототерапии.

Способ фототерапии был применен для профилактики инфекционных заболеваний у малых и средних пуделей. Курс фототерапии проводился как было указано выше. Было проведено облучение 18 животных в возрасте от 6 месяцев до 1 года. За последующий период наблюдения (6 месяцев) инфекционным заболеванием (вирусный энтерит) в легкой форме переболело одно животное. Усредненные данные по данной породе собак в клубе собаководов дают значения заболеваемости вирусным энтеритом собак (не прошедших курс фототерапии - контрольная группа) в возрасте от 6 месяцев до одного года приблизительно 25%.

Способ фототерапии был применен для лечения больных с гнойными осложнениями заболеваний конечностей. Под наблюдением находилось 30 больных, проходивших лечение в отделении гнойной остеологии ННИИТО. Возраст больных находился в пределах от 17 до 62 лет, давность заболевания - от 1,5 месяцев до 10 лет.

Фототерапия проводилась у 15 пациентов, остальные получали только стандартный комплекс лечебных мероприятий (контрольная группа). При поступлении больных изменения иммунного статуса у обследуемых из обеих групп были схожи и выражались в снижении соотношения Тх/Тс. Курс фототерапии привел к нормализации хелперно-супрессорного соотношения с 2,4 ± 0,24 до облучения до 3,8 ± 0,24 после курса фототерапии. У больных контрольной группы показатели иммунитета на протяжении всего срока наблюдения не изменялись.

Увеличение соотношения Тх/Тс было достигнуто у 12 из 15 больных (80%). Нормализация показателя иммунитета сопровождалась выраженным клиническим эффектом: уменьшением активности гнойно-воспалительного процесса и отека тканей, снижением интенсивности гиперемии.

Таким образом, результаты лечебно-профилактического применения фототерапии показывают значительную эффективность данного способа, обусловленную стимуляцией активности иммунной системы.

Оптическое излучение позволяет отрегулировать функционирование организма в заданных пределах, причем указанный процесс носит воспроизводимый (обратимый) характер.

Воздействие оптического излучения на организм усиливает и ускоряет борьбу с заболеванием, мобилизуя для этого собственные резервы в той мере, в которой возраст и различные факторы, нарушающие нормальную жизнедеятельность, не исчерпали этих резервов.

Энергия оптического излучения, необходимая для оказания влияния на функционирование организма, составляет 0,1% от тепловой мощности, отдаваемой во внешнее пространство организмом человека.

Облучение организма может подготовить организм к последующим неблагоприятным воздействиям, например, к побочным действиям лечебных химических препаратов или ионизирующей радиации, сделать организм менее восприимчивым к ним. Результаты воздействия оптического излучения могут запоминаться организмом на длительное время.

Промышленная применимость Для проведения фототерапевтических процедур были разработаны миниатюрные переносные приборы трех вариантов: 1) 115 х 45 х 30 мм, вес 100 г, питание от аккумуляторов;
2) 90 х 76 х 56 мм, вес 500 г, питание от сети;
3) 240 х 110 х 280 мм, вес 5 кг, питание от сети.

Внедрение способа иммуностимуляции в ННИИТО позволило выпустить опытную партию приборов, которая была опробована в клиниках и ветлечебницах. После апробации конструктивных доработок не потребовалось.

Эти приборы просты в эксплуатации, имеют современный дизайн и изготовлены в полном соответствии с требованиями на медицинскую технику.

Использование таких приборов впервые сделало возможным применение приборов не только в условиях ветеринарной клиники, но и индивидуальными владельцами животных, а также в домашних условиях.

Испытания способа иммуностимуляции, положенного в основу построения этих приборов, проведенные в ННИИТО, показали выраженный клинический эффект - активация иммунной системы животных и человека и отсутствие его патогенного действия. Способ внедрен в лечебные отделения ННИИТО, а также в городской больнице N 2 г. Дзержинска. На основании проведенных исследований по способу иммуностимуляции с использованием указанных приборов (стимуляторов иммунитета) можно рекомендовать их для применения в исследовательских и лечебных учреждениях, в ветеринарной практике.

Формула изобретения

1. Способ оптического воздействия на биологические объекты, заключающийся в облучении биологических объектов узкополосным оптическим излучением с модуляцией по мощности, отличающийся тем, что мощность излучения на длинах волн излучения в диапазоне 0,75 - 1,6 мкм модулируется в диапазоне частот от 100 кГц до 30 ГГц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность оптического излучения находится в диапазоне 0,5 - 10 мВт.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве модулирующего сигнала используется гармоническое колебание.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве модулирующего сигнала используется колебание импульсной формы.

5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве модулирующего сигнала используются поочередно сигналы нескольких частот, неравных между собой.

6. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве модулирующего сигнала используется сигнал, являющийся суммой нескольких сигналов с частотами, неравными между собой.

7. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что частоты модулирующих сигналов выбирают равными резонансным частотам макромолекул, мембран и мембранных структур, периодическим процессам в клетках.

8. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что частоты модулирующих сигналов выбирают равными резонансным частотам клеток иммунной системы.

9. Способ по пп.1-8, отличающийся тем, что облучение людей и животных ведут с периодичностью 4-7 дней.

10. Способ по пп.1-9, отличающийся тем, что количество облучений выбирают равным 2-20.

11. Способ по пп.1-10, отличающийся тем, что облучение осуществляется неинвазивно.

12. Способ по пп. 1-11, отличающийся тем, что неинвазивному облучению подвергают периферическую кровь людей и животных.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что оптический пучок направляют на поверхность кожи в область проекции бицепса.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что оптический пучок направляют на поверхность кожи предплечья.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что оптический пучок направляют на поверхность кожи ладони.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что оптический пучок направляют на поверхность кожи ушной раковины.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве узкополосного источника оптического излучения используют полупроводниковый инжекционный лазер.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что в качестве узкополосного источника оптического излучения используют полупроводниковый инжекционный лазер со структурой типа Ga As/AlGaAs.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что в качестве узкополосного источника оптического излучения используют полупроводниковый инжекционный лазер со структурой типа InP/In GaAsP.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве узкополосного источника оптического излучения используют светодиод.

21. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве узкополосного источника оптического излучения используют светодиод с поляризатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1