350 rub
Journal Biomedical Radioelectronics №6 for 2009 г.
Article in number:
Photophysical Processes that Determine the Biological Activity of Low Intensity Optical Radiation
Keywords: low-intensity laser radiation laser therapy coherency polarization biological activity orientational action dipole-dipole interaction fish embryos
Authors:
V.Y. Plavskii, M.V. Barulin
Abstract:
The mechanisms of physical processes that determine the biological activity (and consequently therapeutic effect) of low intensity radiation of visible region of spectrum are investigated in this work. The role of coherency and polarization of light in its biological effects has been examined by the usage of laser and LED sources of the same integral intensity. The object of the research is the fish-s embryos (the impregnated eggs) at the stage of organogenesis. It is shown, that the short-term influence of low intensity radiation of visible region of spectrum on sturgeon fish-s embryos is capable to have prolonged effect on the embryonic and postembryonic development of fish. This effect is registered on the 50-th day after the procedure of irradiation. Biological effects (magnitude-weight characteristics and viability parameters of fish to adverse the conditions of inhabitancy), induced by linearly-polarized radiation of monochromatic laser (the helium-neon laser,  = 632.8 nm,  = 0.02 nm) and near-monochromatic LED (a maximum of a spectrum of radiation  = 631 нм,  = 15 нм) sources, practically do not differ from each other. Transition to broadband linearly-polarized radiation (white LED,  = 420-800 nm) is accompanied with the decrease of biological action. The conclusion about determining value of the type of polarization in realization of radiation-s biological action is made by the results of the researches, studied the influence of linearly-polarized and non-polarized radiation LED source, and also linear, circular- and non-polarized radiation of the helium-neon laser on embryos. Thus the maximal stimulating effect (on magnitude-weight characteristics and viability parameters of fish larvae) is observed under the influence of linearly-polarized radiations; the photobiological effect, induced in the same dose interval by the light of natural polarization (i.e. non-polarized), is considerably less expressed; the size of stimulating action of circular-polarized radiation occupies intermediate value. On the basis of given and earlier received data the following conclusion has been made. Among the photophysical processes of a resonant and not resonant nature (oriented action of light; action of gradient forces; dipole-dipole interaction; termooptical processes), which are capable to cause the photobiological effects depended on such laser-specific characteristics as polarization and coherency, determining influence belongs to oriented action of light and dipole-dipole interactions among the processes studied in the present work. At that oriented action can be revealed for the anisotropic environments with liquid crystal character of ordering (first of all, domains of membranes and multienzyme complexes) both in the conditions of absence of resonant absorption, and for poorly absorbing structures. Also oriented action of light can initiate their conformation change, and accordingly their functional characteristics. However the presence of weak absorption on wavelength of influencing radiation considerably strengthens sensitivity of the specified supramolecular systems to the structural transitions induced by oriented action of polarized radiation. We show that one of the reasons of the contradictions between different authors - findings about the role of coherency and polarization of optical radiation in the realization of its biological action consists in the intensity distinguished on 2-3 order and dosage loadings, at which the specified researches have been executed. It is possible to expect, that the regulatory effects are realized on various photophysical and photochemical mechanisms depending on intensity of influencing radiation and its polarization.
Pages: 23-40
References
  1. Инюшин В.М. К вопросу о биологической активности красной радиации. Алма-Ата: Казахстан. 1965. 22 с.
  2. Инюшин В.М. В сб. «О биологическом действии монохроматического красного света». Алма-Ата: Казахстан. 1967. С. 5-15.
  3. Инюшин В.М. Лазерный свет и живой организм. Алма-Ата: Казахстан. 1970. 46 с.
  4. Инюшин В.М., Чекуров П.Р.Биостимуляция лучом лазера и биоплазма. Алма-Ата: Казахстан. 1975.  120 с.
  5. Mester E. The use of the laser beam in therapy // Orv. Hetil. 1966. V. 107. N. 22. P. 1012-1016.
  6. Mester E., Ludany G., Sellyei M., Szende B. On the biologic effect of laser rays // Bull. Soc. Int. Chir. 1968. V. 27. N. 1. P. 68-73.
  7. Mester E., Ludani G., Sellyei M. The stimulating effect of low power laser rays on biological systems // Laser Rev. 1968. V.1. N. 1. P. 3-8.
  8. Mester E., Ludany G., Frenyo V., Ihasz M., Doklen A., Jaszsagi-Nagy E., Tota G.J. Experimental and clinical observations with laser rays //Langenbecks. Arch. Chir.1970. V. 327. P. 310-314.
  9. Mester E., Spiry T., Szende B., Tota J.G. Effect of laser rays on wound healing // Am. J. Surg. 1971. V. 122. N. 4. P. 532-535.
  10. Mester E., Nagylucskay S., Waidelich W., Tisza S., Greguss P., Haina D., Mester A. Effects of direct laser radiation on human lymphocytes // Arch. Dermatol. Res. 1978. V. 263. N. 3. P. 241-245.
  11. Конев С.В., Волотовский И.Д. Введение в молекулярную фотобиологию. Минск: Наука и техника. 1971. 230 с.
  12. Смит К., Хенеуолт Ф. Молекулярная фотобиология. Москва: Мир. 1972. 271 с.
  13. Рубин А.Б., Фрайкин Г.Я. Первичные молекулярные механизмы фотобиологических процессов и деструктивное действие оптического излучения // Успехи современной биологии. 1987. Т.103. № 3. C. 323-339.
  14. Плавский В.Ю. Мостовников В.А., Рябцев А.Б., Мостовникова Г.Р., Плавская Л.Г., Никеенко Н.К., Улащик В.С., Сердюченко Н.С., Русакевич П.С., Волотовская А.В., Рыбин И.А. Аппаратура для низко­интенсивной лазерной терапии: современное состояние и тенденции развития // Опти­ческий журнал. 2007. Т. 74. № 4. С. 27 - 40.
  15. Kertesz I., Fenyö M., Mester E., Bathori G. Hypothetical physical model for laser biostimulation // Opt. LaserTechnol. 1982. V. 14. N. 1. P. 31 - 32.
  16. Fenyö M. Theoretical and experimental basis of biostimulation by laser irradiation // Opt. Laser Technol. 1984. V. 16. N. 4. P. 209 - 215.
  17. Mester E., Mester A.F., Mester A. The biomedical effects of laser application. // Lasers Surg. Med. 1985. V. 5. N. 1. P. 31-39.
  18. Bolton P., Dyson M., Young S. The effect of polarized light on the release of growth factors from the U-937 macrophage-like cell line // Laser Therapy. 1992. V.2. N. 3. P. 33-37.
  19. Yokoyama K., Sugiyama K.Temporomandibular joint pain analgesia by linearly polarized near-infrared irradiation // Clinical J. Pain. 2001. V. 17. N. 1. P. 47-51.
  20. Monstrey S., Hoeksema H., Depuydt K., Van Maele G., Van Landuyt K., Blondeel P. The effect of polarized light on wound healing // Eur. J. Plast. Surg. 2002. V. 24. N. 8. P. 377-382.
  21. Monstrey S., Hoeksema H., Saelens H., Depuydt K., Hamdi M., Van Landuyt K., Blondeel P. A conservative approach for deep dermal burn wounds using polarized-light therapy // British J. Plastic Surg. 2002. V. 55. N. 5. P. 420-426.
  22. Vanscheidt W. The effect of polarized light on wound healing // Eur. J. Plast. Surg. 2002. V. 24. N. 8. P. 383.
  23. Iordanou P., Baltopoulos G., Giannakopoulou M., Bellou P.,Ktenas E. Effect of polarized light in the healing process of pressure ulcers // Int. J. Nurs. Pract. 2002. V. 8. N. 1. P. 49-55.
  24. Medenica L., Lens M. The use of polarized polychromatic non-coherent light alone as a therapy for venous leg ulceration // J. Wound Care. 2003. V. 12. N. 1. P. 37-40.
  25. Yokoyama K., Sugiyama K. Influence of linearly polarized near-infrared irradiation on deformability of human stored erythrocytes // J. Clin. Laser Med. Surg. 2003. V. 21. N. 1. P. 19-22.
  26. Yamazaki M., Miura Y., Tsuboi R., Ogawa H.Linear polarized infrared irradiation using Super Lizer(TM) is an effective treatment for multiple-type alopecia areata // Int. J. Dermat. 2003. V. 42. N. 9. P. 738-740.
  27. Pinheiro A.L., Pozza D.H., Oliveira M.G., Weissmann R., Ramalho L.M.Polarized light (400-2000 nm) and non-ablative laser (685 nm): a description of the wound healing process using immunohistochemical analysis // Photomed. Laser Surg. 2005. V. 23. N. 5. P. 485 - 492.
  28. Verbelen J. Use of polarised light as a method of pressure ulcer prevention in an adult intensive care unit // J. Wound Care. 2007. V. 16. N. 4. P. 145 - 150.
  29. Karadag C.A., Birtane M., Aygit A.C., Uzunca K., Do­ganay L.The efficacy of linear polarized polychromatic light on burn wound healing: an experimental study on rats // J. Burn Care & Research. 2007. V. 28. N. 2. P. 291 - 298.
  30. Basford J.R., Sandroni R., Low P.A., Hines S.M., Gehrking J.A., Gehrking T.L.Effects of linearly polarized 0.6-1.6 μM irradiation on stellate ganglion function in normal subjects and people with Complex Regional Pain (CRPS I). - Lasers Surg. Med., 2003 v. 32. N. 5. P. 417 - 423.
  31. Nicola J.H., Nicola E.M.D., Ribeiro M.S., Paschoal J.R.The role of polarization and coherence laser light on wound healing // Proc. SPIE. Laser-Tissue Interaction V. 1994. V. 2134A. P.448 - 450.
  32. Zhevago N.A., Samoilova K.A., Obolenskaya K.D. The regulatory effect of polychromatic (visible and infrared) light on human humoral immunity // Photochem. Photobiol. Sci. 2004. V. 3. N. 1. P. 102 - 108.
  33. ЧумакА.Г., ЧичканД.Н., Улащик В.С. Влияние полихроматического поляризованного света на афферентную активность в кожных ветвях соматических нервов // Бюллетень экспериментальной биологиии медицины. 2000. Т. 130. № 7. С. 14-16.
  34. Kubasova T., Fenyö M., Somosy Z., Gazso L., Kertesz I. Investigations on biological effect of polarized light // Photochem. Photobiol. 1988. V. 48. N. 4. P. 505 - 509.
  35. Kubasova T., Horvath M., Kocsis K., Fenyö M. Effect of visible light on some cellular and immune parameters // Immunol. Cell Biol. 1995. V. 73. N. 3. P. 239 - 244.
  36. Fenyö M., Mandl J., Falus A. Opposite effect of linearly polarized light on biosynthesis of interleukin-6 in a human B lymphoid cell line and peripheral human monocytes // Cell. Biol. Intern. 2002. V. 26. N. 3. P. 265 - 269.
  37. Мостовников В.А., Мостовникова Г.Р., Плавский В.Ю., Плавская Л.Г., Морозова Р.П., Третьяков С.А. Зависимость биологической активности низкоинтенсивного лазерного излучения от степени поляризации световой волны / Материалы междунар. конф. «Перспективные направления лазерной медицины». М. 1992. С. 345 - 347.
  38. Mostovnikov V.A., Mostovnikova G.R., Plavski V.Y., Plavskaja L.G., R.P.Morozova. Primary photophysical processes which define the biological and therapeutic effect of low-intensity laser radiation // Proc. SPIE. Laser Applications in Life Sciences. 1994. V. 2370. P. 541-548.
  39. Мостовников В.А., Мостовникова Г.Р., Плавский В.Ю., Сердюченко Н.С., Рябцев А.Б., Плавская Л.Г., Мостовников А.В., Гиневич В.В., Леусенко И.А., Рябцева Е.В., Капская Т.В., Сердюченко С.Н. Регуляторная биологическая активность и эффективность лечебного действия низкоинтенсивного лазерного излучения и излучения сверхъярких светодиодов / Материалы междунар. конф. «Лазерно-оптические технологии в биологии и медицине». Минск. 2004. Т. 1. С. 40 - 61.
  40. Толкачев В.А.Роль поляризации света в оптотермическом эффекте // Журнал прикладной спектрометрии. 2004. Т. 71. № 1. С. 125 - 127.
  41. Nicola J.H., Nicola E.M.D., Cotta M.A., Hengeltraub A., Paschoal J.R.The Role of Coherence in Wound Healing Stimulation by Nonthermal Laser Radiation // Surg. Med. Lasers. 1989. V. 2 - 3. N. 2. P. 70.
  42. Kubota J., Ohshiro T.The effects of diode laser low reactive-level laser therapy (LLLT) on flap survival in a rat model // Laser Therapy. 1989. V. 1. N. 3. P. 127 - 134.
  43. Bihari I., Mester A. The biostimulative effect of low level laser therapy of long-standing crural ulcer using Helium Neon laser, Helium Neon plus infrared lasers and non coherent light: Preliminary report of a randomized double blind comparative study // Laser Therapy. 1989. V. 1. N. 1. P. 97-102.
  44. Rosner M., Caplan M., Cohen S., Duvdevani R., Solomon A., Assia E., Belkin M., Schwartz M.Dose and temporal parameters in delaying injured optic nerve degeneration by low-energy laser irradiation // Lasers Surg. Med. 1993. V. 13. N. 6. P. 611 - 617.
  45. Laakso E.L.. Gramond T., Richardson C., Galligan J.P. Plasma ACTH and b-endorphin levels in response to low level laser therapy (LLLT) for myofascial trigger points // Laser Therapy. 1994. V. 6. N. 3. P. 133 - 142.
  46. Berki T., Németh P., Hegedüs J.Biological effect of low power helium-neon (HeNe) laser irradiation // Lasers Med. Sci. 1988. V. 3. N. 1 - 4. P. 35-39.
  47. Onac I., Pop L., Onac I. Implicationsof low-power He-Ne laser and monochromatic red light biostimulation in protein and glycoside metabolism // Laser Therapy. 1999. V. 11. N. 1. P. 130-137.
  48. Березин Ю.Д., Прочуханов Р.А., Ростовцева Т.И., Самсонова Н.Е. Структурные особенности действия низкоинтенсивного лазерного излучения на переживающие ткани человека // ДАН СССР. 1983. Т. 273. № 3. С. 734 - 736.
  49. Qadri T., Bohdanecka P., Tunér J., Miranda L., Altamash M., Gustafsson A. The importance of coherence length in laser phototherapy of gingival inflammation - a pilot study // Lasers Surg. Med. 2007. V. 22. N. 4. P. 245 - 251.
  50. Будаговский А.В. О способности клеток различать когерентность оптического излучения // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 4. С. 369 - 374.
  51. Рубинов А.Н., Афанасьев А.А. Нерезонансные механизмы биологического действия когерентного и некогерентного света // Оптика и спектрометрия. 2005. Т. 98. №6. С.1027 - 1032.
  52. Лешенюк Н.С., Пригун М.В., Круглик Г.С., Петров Н.С. Роль когерентности во взаимодействии оптического излучения с макромолекулами // Журнал прикладной спектрометрии. 2006. Т. 73. № 2. С. 225 - 231.
  53. Головинский П.А. Конформационные переходы в макромолекулах, индуцированные полем лазерного излучения // Журнал технической физики. 1994. Т. 64. № 9. С. 186 - 188.
  54. Karu T.Primary and secondary mechanisms of action of visible to near-IR radiation on cells // J. Photochem. Photobiol. B: Biology. 1999. V. 49. N. 1. P. 1 - 17.
  55. Кару Т., Пятибрат Л., Москвин С., Андреев С., Летохов В.Исследование влияния степени поляризации лазерного излучения на стимуляцию клеточного метаболизма // Лазерная медицина. 2008. Т. 12. № 1. С. 4 - 8.
  56. Young S., Bolton P., Dyson M., Harvey W., Diamantopoulos C.Macrophage responsiveness to light therapy // Lasers Surg. Med. 1989. V. 9. N. 5. P. 497 - 505.
  57. Bertoloni G., Sacchetto R., Baro E., Ceccherelli F., Jori G.Biochemical and morphological changes in Escherichia coli irradiated by coherent and non-coherent 632.8 nm light // J. Photochem. Photobiol. B.: Biol. 1993. V. 18. N. 2 - 3. P. 191 - 196.
  58. Vinck E.M., Cagnie B.J., Cornelissen M.J., Declercq H.A., Cambier D.C. Increased fibroblast proliferation induced by light emitting diode and low power laser irradiation. Lasers Med. Sci. 2003. V. 18. N. 2. P. 95 - 99.
  59. Пастухова Н.К., Чаленко В.В., Жемков Р.Ф., Савинов И.П., Лапотников В.Н., Лазарева Г.А., Суховольский В.А. Сравнение действия лазерного и светодиодного облучения крови при лечении эндогенной интоксикации // Лазерная медицина. 1997. Т. 1. № 3. С. 32 - 33.
  60. Владимиров Ю.А., Клебанов Г.И., Борисенко Г.Г., Осипов Т.В. Молекулярно-клеточные механизмы действия низкоинтенсивного лазерного излучения // Биофизика. 2004. Т. 49. № 2. С. 339 - 350.
  61. Клебанов Г.И., Шураева Н.Ю., Чичук Т.В., Осипов А.Н., Руденко Т.Г., Шехтер А.Б., Владимиров Ю.А. Сравнительное исследование действия лазерного и светодиодного излучения на заживление ран и функциональную активность клеток раневого экссудата // Биофизика. 2005. Т. 50. № 6.  С. 1137 - 1144.
  62. Demidova-Rice T.N., Salomatina E.V., Yaroslavsky A.N., Herman I.M., Hamblin M.R.Low-level light stimulates excisional wound healing in mice // Lasers Surg. Med. 2007. V. 39. N. 9. P.706-715.
  63. Lubart R., Landau Z., Lipovsky A., Nitzan Y. A new light device for wound healing // Recent Patents Biomed. Engineer. 2008. V. 1. N. 1. P. 13 - 17.
  64. Плавский В.Ю., Барулин Н.В. Влияние поляризации и когерентности оптического излучения низкой интенсивности на эмбрионы рыб // Журнал прикладной спектрометрии. 2008. Т. 75. № 6. С. 843 - 858.
  65. Плавский В.Ю., Барулин Н.В. Влияние лазерного излучения инфракрасной области спектра на устойчивость молоди осетровых рыб к дефициту кислорода // Биомедицинская радиоэлектроника. 2008. № 8-9. С. 65 - 74.
  66. Плавский В.Ю., Барулин Н.В. Влияние низкоинтенсивного лазерного облучения икры на жизнестойкость молоди осетровых рыб // Журнал прикладной спектрометрии. 2008. Т. 75. № 2. С. 233 - 241.
  67. Плавский В.Ю., Барулин Н.В.Зависимость биологической активности низкоинтенсивного лазерного излучения от частоты его модуляции // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 9. С. 14 - 22.
  68. Плавский В.Ю., Барулин Н.В.Влияние модуляции низкоинтенсивного лазерного излучения на его биологическую активность // Лазернаямедицина. 2008. Т. 12. № 4. С. 65 - 72.
  69. Плавский В.Ю., Барулин Н.В. Роль поляризации и когерентности во взаимодействии оптического излучения низкой интенсивности с биологическими системами (эмбрионами рыб) / Сб. научн. трудов VII междунар. конф. «Лазерная физика и оптические технологии», 17-19 июня 2008 г. Минск: Институт физики НАН Беларуси. 2008. Т. 2. С. 401 - 404.
  70. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976. С. 390 - 393.
  71. Patent 6761452 (US) Light polarizing film with melanin / T.J. Moravec, H. Sugimura.
  72. Тучин В.В.Исследование биотканей методами светорассеяния // УФН. 1997. Т. 167. № 5. С. 517 - 539.
  73. Mostovnikov V.A., Mostovnikova G.R., Plavskii V.Y. Plavskaja L.G., Morosova R.P. Distant cells interaction in visible region // Proc. SPIE. Laser-Tissue Interaction VI (Ed.: S.L. Jacques, A. Katzir). 1995. V. 2391. P. 551-560.
  74. Захаров С.Д., Иванов А.В., Вольф Е.Б., Данилов В.П., Мурина Т.М., Нгуен К.Т., Новиков Е.Г., Панасенко Н.А., Перов С.Н., Скопинов С.А., Тимофеев Ю.П. Структурные перестройки в водной фазе клеточных суспензий и белковых растворов при светокислородном эффекте // Квантовая электроника. 2003. Т. 33.  № 2. С. 149 - 162.
  75. Асимов М.М., Асимов Р.М., Рубинов А.Н., Мамилов С.А., Плаксий Ю.C. Оценка терапевтического действия низкоинтенсивного лазерного излучения по величине локального насыщения ткани кислородом // Журнал прикладной спектрометрии. 2006. Т. 73. № 4. С. 516 - 520.
  76. Залесская Г.А., Самбор Е.Г., Кучинский А.В. Влияние внутривенного лазерного облучения на молекулярную структуру крови и ее компонентов // Журнал прикладной спектрометрии. 2006. Т. 73. № 1. С. 106 - 112.
  77. Зубкова С.М.О механизме биологического действия излучения гелий-неонового лазера // Биологические науки. 1978. № 7. С. 30 - 37.
  78. Аракелян С.М., Чилингарян Ю.С. Нелинейная оптика жидких кристаллов. М.: Наука. 1984. 360 c.
  79. Зельдович Б.Я., Табирян Н.В. Ориентационная оптическая нелинейность жидких кристаллов // УФН. 1985. Т. 147. № 4. С. 633 - 674.
  80. Конев С.В. Структурная лабильность биологических мембран и регуляторные процессы. Минск: Наука и техника, 1987, 240 с.
  81. Janossy I. Molecular interpretation of the absorption-induced optical reorientation of nematic liquid crystals // Phys. Rev. E. 1994. V. 49. N. 4. P. 2957 - 2963.
  82. Барник М.И., Золотько А.С., Китаева В.Ф. Особенности взаимодействия светового излучения с нематическим жидким кристаллом, легированным крисителем // ЖЭТФ. 1997. Т. 111. № 6. С. 2059 - 2073.