1. Введення.
Світло як елемент життєвого середовища людини являє собою один з основних факторів найважливішої медико-біологічної проблеми сучасності - організм і середовище.
Видатний природознавець, творець вчення про біосферу В.І. Вернадський писав, що "кругом нас, в нас самих, всюди і скрізь, без перерви, вічно змінюючись, що збігалося і стикаючись, ідуть випромінювання різної довжини хвиль - від хвиль, довжина яких обчислюється десятимільйонним частками міліметра, до довгих, що вимірюються кілометрами". ( 1)
У цьому діапазоні лежать і випромінювання оптичної області спектра променистої енергії - світло сонця, неба і штучних джерел світла.
Зараз у вік науково-технічного прогресу, в самих різнобічних областях широко застосовуються джерела променевої енергії. У зв'язку з цим людина піддається впливу природних і штучних джерел променистої енергії з самої різної спектральної характеристикою і надзвичайно широким діапазоном інтенсивності: від 100000 лк і більше вдень при прямому сонячному світлі до 0.2 лк вночі при світлі місяця.
Разом з тим про роль променевої енергії, зокрема світла, в біології людського організму ми, на жаль, знаємо ще поки дуже мало.
Всі види випромінювання оптичної області спектра мають однакову фізичну природу. Але кожен окремий ділянку спектра (видимі, ультрафіолетові та інфрачервоні промені) має певні довжини хвиль і частоту електромагнітних коливань, що в свою чергу якісно характеризує ці ділянки спектру, їх біологічну дію і гігієнічне значення.
Світло - видиме випромінювання - є єдиним подразником очі, що викликає зорові відчуття, що забезпечують зорове сприйняття світу. Однак дія світла на око не обмежена тільки аспектом бачення - виникненням на сітківці ока зображень і формуванням зорових образів. Крім основного процесу бачення, світло викликає й інші важливі реакції рефлекторного та гуморального характеру. Впливаючи через адекватний рецептор - орган зору, він викликає імпульси, що поширюються по зоровому нерву до оптичної області великих півкуль головного мозку (в залежності від інтенсивності) збуджує або пригнічує центральну нервову систему, перебудовуючи фізіологічні і психічні реакції, змінюючи загальний тонус організму, підтримуючи діяльну стан .
Видиме світло робить ще вплив на імунні і алергічні реакції, а також на різні показники обміну, змінює рівень аскорбінової кислоти в крові, в надниркових залозах і мозку. Він може і на серцево-судинну систему. Останнім часом встановлено також і гуморальну вплив нервового збудження, що виникає при світловому роздратуванні очі.
Хоча найбільша кількість реакцій викликаються світлом в організмі людини, мають позитивний ефект, все-таки має місце і шкідливі аспекти дії видимого світла. І в цьому рефераті, будуть викладені найбільш поширені види шкідливого впливу оптичного випромінювання видимого спектра на організм людини. А саме будуть розглянуті різні механізми світлових ушкоджень очей. Особливу увагу в цьому рефераті вирішено приділити механізму заснованому на фотохімічних процеси, які відбуваються на сітківці під впливом світлового випромінювання.
Для найбільш повного розуміння матеріалу, доцільно спочатку ознайомиться з анатомією органу зору.
2. Будови очі
Око складається з двох частин: власне очі - очного яблука і допоміжних частин - окорухових м'язів, століття, слізного апарату. Очне яблуко можна підрозділити екваторіальним розрізом на дві частини: передню та задню. Задня частина очного яблука, яку з деякою натяжкою можна назвати дном очного яблука, буде становити той чутливий екран, на який відкидаються зображення діоптричні апаратом, закладеним в передній частині очі і складається з кришталика, радужіни, циліарного тіла і рогівки; сюди ж можна віднести рідина передньої камери і склоподібне тіло.
Задня стінка очного яблука складається з трьох оболонок: світлочутливої нервової оболонки, або сітківки (retina), пігментованою судинної оболонки (chorioidea) і зовнішньої білкової оболонки, або склери (sclera).
Сітківка представляє найбільшу внутрішню оболонку очного яблука і межує безпосередньо з склоподібним тілом.
Сітківка продовжується і на циліарного тіло і на радужіну, проте в цих місцях вона вже втрачає свою світлочутливість. Тому в сітківці розрізняють оптичну (pars optica), радужінную (pars iridica) і циліарного (pars ciliaris) частини.
У оптичної частини сітківки (pars optica) є два місця, важливі у функціональному відношенні. Одне з них являє місце входу зорового нерва і давно вже відомого під ім'ям сліпого плями.
Інше ж, що представляє точку найкращого бачення і відоме під назвою "жовтої плями, є плоским поглибленням, розташованим прямо проти зіниці і відрізняється особливим розташуванням нервових елементів.
У сітківці вдається розрізнити ряд шарів. Найбільшим зовнішнім з них буде шар пігментного епітелію сітківки, що розвивається з зовнішньої стінки очного келиха (Pl).
Пігментний епітелій складається з низьких призматичних клітин правильної п'яти-шестигранною форми і на площинний препарат має вигляд мостовідного епітелію. Серед звичайних одноядерних клітин трапляються крупніші гігантські багатоядерні клітини. Від поверхні клітин, оберненою у бік сітківки, відходять довгі плазматичні відростки, які утворюють як би бороду пігментного епітелію. У ці відростки проникають пігментні зернятка з протоплазми епітеліальних клітин. У бороду пігментного епітелію вдвінути фоторецепторные кінці (SZ) чутливих клітин сітківки, так звані палички і колби, кожна з яких є апаратом, що сприймає світлове роздратування. Борода пігментного епітелію, оточуючи своїми пігментованими нитками кожну паличку і колбочку, оптично ізолює їх один від одного.
У власне сітківці самий зовнішній шар утворений тільки-що згаданими паличками і колбочками (SZ). Колбочки і палички лежать своїми основами в зовнішньої прикордонної перетинки (mle), за якою слід зовнішній ядерний шар (AK), містить в собі численні ядра. Сле
дме шар - зовнішній ретикулярної шар (Fs, ArS) - представлений нервовим плетивом, за яким слідує внутрішній ядерний шар (iK), менш потужний ніж зовнішній. Далі йде знову нервове сплетіння, відоме під назвою внутрішнього ретикулярного шару (IrS), до якого примикають гангліозних шар (Gs) і шар нервових волокон (Fsn). Нарешті від склоподібного тіла сітківку відмежовує внутрішня прикордонна оболонка (mli).
Ми не будемо вдаватися в більш детальне вивчення будови і функціонування органу зору, тому що вищевикладені положення цілком достатні для того, щоб зрозуміти надалі ті процеси, які відбуваються при різних видах фотоповрежденія очей.
3. Світлові пошкодження очей
Сонячне світло, будучи джерелом всього живого на Землі, а також першопричиною появи самого органу зору, за певних умов може викликати небезпечні незворотні пошкодження очей. Створені людиною потужні штучні джерела світлових випромінювань, покликані задовольняти потреби науки, виробництва та медицини, також нерідко є причиною функціональних та органічних пошкоджень очей у людей.
Різка зміна рівня загальної освітленості або яскравості розглянутих об'єктів обумовлює порушення зорового сприйняття протягом проміжку часу, необхідного для переходу на новий рівень адаптації. Це явище у фізіологічній оптиці отримало назву "засліплення".
Органічні пошкодження очей неіонізуючими електромагнітними випромінюваннями оптичного діапазону можуть виникнути як під впливом прямого і відбитого сонячного світла, так і в результаті дії створених людиною світлотехнічних пристроїв, причому викликаються останніми пошкодження в міру розвитку технічного прогресу висуваються на перший план.
В даний час до видимого випромінювання оптичного діапазону відноситься випромінювання з довжиною хвиль від 400 до 780 нм (1). Світлове випромінювання здатне викликати пошкодження тільки в тієї тканини, в якій воно поглинається. Своєрідність органу зору полягає в тому, що в його складі є прозорі для видимого світла оптичні середовища, які фокусують його на очному дні.
3.1. Причини світлових ушкоджень очей
Пошкодження очей видимим світловим випромінюванням Сонця були відомі ще лікарями давнини. Галілео Галлілей був, імовірно, першою людиною, що отримали таке пошкодження при спостереженні сонячного диска через телескоп.
Найбільш часто сонячні опіки очного дна виникають при тривалому спостереженні сонячного затемнення оком, не озброєним засобами захисту. У результаті фокусуючого дії оптичні середовищ ока на очному дні утворюється зображення сонячного диска діаметром 0,15 мм, у якому навіть при вузькому зіниці концентрується енергія, достатня для хоріоретинальні опіку (близько 0.7-1 кал/(см2 * з)) (1).
Відомі сонячні опіки очного дна у служителів культу, зокрема брамінів, для яких тривалий спостереження сонячного диска було елементом релігійного ритуалу.
Під час другої світової війни такі опіки спостерігалися у корабельних зенітників, які стежили за ворожими літаками, підлітали з боку сонця.
Технічний прогрес призвів до створення штучних джерел світла, яскравість яких не лише порівнянна з яскравістю Сонця, а й у багато разів перевершує її.
У 30-і роки з'явилися описи хоріоретинальні опіків у людей світлом вольтової дуги, що застосовувалася в прожекторах на кінозйомках і при інших видах діяльності.
Після перших випробувань атомних бомб став відомий новий вид патології - профільні світлові опіки шкіри і хоріоретинальні опіки світловим випромінюванням атомного вибуху. Останні виникають внаслідок того, що оптична система ока формує на сітківці зображення вогняної кулі атомного вибуху, в якому концентрується світлова енергія, достатня для коагуляції оболонок за час мігательного рефлексу, який, таким чином, не в змозі виконати свою захисну функцію. Відстані, на яких спостерігалися опіки очного дна при експериментальних вибухів, були більш значними, ніж ті, на яких відбувалися пошкодження іншими вражаючими факторами атомного вибуху, що пояснюється високою енергією випромінювання в оптичній частині спектру. Так, при висотних вибухах, коли створюються особливо сприятливі умови, що сприяють виникненню хоріоретинальні опіків (більш значна частка енергії виділяється у вигляді світла, коротший шлях проходження світла в атмосфері та інші), вони виникали у кроликів на відстані до 600 км при потужності вибуху в 2Мт. Під час вибухів в нижніх шарах атмосфери в залежності від їх потужності та атмосферних умов хоріоретинальні опіки можливі на відстанях від 20 до 64 км (1).
Мінімальна опікова доза випромінювання за даними різних авторів коливається від 0.7 до 2 кал/(см2 * с) (від 2.93 до 8.37 Дж/(см2 * с) (1) за час мігательного рефлексу, яке приймається рівним 0.15 с. При інших рівних умовах ймовірність виникнення хоріоретинальні опіків тим вище, чим більш прозора атмосфера, чим ширше зіницю, сильніше пігментація очного дна і рефракція ближче до емметропіческой.
Вважається, що у разі застосування атомної зброї частота хоріоретинальні опіків в області плями сітківки буде не великий, тому що для цього потрібно фіксувати погляд безпосередньо на вогненна куля атомного вибуху. Це найбільш ймовірно для персоналу, що веде спостереження за обстановкою, у тому числі через оптичні прилади.
Більш частими, хоч і виникають на значно меншій відстані від епіцентру вибуху, повинні бути світлові опіки шкіри обличчя, повік, кон'юнктиви та райдужної оболонки, які можуть зустрічатися у кожного четвертого постраждалого під час вибуху. При цьому, на відміну від термічних опіків, рогівка залишається мало пошкодженої, тому що поглинає лише незначну частину випромінювання видимого діапазону.
У 1966 р. W. Noell і співавт. показали в експерименті на щурах, що пошкодження сітківки може мати місце при тривалій дії світла помірної інтенсивності, недостатній для утворення термічного опіку.
В даний час відомо, що такого роду ушкодження виникають за рахунок дії видимого випромінювання блакитний частини спектру (400-500 нм) (1), що надає на сітківку специфічне фотохімічні дію. Це дало підставу назвати такі пошкодження - ушкодженнями блакитним світлом. Є непрямі дані про те, що нетерміческіе пошкодження при дії видимого світла можуть мати місце і в людей. Так виявили істотне зниження функціональної активності паличкова і колбочковой систем у робітників алмазодобувної промисловості, що працюють при високій освітленості на робочому місці.
Серед низки дослідників, які вивчають ретінальние ефекти інтенсивного освітлення, існує думка, що вплив світла відіграє певну роль у старінні сітківки і виникненні деяких дегенеративних змін. Ця точка зору підтверджується великим гістологічним подібністю змін в сітківці старих людей та змін, викликаних впливом інтенсивного світла.
Проте слід застерегти від некритичного перенесення даних експериментів на тварин, отриманих нерідко в нетипових для їх життєдіяльності умовах, на людину.
Існує можливість ушкодження рецепторів сітківки при застосуванні сучасних приладів для офтальмоскопії та операційних мікроскопів. Є численні дані про шкідливу дію світла сучасних діагностичних приладів та операційних мікроскопів.
3.2. Особливості впливу на орган зору
когерентного світла.
Лазери, винайдені в 1955 р., стали принципово новим джерелом випромінювань оптичного діапазону, що відрізняються низкою нових властивостей, якими не володіли випромінювання раніше відомих джерел світла. Найважливішим із цих властивостей є тимчасова і просторова когерентність. Тимчасова когерентність визначає монохроматичністю випромінювання (весь випромінюється пучок має строго певну довжину хвилі). Просторова когерентність, під якою розуміють збіг фази що випускаються світлових хвиль в часі і просторі, так що в певній точці простору зберігається постійна форма хвильового фронту коливання, а фаза хвилі в цій же точці змінюється регулярно, забезпечує малу розбіжність пучка лазерного випромінювання, що завдяки цьому зберігає високий рівень енергії на значній відстані від джерела випромінювання.
Високий рівень тимчасової і просторової когерентності лазерного випромінювання дозволяє здійснити його фокусування за допомогою звичайних оптичних систем в пляма мінімального розміру, який можна порівняти з довжиною хвилі, з відповідним гігантським збільшенням щільності потужності.
В даний час створена велика кількість різних лазерів, що випромінюють в УФ, видимої та ІЧ областях спектру, що дозволило вперше детально вивчити в експерименті особливості біологічної дії на орган зору оптичних випромінювань різних довжин хвиль.
Найбільш широке поширення в техніці та медицині отримали газові і твердотільні лазери. У першу в якості активного середовища використовуються різні гази, в яких оптичне випромінювання индуцируется струмом високої напруги. Ці лазери мають, як правило, безперервне випромінювання, так що імпульси потрібної тривалості отримують за допомогою затворів різних конструкцій.
Більшість твердотільних лазерів є імпульсними. В якості активного середовища використовується кристал рубіна, а також скло, активований неодимом, Ітербій, ербієм та іншими елементами. Світлове випромінювання индуцируется зовнішнім джерелом некогерентного світлового випромінювання. Залежно від конструктивного виконання ці лазери працюють в різних режимах. Ми не будемо вдаватися в суть цих режимів, нас цікавить тільки тривалість імпульсів і їх потужністьпри кожному з режимів. Нас цікавлять тільки три з них - вільної генерації, модульованим добротності і синхронізації мод.
Режим вільної генерації забезпечують тривалість імпульсу від 10 мкс до 1-2 мс. У режимі модульованим добротності енергія лазера виділяється за дуже короткий проміжок часу близько 100 нс і менше, у зв'язку з чим потужність імпульсу може становити сотні мегават.
Нарешті режим синхронізації мод забезпечує виділення енергії лазера за час, що обчислюється пікосекундамі (10-12 с) (1).
Імпульсні лазери, що працюють в режимі вільної генерації та модульованим добротності, давно знайшли своє застосування в техніці та медицині. Останнім часом лікарі-офтальмологи виявляють значний інтерес до лазерам, що працює в режимі синхронізації мод, хоча вони застосовуються поки що переважно в наукових дослідженнях.
Лазерне випромінювання представляє для органа зору значно більшу небезпеку, ніж всі відомі джерела некогерентного світла, тому що воно здатне викликати його пошкодження за значно коротший проміжок часу, ніж той, який необхідний для спрацювання фізіологічних захисних механізмів.
Вже незабаром після появи лазерів були опубліковані повідомлення про випадкових пошкодженнях очей їх випромінюваннями. Аналіз цих повідомлень показав, що пошкодження мали місце з однаковою частотою від впливу як прямого, так і відбитого від різних поверхонь пучка світла.
Лазерне випромінювання пропускається оболонками очного яблука і поглинається ними за тими самими законами, що і некогерентного і не викликає в тканинах будь-яких специфічних ефектів. Як і некогерентного випромінювання, залежно від довжини хвилі воно може бути причиною виникнення різних видів пошкодження очей. Так, зокрема, видима область оптичного спектру може викликати фотохімічні пошкодження сітківки блакитним світлом, термічний опік сітківки і власне судинної оболонки і термічний опік райдужної оболонки.
Для оцінки ступеня небезпеки для очей випромінювання того чи іншого лазера необхідно знати лише потужність або енергію випромінювання, достатню для появи порогового ушкодження. За порогове приймають мінімальне пошкодження оболонок ока, яке може бути зареєстровано візуально безпосередньо після впливу або через деякий час після нього (як правило, не більше доби).
3.3. Механізми світлових ушкоджень очей
Механізм дії світлового випромінювання на орган зору може бути різним в залежності від довжини хвилі, потужності і тривалості впливу. Ці параметри є визначальними як для некогерентних, так і для лазерних випромінювань.
Оскільки органічні молекули, з яких складається будь-яка тканина, мають широкий спектр абсорбіруемих частот, то немає підстав вважати, що монохроматичністю лазерного випромінювання може створити будь-які специфічні ефекти при взаємодії з тканиною. Експериментально таких ефектів знайти не вдалося. Просторова когерентність також не змінює істотно механізму пошкоджень світловим випромінюванням, так як явище теплопровідності в тканинах і властиві оці постійні дрібні рухи руйнують інтерференційну картину вже при тривалості впливу, що перевищує кілька мікросекунд.
Розрізняють три основні групи механізмів пошкоджуючого дії світла на орган зору. Розглянемо кожну з них окремо.
3.3.1. Термічний механізм
Термічний механізм пошкодження органу зору світловим випромінюванням є найбільш універсальним для видимої частини спектру при тривалості впливу від 1 мс до 10 с. Значна частина енергії випромінювання цього діапазону, поглинаючись оболонками очі, перетворюється в тепло і нагріває тканину. При досить високої щільності потужності випромінювання що виділяється в осередку опромінення тепло викликає коагуляцію білків та інших органічних матеріалів, що клінічно виявляється у вигляді опіку тканини.
Коагуляція наступає при температурі +58 оС і в міру подальшого підвищення температури тяжкість опіку і його площа наростають. При досягненні температури 100 оС відбуваються скипання що міститься в тканини води і паротворення в осередку опіку. Лінійна залежність між щільністю потужності і тяжкістю опіку при цьому порушується, тому що розширення пара приводить до вибухового пошкодження тканини (1).
Термічний механізм пошкодження в живій тканині реалізується за більш складним законами, ніж у неживій однорідному об'єкті. Це особливо стосується опіків органу зору в зв'язку із значним розходженням абсорбційних характеристик його оболонок та їх структурних елементів.
Значний вплив на перебіг термічних процесів в живій тканині має наявність циркуляції крові, що змінює теплопровідність тканини і сприяє більш швидкому відведення тепла з вогнища опромінення, а також відповідна запальна реакція організму і інші фактори.
3.3.2. Фотомеханічних пошкодження
У випадку, коли у вогнищі світлової дії досягається температура кипіння води, відбувається механічний вибух тканини розширюються парогазових міхуром. Такі розриви сітківки, що відбуваються за рахунок перетворення частини поглиненого світла в механічну енергію тиску, нерідко мають місце при масивної коагуляції внутрішньоочних пухлин поліхроматичний випромінюванням ксенонового фотокоагулятора. Як правило, такі розриви супроводжуються вираженим звуковим ефектом.
Незабаром після появи лазерів, що забезпечили отримання потужних імпульсів світла малої тривалості, стало ясно, що роль механічного чинника у механізмі пошкоджуючого дії світла зростає не тільки в міру зростання потужності, але і в міру скорочення тривалості впливу до 1 мс і менше.
Переважання нетерміческіх способів передачі енергії опромінення тканини при різкому скороченні тривалості імпульсу дало підставу вважати що викликаються імпульсними лазерами біологічні ефекти специфічно лазерними.
При дії на очне дно випромінювань імпульсних лазерів в режимі модульованим добротності, у яких тривалість імпульсу становить кілька десятків наносекунд, пошкодження механічної природи виступають на перший план. Близько 40% енергії лазерів, що працюють в режимі модульованим добротності, витрачається на механічне пошкодження тканини. Це дало підставу назвати такі лазери "холодними" і використовувати їх для механічного руйнування деяких внутрішньоочних тканин в лікувальних цілях. Їх випромінювання іонізує тканину, створюючи електричне поле високої напруги. Виникають електричний пробій і акустична хвиля, механічно руйнують тканину.
Розрив тканини відбувається незалежно від ступеня її пігментації або хімічної природи. При цьому утворюється короткоживучих плазмовий екран, що захищає сусідні тканини, наприклад сітківку при роботі на передньому сегменті очі, від прямого знищення.
Гідродинамічний удар, що виникає в замкнутої порожнини очі при дії імпульсних лазерів, є причиною істотного підвищення внутрішньоочного тиску, а також виникнення дистантних змін в сітківці і судинній оболонці, що виявляються тонкими морфологічними і функціональними методами.
Третій механізм пошкодження найбільш цікавий, але разом з тим для його розуміння необхідно з'ясувати кілька важливих моментів, без яких він буде не зовсім зрозумілий. Мова йде про фотохімічному механізмі пошкодження, заснованому на фотосенсібілізірованном вільнорадикальне окислення клітинних структур сітківки, яке відбувається в результаті утворення синглетного кисню.
3.4. Фізична природа синглетного кисню.
Відомо, що основне стан молекул кисню є тріплетним, однак при поглинанні енергії молекули кисню здатні заселяти щодо нізколежащіе синглетні рівні 1? G + і 1? G. Для заселення 1? G необхідна енергія, відповідна фотонам з довжиною хвилі 760 нм, для заселення 1? G - енергія фотонів з довжиною хвилі 1270 нм. Синглетного кисню (1О2) називають електронно-збуджені молекули О2, що знаходяться на одному з зазначених синглетні рівнів. Таким чином 1О2 відрізняється від інших активних форм кисню (радікали.О2-, НО2., ВІН. Або перекис водню Н2О2) тим, що для його отримання потрібно лише поглинання енергії без хімічної модифікації кисневих молекул.
Дослідження багатьох лабораторій дозволили отримати інформацію, що свідчить про можливість участі 1? G - стану О2 в процесах фотодинамічної пошкодження клітин, фототаксис і фототропізма, біохемілюмінісценціі, фагоцитозу, пероксидазних реакціях, а також у фототерапевтичні ефекти при лікуванні раку, жовтяниці новонароджених, шкірних хвороб і в інших процесах. Таким чином, аналіз активації кисню шляхом заселення його збуджених станів в даний час знаходиться в центрі уваги дослідників біологічної активації кисню і ряду прикладних медико-біологічних проблем.
Численні дослідження дозволили виявити ряд елементарних фізичних і хімічних процесів, які можуть служити джерелом 1О2, але детально зупинятися ми на них не будемо. Варто тільки відзначити, що для утворення синглетного кисню необхідна наявність молекул фотосенсибілізатора, за допомогою яких відбувається передача енергії фотонів молекул кисню. Ефективними фотосенсибілізатора освіти 1О2 є основні пігменти фотосинтезу: хлорофіли, бактеріохлорофіл і феофітіни, їхні попередники в біосинтезі - протохлорофілли і порфірини; основний пігмент зору - ретиналь; флавін, а також використовуються в фототерапії раку водорозчинні порфірини. Слабкими генераторами 1О2 виявилися псорален, що застосовуються в практиці фототерапії шкірних захворювань, ендогенний сенсибілізатор кришталика - кінуренін, антибіотик - тетрациклін (2).
Аналіз експериментальних даних дозволяє зробити висновок, що процес утворення 1О2 характерний для клітин будь-яких організмів в аеробних умовах. Основними генераторами 1О2 в клітинах є тріплетние молекули сенсибілізатора, радікали.О2-і НО2. або перекис водню. Основними тушітелямі 1О2 в нефотосінтезірующіх клітинах - молекули білків. У хлоропластах і хроматофорах ту ж роль виконують каротиноїди і хлорофілу. Нефотосінтезірующіе клітини, не мають в своєму розпорядженні зазначеними пігментами, не мають спеціальних систем захисту від 1О2. Низька стаціонарна концентрація синглетного кисню в таких клітинах забезпечується, низькою ефективністю освіти в них тріплетних молекул сенсибілізатора, радікалов.О2-, НО2. і перекису водню. Суттєва роль у зниженні виходу 1О2 в клітинах, належить антиокислювальних системі, що включає пероксидазу, супероксиддисмутази, каталазу та інгібітори вільних радикалів. Ця система, що забезпечує також захист клітин від радикалів, що утворюються після окислення біомембран синглетного кисню. Можна вважати, що в звичайних умовах зазначені антиокислювальні системи в поєднанні з системами біохімічного синтезу створюють необхідний рівень репарації пошкоджених компонентів і роблять природний фон освіти 1О2 нешкідливим для клітин.
Однак в екстремальних умовах або при патологічних змінах, що призводять до різкого збільшення вмісту пігментів-сенсибілізатора, або при введенні екзогенних сенсибілізатора в клітини інтенсивність фотогенераціі 1О2 може дійти до критичного рівня, що викликає незворотні деструктивні ефекти (2).
3.5. Фотосенсібілізірованние пошкодження
біологічних мембран
Первинним процесом фотобіологіческіх реакцій є поглинання світла молекулами речовини. У більшості випадків ці молекули є біологічний субстрат, який сам зазнає подальші фотохімічні зміни. У деяких випадках як первинних акцепторів світлової енергії виступають речовини, які передають цю енергію на інші молекули, а самі при цьому зазвичай не зазнають хімічних перетворень. Такі речовини називаються фотосенсибілізатора, а процеси, в яких вони беруть участь, - фотосенсібілізірованнимі. Як сенсибілізатора в клітинах можуть виступати як природні метаболіти - хлорофіл, флавін, порфірини, білірубіну (ендогенні сенсибілізатора), так і широке коло потрапляють в клітини екзогенних речовин - акцепторів видимого світла (барвники, ароматичні вуглеводи). Приватним випадком фотосенсібілізірованних процесів є фотоповрежденіе біологічних систем в присутності сенсибілізатора за участю молекулярного кисню - так зване фотобіологіческое дію.
За своїм механізмом все фотосенсібілізіруемие реакції поділяють на два типи в залежності від того, яким способом енергія світлового збудження передається від сенсибілізатора до біологічного субстрату. У реакціях типу I сенсибілізатор у збудженому стані тріплетном бере участь в переносі електрона або атома водню, у результаті чого виходять реакційноздатні радикали біологічного субстрату, що вступають в подальші хімічні реакції з киснем або з іншими молекулами. У реакціях типу II відбувається перенесення енергії від сенсибілізатора до молекули кисню з переведенням її в електронно-збуджений стан синглетно 1О2; утворився синглетні кисень потім окисляє біологічний субстрат. Тип фотосенсібілізіруемой реакції залежить в першу чергу від природи сенсибілізатора та субстрату, зокрема від їх здатності вступати в окисно-відновні реакції.
Дія світла в присутності сенсибілізатора направлено на ті компоненти клітини, в яких сенсибілізатор локалізується. За винятком невеликого ряду речовин, які добре проникають в ядро клітини і сенсибілізує фотоповрежденіе спадкового апарату, більшість сенсибілізатора переважно взаємодіє з мембранними системами клітини і обумовлює їх фотоповрежденіе, що призводить до порушення гомеостазу клітини, її енергозабезпечення та інших мембранозв'язаних функцій.
Біологічні мембрани є головною мішенню пошкоджуючого дії світла в присутності, по крайней мере, порфіринових сенсибілізатора. Отже, для того щоб відповісти на питання, які механізми сенсибілізованій пошкодження клітин, в першу чергу потрібно розглянути фотоповрежденія мембран. На жаль, на ізольованих мембранах виконані лише поодинокі праці, причому всі дослідження проведені на еритроцитарної мембрані. Проте як було показано, ця мембрана є зручною та адекватною моделлю біологічних мембран взагалі, тому можна думати, що закономірності, встановлені на ній, будуть справедливі і для інших мембран.
Оскільки головними компонентами біологічних мембран є ліпіди і білки, характер фотосенсібілізіруемих процесів у мембрані визначається значною мірою чутливістю білків і ліпідів до сенсибілізованих фотоповрежденіям.
У ліпідах велику чутливість до сенсибілізованій фотоокісленію проявляють ненасичені жирні кислоти, насичені ж жирнокислотного ланцюга практично не піддаються фотоокісленію. Легко фотоокісляется також інший вид ліпідів - холестерин. Процеси фотоокісленія ненасичених жирних кислот фосфоліпідів, а також холестерину схожі з процесами, що протікають при перекисного окислення ліпідів.
Сенсибілізовані фотоповрежденія ліпідів і білків мембран призводять до змін їх найважливіших функціональних характеристик: зниження бар'єрних властивостей, придушення активностей мембранозв'язаних ферментів і транспортних систем.
Велике значення в фотоіндуціруемом зниження бар'єрних властивостей мембран надається фотоповрежденіям ліпідів. Фотосенсібілізіруемое інгібування ряду мембранних ферментативних активностей пов'язано з прямим фотоповрежденіем білків. Порушення бар'єрних властивостей мембран і її транспортних властивостей призводять до зміни внутрішньоклітинного складу і до неминучої загибелі клітини. Можна уявити наступну схему фотосенсібілізірованних процесів у мембрані (3):
Фотосенсібілізірованние пошкодження мембран можна послабити або підсилити поруч речовин. Добрими тушітел?? ми синглетного кисню є?-каротин,?-токоферол, азид натрію а ін Відомі також сполуки, які збільшують фотосенсібілізіруемие ушкодження. Це прооксіданти - речовини, які підсилюють розгалуження ланцюга окислення, вступаючи в окисно-відновні реакції з ліпідними перекису (3).
3.6. Фотохімічний механізм пошкоджуючого дії
світла на фоторецептори сітківки ока.
У деяких екстремальних ситуаціях видиме світло, будучи дуже яскравим або довготривалим, здатний надати шкідливу дію на око, особливо хворий чи схильний до захворювання. Для людини ця проблема стає все більш актуальною у зв'язку з появою техніки, що має потужне і концентроване світлове випромінювання. Для пошуку засобів, що запобігають негативна дія видимого світла на око людини, необхідно знати, які тканини ока при цьому пошкоджуються, і розкрити механізми процесів викликають фотоповрежденіе.
Роботи останнього часу показали, що фотоповрежденіе може призводити до дегенерації клітинних елементів сітківки, в першу чергу її рецепторів і клітин пігментного епітелію. Найбільш схильні до пошкодження фоторецепторные клітини сітківки - палички і колби. Так, через добу після досить тривалої дії на щурів світла помірної інтенсивності спостерігали виражені патологічні зміни фоторецепторів. За допомогою електронного мікроскопа було виявлено набухання та подовження їх зовнішніх сегментів, дезорієнтація фоторецепторных дисків. Аномальне подовження зовнішніх сегментів є, ймовірно, наслідком порушення фагоцитозу уламків зовнішніх сегментів, що містять "старі" диски.
Таким чином, найбільш вираженим є порушення клітинних контактів між зовнішніми сегментами фоторецепторів і клітинами пігментного епітелію. У результаті цього в щілини між сітківкою і пігментних епітелієм накопичуються неперетравлені уламки зовнішніх сегментів. Це може призводити до розвитку аутоімунного запального процесу, наприклад симпатичного запалення очі.
Через тиждень після тривалої дії на тварину яскравого світла шар фоторецепторів, а також клітин пігментного епітелію в макулярною області повністю відсутній.
Ці морфологічні дані підтверджені результатами електрофізіологічних досліджень. Як відомо, сумарна електрична реакція сітківки - електроретинограми (ерг) досить адекватно відображає функціональний стан її клітинних елементів - рецепторних, нервових, гліальних. Істотний внесок у генерацію "а"-хвилі ерг вносять фоторецептори. Основний результат електрофізіологічних дослідів зводиться до наступного: при дії на-віч кроликів і пацюків ушкоджують доз видимого світла найбільш чутливою до фотоповрежденію є саме "а"-хвиля ерг (4).
Цікаво простежити динаміку раннього рецепторного потенціалу (РРП), який, як відомо, адекватно відображає зміст в
