Зміст
Ведення ................................................. .................................................. ...... 2
Будова ока ................................................ ............................................. 3
Світлові пошкодження очей ............................................... ........................ 5
Причини світлових ушкоджень очей .............................................. .6
3.2. Особливості дії на орган зору когерентного світла .......... 9
3.3 Механізми світлових ушкоджень очей ........................................... 12
3.3.1. Термічний механізм ................................................ ............ 13
3.3.2. Фотомеханічних пошкодження ............................................ 13
3.4. Фізична природа синглетного кисню .................................. 15
3.5. Фотосенсибілізуючу пошкодження біологічних мембран17
3.6. Фотохімічний механізм пошкоджуючої дії світла на фоторецептори сітківки ока ........... .................................................. .19
4. Висновок ................................................. .............................................. 26
1. Введення.
Світло як елемент життєвого середовища людини являє собою один з основних факторів найважливішою медико-біологічної проблеми сучасності - організм і середовище.
Видатний натураліст, творець вчення про біосферу В.І. Вернадський писав, що "навколо нас, в нас самих, всюди і скрізь, без перерви, вічно змінюючись, збігаючись і зіштовхуючись, 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 різних сферах широко застосовуються джерела променистої енергії. У зв'язку з цим людина піддається впливу природних і штучних джерел променистої енергії з самої різної спектральної характеристикою і надзвичайно великим 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 променистої 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, викликає зорові відчуття, що забезпечують зорове сприйняття світу. Проте дія світла на око не обмежена тільки аспектом бачення - виникненням на сітківці ока зображень і формуванням зорових образів. Крім основного процесу бачення, світло викликає і інші важливі реакції рефлекторного і 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 діяльний стан .
Видиме світло робить ще вплив на імунні та алергічні реакції, а також на різні показники обміну, змінює рівень аскорбінової кислоти в крові, в надниркових залозах і мозку. Він діє і на серцево-судинну систему. Останнім часом встановлено також і гуморальний вплив нервового збудження, що виникає при світловому роздратуванні очі.
Хоча найбільша кількість реакцій викликаються світлом в організмі людини, мають позитивний ефект, все ж має місце і шкідливі аспекти дії видимого світла. І в цьому рефераті, будуть викладені найбільш поширені види шкідливого впливу оптичного випромінювання видимого спектру на організм людини. А саме будуть розглянуті різні механізми світлових ушкоджень очей. Особливу увагу в цьому рефераті вирішено приділити механізму заснованому на фотохімічних процесах, що відбуваються на сітківці під впливом світлового випромінювання.
Для найбільш повного розуміння матеріалу, доцільно спочатку ознайомиться з анатомією органу зору.
2. Будови ока
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 і задню. Задня частина очного яблука, яку з деякою натяжкою можна назвати дном очного яблука, буде представляти той чутливий екран, на який відкидаються зображення диоптрические апаратом, закладеним в передній частині ока і що складається з кришталика, радужина, 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 являє саму внутрішню оболонку очного яблука і межує безпосередньо з склоподібним тілом.
Сітківка продовжується і на цилиарное тіло і на радужина, проте в цих місцях вона вже втрачає свою світлочутливість. Тому в сітківці розрізняють оптичну (pars optica), радужина (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.
Інша ж, представляє точку найкращого бачення і відоме під ім'ям жовтої плями, є плоским поглибленням, розташованим прямо проти зіниці і відрізняється особливим розташуванням нервових елементів.
У сітківці вдається розрізнити ряд шарів. Самим зовнішній із них буде шар пігментного епітелію сітківки, що розвивається із зовнішньої стінки очного келиха (Pl).
Пігментний епітелій складається з низьких призматичних клітин правильної п'яти-шестигранної форми і на площинному препараті має вигляд мостовидного епітелію. Серед звичайних одноядерних клітин трапляються великі гігантські багатоядерні клітини. Від поверхні клітин, зверненої убік сітківки, відходять довгі плазматичні відростки, утворюють ніби бороду пігментного епітелію. У ці відростки проникають пігментні зернятка з протоплазми епітеліальних клітин. У бороду пігментного епітелію всунути фоторецепторного кінці (SZ) чутливих клітин сітківки, так звані палички і колбочки, кожна з яких є апаратом, що сприймає світлове подразнення. Борода пігментного епітелію, оточуючи своїми пігментованими нитками кожну паличку і колбу, оптично ізолює їх один від одного.
У власне сітківці самий зовнішній шар утворений тільки-що згаданими паличками і колбами (SZ). Колбочки і палички лежать своїми підставами у зовнішній прикордонної перетинки (mle), за якою слідує зовнішній ядерний шар (AK), містить в собі численні ядра. Сле
дме шар - зовнішній ретикулярний шар (Fs, ArS) - представлений нервовим сплетінням, за яким слід внутрішній ядерний шар (iK), менш потужний ніж зовнішній. Далі йде знову нервове сплетіння, відоме під ім'ям 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 докладне 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 і органічних ушкоджень 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 "осліплення".
Органічні пошкодження очей неіонізуючих електромагнітних випромінювань оптичного діапазону можуть виникнути як під впливом прямого і відбитого сонячного світла, так і в результаті впливу 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 довжинами 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 дивись світловим випромінюванням Сонця були відомі ще лікарями давнини. Галілео Галілей 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 оптичних середовищ ока на очному дні утворюється зображення сонячного диска діаметром 0,15 мм, у якому навіть при вузькому зіниці концентрується енергія, достатня для хоріоретинального опіку (порядку 0.7-1 кал / (см 2 * с)) (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, підлітає з боку сонця.
Технічний прогрес призвів до створення штучних джерел світла, яскравість яких не тільки порівнянна з яскравістю Сонця, але 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 та хоріоретинальних опіки світловим випромінюванням атомного вибуху. Останні виникають через те, 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 чинниками 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, коротше шлях проходження світла в атмосфері та ін), вони виникали у кроликів на відстані до 600 км при потужності вибуху в 2Мт. При вибухах в нижніх шарах атмосфери в залежності від їх потужності і 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 / (см 2 * с) (від 2.93 до 8.37 Дж / (см 2 * з) (1) за час мігательного рефлексу, яке приймається рівним 0.15 с. За 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, так як для цього потрібно фіксувати погляд безпосередньо на вогняну кулю атомного вибуху. Це найбільш імовірно для персоналу, що веде спостереження за обстановкою, в тому числі через оптичні прилади.
Більш частими, хоча і що виникають на значно меншій відстані від епіцентру вибуху, повинні бути світлові опіки шкіри обличчя, вік, кон'юнктиви і райдужки, які можуть зустрічатися у кожного четвертого потерпілого під час вибуху. При цьому, на відміну від термічних опіків, рогівка залишається мало пошкодженої, оскільки 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 тривалому впливі світла помірної інтенсивності, недостатньою для освіти термічного опіку.
В даний час відомо, що такого роду пошкодження виникають за рахунок впливу видимого випромінювання блакитній частині спектра (400-500 нм) (1), надає на сітківку специфічне фотохімічне дію. Це дало підставу назвати такі ушкодження - 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 колбочковая систем у робітників алмазодобувної промисловості, що працюють при високій освітленості на робочому місці.
Серед низки дослідників, що вивчають ретинальні ефекти інтенсивного освітлення, існує думка, що вплив світла відіграє певну роль в старінні сітківки і виникненні деяких дегенеративних змін. Ця точка зору підтверджується великою гістологічним подібністю змін в сітківці старих людей та змін, викликаних впливом інтенсивного світла.
Проте слід застерегти від некритичного перенесення даних експериментів на тваринах, отриманих нерідко в нетипових для їх життєдіяльності умовах, на людину.
Існує можливість пошкодження рецепторів сітківки при застосуванні сучасних приладів для офтальмоскопії та операційних мікроскопів. Є численні дані про ушкоджувальний дії світла сучасних діагностичних приладів та операційних мікроскопів.
Особливості впливу на орган зору
когерентного світла.
Лазери, винайдені в 1955 р., стали принципово новим джерелом випромінювань оптичного діапазону, що відрізняються рядом нових властивостей, якими не володіли випромінювання раніше відомих джерел світла. Найважливішим із цих властивостей є тимчасова і просторова когерентність. Тимчасова когерентність визначає монохроматичность випромінювання (весь випромінюваний пучок має строго певну довжину хвилі). Просторова когерентність, під якою розуміють збіг фази 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 расходимость пучка лазерного випромінювання, який завдяки цьому зберігає високий рівень енергії на значній відстані від джерела випромінювання.
Високий рівень тимчасової та просторової когерентності лазерного випромінювання дозволяє здійснити його фокусування за допомогою звичайних оптичних систем в пляму мінімального розміру, порівнянного з довжиною хвилі, з відповідним гігантським збільшенням щільності потужності.
В даний час створена велика кількість різних лазерів, випромінюючих 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 перших в якості активного середовища використовуються різні гази, у яких оптичне випромінювання індукується 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, ітербію, ербієм та іншими елементами. Світлове випромінювання індукується зовнішнім джерелом некогерентного світлового випромінювання. У залежності від конструктивного виконання ці лазери працюють в різних режимах. Ми не будемо вдаватися в суть цих режимів, нас цікавить тільки тривалість імпульсів і їх потужність при кожному з режимів. Нас цікавлять тільки три з них - вільної генерації, модульованої добротності і синхронізації мод.
Режим вільної генерації забезпечують тривалість імпульсу від 10 мкс до 1-2 мс. У режимі модульованої 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 пикосекундах (10 -12 з) (1).
Імпульсні лазери, що працюють в режимі вільної генерації та модульованої добротності, давно знайшли своє застосування в техніці і медицині. Останнім часом лікарі-офтальмологи виявляють значний інтерес до лазерів, що працюють в режимі синхронізації мод, хоча вони застосовуються поки що переважно в наукових дослідженнях.
Лазерне випромінювання представляє для органу зору значно більшу небезпеку, ніж усі відомі джерела некогерентного світла, так як 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 ж законами, що і некогерентних і не викликає у тканинах будь-яких специфічних ефектів. Як і некогерентного випромінювання, в залежності від довжини хвилі воно може бути причиною виникнення різних видів ушкодження очей. Так, зокрема, видима область оптичного спектру може викликати фотохімічне пошкодження сітківки блакитним світлом, термічний опік сітківки і власне судинної оболонки і термічний опік райдужки.
Для оцінки ступеня небезпеки для очей випромінювання того чи іншого лазера необхідно знати мінімальну 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 адсорбуються частот, то немає підстав вважати, що монохроматичность 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, перевищує кілька мікросекунд.
Розрізняють три основні групи механізмів пошкоджуючої дії світла на орган зору. Розглянемо кожну з них окремо.
3.3.1. Термічний механізм
Термічний механізм пошкодження органа зору світловим випромінюванням є найбільш універсальним для видимої частини спектра 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 високій щільності потужності випромінювання виділяється в осередку опромінення тепло викликає коагуляцію білків та інших органічних матеріалів, що клінічно виявляється у вигляді опіку тканини.
Коагуляція настає при температурі +58 о С і в міру подальшого підвищення температури тяжкість опіку і його площа наростають. При досягненні температури +100 о С відбуваються закипання міститься в тканини води і пароутворення в осередку опіку. Лінійна залежність між щільністю потужності і вагою опіку при цьому порушується, тому що розширення пари призводить до вибухового пошкодження тканини (1).
Термічний механізм пошкодження в живій тканині реалізується за більш складним законами, ніж в неживому однорідному об'єкті. Це особливо стосується опіків органу зору в зв'язку зі значною різницею абсорбційних характеристик його оболонок та їх структурних елементів.
Значний вплив на перебіг термічних процесів у живій тканині надає наявність циркуляції крові, яка змінює теплопровідність тканини і сприяє більш швидкому відведенню тепла з вогнища опромінення, а також відповідна запальна реакція організму й інші фактори.
3.3.2. Фотомеханічних пошкодження
У випадку, коли у вогнищі світлового впливу досягається температура кипіння води, відбувається механічний вибух тканини розширюються парогазовим міхуром. Такі розриви сітківки, що відбуваються за рахунок перетворення частини поглиненого світла в механічну енергію тиску, нерідко мають місце при масивній коагуляції внутрішньоочних пухлин поліхроматичних 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 ушкоджуючої 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 викликаються імпульсними лазерами біологічні ефекти специфічно лазерними.
При дії на очне дно випромінювань імпульсних лазерів в режимі модульованої добротності, у яких тривалість імпульсу становить кілька десятків наносекунд, пошкодження механічної природи виступають на перший план. Близько 40% енергії лазерів, що працюють в режимі модульованої добротності, витрачається на механічне руйнування тканини. Це дало підставу назвати такі лазери "холодними" і використовувати їх для механічного руйнування деяких внутрішньоочних тканин в лікувальних цілях. Їх випромінювання іонізує тканина, створюючи електричне поле високої напруженості. Виникають електричний пробій і акустична хвиля, механічно руйнують тканину.
Розрив тканини відбувається незалежно від ступеня її пігментації або хімічної природи. При цьому утворюється короткоживучий плазмовий екран, який захищає сусідні тканини, наприклад сітківку при роботі на передньому сегменті ока, від прямого ураження.
Гідродинамічний удар, який виникає в замкнутій порожнині ока при впливі 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 усвідомити кілька важливих моментів, без яких він буде не зовсім зрозумілий. Мова йде про фотохімічному механізм пошкодження, заснованому на фотосенсібілізірованном вільнорадикальне окислення клітинних структур сітківки, яке відбувається в результаті утворення синглетного кисню.
3.4. Фізична природа синглетного кисню.
Відомо, що основний стан молекул кисню є триплетних, однак при поглинанні енергії молекули кисню здатні заселяти щодо нізколежащіх синглетні рівні 1 е g + і 1 D g. Для заселення 1 е g необхідна енергія, відповідна фотонам з довжиною хвилі 760 нм, для заселення 1 D g - Енергія фотонів з довжиною хвилі 1270 нм. Синглетного кисню (1 О 2) називають електронно-збуджені молекули О 2, що знаходяться на одному із зазначених синглетних рівнів. Таким чином 1 О 2 відрізняється від інших активних форм кисню (радикали. О 2 -, АЛЕ 2., ОН. Або перекис водню Н 2 О 2) 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 D g - стану О 2 у процесах фотодинамічної пошкодження клітин, фототаксис і фототропізму, біохемілюмінісценції, фагоцитозу, пероксидазних реакціях, а також у фототерапевтична 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 та деяких прикладних медико-біологічних проблем.
Численні дослідження дозволили виявити ряд елементарних фізичних і хімічних процесів, які можуть служити джерелом 1 О 2, але докладно зупинятися ми на них не будемо. Слід лише зазначити, що для утворення синглетного кисню необхідна наявність молекул фотосенсибілізатора, за допомогою яких відбувається передача енергії фотонів молекулам кисню. Ефективними фотосенсибілізаторами освіти 1 О 2 є основні пігменти фотосинтезу: хлорофіли, бактериохлорофилла і феофітину, їхні попередники в біосинтезі - протохлорофілли і порфірини; основний пігмент зору - ретиналь; флавін, а також використовуються в фототерапії раку водорозчинні порфірини. Слабкими генераторами 1 О 2 виявилися псоралени, що застосовуються в практиці фототерапії шкірних захворювань, ендогенний сенсибілізатор кришталика - кінуренін, антибіотик - тетрациклін (2).
Аналіз експериментальних даних дозволяє зробити висновок, що процес утворення 1 О 2 характерний для клітин будь-яких організмів в аеробних умовах. Основними генераторами 1 О 2 у клітинах є триплетні молекули сенсибілізаторів, радикали. О 2 - і АЛЕ 2. Або перекис водню. Основними гасників 1 О 2 в нефотосінтезірующіх клітинах - молекули білків. У хлоропластах і хроматофорах ту ж роль виконують каротиноїди і хлорофілу. Нефотосінтезірующіе клітини, які не мають зазначеними пігментами, не мають спеціальних систем захисту від 1 О 2. Низька стаціонарна концентрація синглетного кисню в таких клітинах забезпечується, низькою ефективністю освіти в них триплетних молекул сенсибілізаторів, радикалів. О 2 -, АЛЕ 2. Та перекису водню. Істотна роль у зниженні виходу 1 О 2 у клітинах, належить антиокислювальної системи, що включає пероксидазу, супероксиддисмутазу, каталазу та інгібітори вільних радикалів. Ця система, 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 1 О 2 нешкідливим для клітин.
Проте в екстремальних умовах або при патологічних змінах, що приводять до різкого збільшення вмісту пігментів-сенсибілізаторів, або при введенні екзогенних сенсибілізаторів в клітини інтенсивність фотогенераціі 1 О 2 може дійти до критичного рівня, що викликає незворотні деструктивні ефекти (2).
Фотосенсібілізірованние пошкодження
біологічних мембран
Первинним процесом фотобиологических реакцій є поглинання світла молекулами речовини. У більшості випадків ці молекули являють собою біологічний субстрат, який сам зазнає подальші фотохімічні зміни. У деяких випадках в якості 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 фотосенсибілізаторами, а процеси, в яких вони беруть участь, - фотосенсібілізірованнимі. Як сенсибілізатора в клітинах можуть виступати як природні метаболіти - хлорофіл, флавін, порфірини, білірубін (ендогенні сенсибілізатори), так і широке коло потрапляють в клітини екзогенних речовин - акцепторів видимого світла (барвники, ароматичні вуглеводи). Окремим випадком фотосенсібілізірованних процесів є фотоповрежденіе біологічних систем в присутності сенсибілізаторів за участю молекулярного кисню - так зване фотобіологічні дію.
За своїм механізмом всі фотосенсібілізіруемие реакції розділяють 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 перенесенні електрона чи атома водню, в 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 синглетное стан 1 О 2; утворився синглетний кисень потім окисляє біологічний субстрат. Тип фотосенсібілізіруемой реакції залежить в першу чергу від природи сенсибілізатора та субстрату, зокрема від їх здатності вступати в окислювально-відновні реакції.
Дія світла в присутності сенсибілізаторів направлено на ті компоненти клітини, в яких сенсибілізатор локалізується. За винятком невеликого ряду речовин, які добре проникають в ядро клітини і сенсибилизируют фотоповрежденіе спадкового апарату, більшість сенсибілізаторів переважно взаємодіє з мембранними системами клітини і зумовлює їх фотоповрежденіе, що призводить до порушення гомеостазу клітини, її енергозабезпечення та інших мембранозв'язаних функцій.
Біологічні мембрани є головною мішенню пошкоджуючої дії світла в присутності, принаймні, порфіринових сенсибілізаторів. Отже, для того щоб відповісти на запитання, які механізми сенсибилизированного ушкодження клітин, в першу чергу потрібно розглянути фотоповрежденія мембран. На жаль, на ізольованих мембранах виконані лише поодинокі роботи, причому всі дослідження проведені на еритроцитарної мембрані. Однак 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 сенсибілізованим фотоповрежденіям.
У ліпідах більшу чутливість до сенсибилизированном фотоокислення виявляють ненасичені жирні кислоти, насичені ж жирнокислотний ланцюга практично не піддаються фотоокислення. Легко фотоокісляется також інший вид ліпідів - холестерин. Процеси фотоокислення ненасичених жирних кислот фосфоліпідів, а також холестерину схожі з процесами, що протікають при перекисном окисленні 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 посилити поряд речовин. Добрими гасників синглетного кисню є b-каротин, a-токоферол, азид натрію а ін Відомі також сполуки, які збільшують фотосенсібілізіруемие ушкодження. Це прооксиданти - речовини, які посилюють розгалуження ланцюги окиснення, вступаючи в окислювально-відновні реакції з ліпідними перекису (3).
Фотохімічний механізм пошкоджуючої дії
світла на фоторецептори сітківки ока.
У деяких екстремальних ситуаціях видиме світло, будучи занадто яскравим або довготривалим, здатний надати шкідливу дію на око, особливо болюче або 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 ушкоджуються, 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 фоторецепторного клітини сітківки - палички і колбочки. Так, через добу після досить тривалої дії на щурів світла помірної інтенсивності спостерігали виражені патологічні зміни фоторецепторів. За допомогою електронного мікроскопа було виявлено набухання і подовження їх зовнішніх сегментів, дезорієнтація фоторецепторних 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 пігментним епітелієм накопичуються неперетравлені уламки зовнішніх сегментів. Це може призводити до розвитку аутоімунного запального процесу, наприклад симпатичного запалення ока.
Через тиждень після тривалої дії на тварину яскравого світла шар фоторецепторів, а також клітин пігментного епітелію в макулярній області повністю відсутня.
Ці морфологічні дані підтверджені результатами електрофізіологічних досліджень. Як відомо, сумарна електрична реакція сітківки - електроретинограми (ЕРМ) досить адекватно відображає функціональний стан її клітинних елементів - рецепторних, нервових, гліальних. Істотний внесок в генерацію "а"-хвилі ЕРМ вносять фоторецептори. Основний результат електрофізіологічних дослідів зводиться до наступного: при дії на око кроликів і пацюків пошкоджуючих доз видимого світла найбільш чутливою до фотоповрежденію є саме "а"-хвиля ЕРМ (4).
Цікаво простежити динаміку раннього рецепторного потенціалу (РРП), який, як відомо, адекватно відображає зміст в сітківці необесцвеченних зорових пігментів. У тварин із змішаною сітківкою основний внесок в генерацію РРП вносять колбочки. Виявилося, що після фотоповрежденія РРП відновлюється швидше, ніж в паличках накопичується зоровий пігмент. Звідси випливає, що більш схильні до пошкодження відповідальні за сутінковий зір палички (4).
Розвиток патологічного процесу йде за механізмом фотосенсібілізірованного вільнорадикального окислення, так як в зорових клітинах присутні три необхідних для цього інгредієнти: активно поглинають світло забарвлені сполуки, кисень і субстрати окислення - білки і ліпіди.
Коротко зупинимося на кожному з трьох факторів. Почнемо з вільного кисню. З широкої мережі капілярів потужної судинної оболонки ока він дифундує через одношаровий пігментний епітелій до фоторецепторів сітківки. У тканині сітківки, як відомо парціальний тиск кисню дуже велике, причому близько 60% його споживається саме фоторецепторного клітинами. На світлі концентрація вільного кисню в зовнішньому сегменті фоторецепторного клітини зростає. Отже, для розвитку окислювального процесу в рецепторних клітинах не бракує у вільному кисні.
Наступний необхідний для розвитку процесу фотоокислення фактор - це забарвлені, що поглинають світло речовини: Родопсин в паличках, йодопсіна в колбочках і продукти їх фотолізу. Всі зорові пігменти є хромоглікопротеінамі, в яких в ролі забарвлюючого білок хромофора виступає альдегід вітаміну А - ретиналь. Необесцвеченнная молекула родопсину поглинає світло в зеленій області спектру (500 нм), а при поглинанні кванта світла вона швидко знебарвлюється, при цьому максимум поглинання зміщується в синю область. Саме ретиналь у знебарвленою зоровому пігменті виступає в якості фотосенсибілізатора процесів окислення білків і ліпідів фоторецепторного мембрани зовнішнього сегмента зорової клітини.
Третім необхідним компонентом для розвитку в клітці патологічного фотоокислювальне процесу є субстрати окислення, тобто речовини, які зазнають окисне руйнування. Як відомо, фоторецепторного мембрана складається з ліпідів (50% сухої ваги) і білка (40% сухої ваги). Причому вона вкрай гомогенна за білковим складом - близько 60-80% всіх білків становить родопсин. Це - водонерозчинних трансмембранний білок, що містить шість вільних тіолових (SH) груп. У той же час добре відомо, що в біологічній мембрані в першу чергу окислюються тіолові групи білків. Крім того, в фоторецепторного мембрані є ще один легко схильний до окислення субстрат - це ненасичені жирні кислоти, швидкість окислення яких зростає із збільшенням у них числа подвійних зв'язків. Для нормального функціонування зорової клітини вкрай важлива підтримка малої в'язкості фоторецепторного мембрани, яка забезпечується саме високим вмістом поліненасичених жирних кислот. У фосфоліпідах фоторецепторного мембрани переважає докозагексаєнова жирна кислота, що містить шість подвійних зв'язків.
Отже, підвищена концентрація кисню, пофарбований фотосенсибілізатора - ретиналь і легко окислюються субстрати - ліпіди та тіолова білок - родопсин - ось та тріада, яка робить виключно високою небезпека розвитку некерованого процесу окислення в зовнішньому сегменті зорової клітини.
Разом з тим у нормальної здорової сітківці ока тварини і людини навіть в умовах тривалої світловий адаптації фотоповрежденія не відбувається. У системі сітківка - пігментний епітелій це забезпечується існуванням власної потужної системи антиокислювальної захисту. Основну роль у цьому захисті в зовнішньому сегменті грає природний антиоксидант - a-токоферол (вітамін Е). Внесок ферментативних ланок антиоксидантної захисту (супероксиддисмутази, пероксидази, глутатіонпероксидази, каталази) тут, мабуть не настільки значний. Концентрація a-токоферолу в зовнішньому сегменті в 5-10 разів вище, ніж у фракції мітохондрій або мікросом печінки. Недолік a-токоферолу в організмі (Е-авітаміноз) призводить до деградації зовнішніх сегментів фоторецепторів, накопичення в них токсичних продуктів окислення ліпідів. Патологічні процеси, що розвиваються при Е-авітамінозі, нагадують ті, які відбуваються в сітківці при фотоповрежденіі.
В екстремальних умови освітлення здорової і особливо болюче або ослабленій сітківці її система антиокислювальної захисту, мабуть, не в змозі запобігти розвитку в мембранах клітин фоторецепторних процесів окислення її основних молекулярних компонентів - білка і ліпідів.
Для розуміння фізико-хімічних механізмів фотоповрежденія, а також для офтальмологічної практики та гігієни зору істотний інтерес представляє залежність швидкості окислення SH-груп родопсину і ліпідів від спектрального складу світла (спектр дії). Виявилося, що найбільш активною була короткохвильова (синя) область спектру, де поглинають кінцеві продукти знебарвлення родопсину. Сам родопсин має максимум поглинання в зеленій області (500нм). Найбільшу небезпеку для фоторецепторів сітківки представляє короткохвильова область видимого спектру (синій колір). Такий результат зрозумілий. Дійсно, світло, поглинений родопсину, з високою ефективністю знебарвлює його, запускаючи тим самим у клітці складну ланцюг електричних, іонних і ферментативних процесів, що призводять в остаточному підсумку до виникнення зорового збудження. Іншими словами, світло, поглинений необесцвеченной молекулою родопсину несе фізіологічну навантаження. У той же час у випадку занадто яскравого або тривалого освітлення велика кількість світла поглинається вже знебарвлені зоровим пігментом, тобто кінцевими продуктами фотолізу родопсину. У цій ситуації ретиналь виступає в ролі фотосенсибілізатора процесів окислення. Поглинаючи кванти світла, він запускає патологічні процеси окислення SH-груп родопсину і ліпідів у фоторецепторного мембрані зовнішнього сегмента зорової клітини.
Дослідження показали, що в результаті світлового пошкодження змінюється профіль електронної щільності фоторецепторного диска зовнішнього сегмента. Це означає, що біохімічно і структурно порушується молекулярна організація власне фоторецепторного мембрани диска.
В основі розвитку фотодегенераціі зорових клітин сітківки лежать процеси вільно-радикального окислення молекулярних компонентів фоторецепторного мембрани - родопсину і ліпідів. Можна було тому запропонувати, що речовини - інгібітори вільно-радикальних процесів - природні або штучні антиоксиданти, можуть виявитися перспективними фотопротекторамі, здатними зробити захисний або терапевтичну дію.
Представляє інтерес експеримент проведений з щурами (5). В експерименті використовували 36 щурів. Щури були обрані в якості експериментальних тварин у зв'язку з надзвичайно високою чутливістю їх сітківки до ушкоджувальної дії світла. Реєстрували хвилі "а" і "b" ЕРМ до опромінення щурів видимим світлом, а також через 1, 7, 14 і 21 день після експозиції. Тварин опромінювали лампами денного світла з розрахунковою освітленістю на рівні рогівки, рівною 10000 лк, протягом 3,5 годин. Для з'ясування можливих причин ушкоджуючої дії світла (ПДС) і властивостей ймовірних фотопртекторов зору 16 щурам за 2 год до засвіти внутрішньочеревно вводили антиоксидант (АТ) у свідомо не токсичною дозі. Досліджували динаміку зміни ЕРГ в процесі розвитку фотодегенераціі на чистій моделі ПДС на тлі застосування АТ.
На різних термінах після припинення світлової експозиції очі щурів досліджували в електронному мікроскопі.
Таким чином, електрофізіологічні дослідження показали, що видиме світло в даних умовах експозиції викликає значне і тривале пригнічення всіх хвиль ЕРМ, яке вказує на грубі морфологічні зміни у внутрішніх і зовнішніх шарах сітківки. При цьому характерно, що найбільш сильно пригнічується хвиля "а", місцем генерації якої є зовнішні сегменти (НС) фоторецепторів. Попереднє введення антиоксидантів істотно послабило функціональні прояви ПДС.
Електронно-мікроскопічні дослідження підтвердили висновок, пророблений на підставі даних електрофізіологічних експериментів. Вже через 24 год після дії світла спостерігаються структурні зміни як в пігментному епітелії (ПЕ), так і в фоторецепторних клітинах сітківки, причому в ПЕ ці зміни виражені більш чітко.
Через тиждень після експозиції в сітківці щурів без введення АТ спостерігається наступна картина: в центральній області повністю відсутня ПЕ і шари сітківки, утворені фоторецепторного клітинами. Зберігаються тільки внутрішні шари, починаючи від внутрішнього ядерного шару. На периферії сітківка і ПЕ мають практично нормальну структуру (5).
Рис.5 Сітківка щурів через тиждень після засвіти без застосування антиоксиданту.
У щурів, яким попередньо вводили АТ, ПДС носило більш помірний характер. Найбільш відчутно до експозиції, як і у тварин без введення АТ, виявилася центральна частина сітківки і ПЕ. На рис. 5 показані морфологічні зміни центру: характерно часткове збереження зовнішнього ядерного шару. Більше того, у поодиноких особин, які опинилися індивідуально більш сприйнятливими до дії АТ, навіть через 1 тиждень після засвіти спостерігалися всі шари сітківки і ПЕ, однак у таких випадках НС фоторецепторів і клітини ПЕ були істотно видозмінені (5).
Рис.6 Сітківка щурів через тиждень після засвітився з застосуванням антиоксиданту.
4. Висновок
Виняткова важливість проблеми пошкоджуючої дії видимого світла на зір людини очевидна. Вивчення умов, в яких видиме світло відносно помірної інтенсивності здатний викликати дегенеративні зміни в оці людини і тварин, а також дослідження механізмів пошкоджуючої дії світла надзвичайно важливі у зв'язку з тим, що в клініці і на виробництві нерідко виникають ситуації з потенційною можливістю розвитку фотодегенерацій. З тієї ж причини особливого значення набуває пошук препаратів, здатних послабити шкідливу дію світла і прискорити період відновлення після нього.
Також, необхідно розробити нові стандарти безпеки для офтальмологічних приладів, які широко використовуються для діагностики та лікування очних захворювань. Необхідно переглянути деякі світлотехнічні норми для здорових людей, професійна діяльність яких пов'язана або з довгою роботою при підвищеній освітленості, або з інтенсивними спалахами світла. Абсолютно необхідно продовжити і поглибити дослідження механізмів фотоповрежденія сітківки та інших структур ока.
Для прогнозу ступеня пошкодження тканин світловим випромінюванням необхідно побудувати термальні математичні моделі ушкоджень, в тому числі і для оболонок ока. При створенні таких моделей потрібно врахувати характер розподілу світлової енергії в сформованому даної оптичною системою пучку та абсорбційні характеристики облучаемой біологічної тканини.
Нагальною є завдання вишукування засобів захисту здорового і, особливо, хворого чи схильну до захворювання очі від світлового пошкодження.
Список використовуваної літератури:
Преображенський П.В., Шостак В.І., Балашевич Л.І. Світлові пошкодження очей. - Л.: Медицина, 1986, - 200с.
Красновський А.А. Механізм утворення і роль синглетного кисню в фотобиологических процесах - В кн. Молекулярні механізми біологічної дії оптичного випромінювання. - М.: Наука, 1988, - 23-37С.
Черницький Е.А., Воробей О.В. Фотосенсібілізірованние ушкодження біологічних мембран - В кн. Молекулярні механізми біологічної дії оптичного випромінювання. - М.: Наука, 1988, - 102-131с.
Островський М.А., Федорович І.Б. Механізми ушкоджуючої дії світла на фоторецептори сітківки ока. - Фізіологія людини, 1982, т. 8, N 4, - 572-577с.
Зуєва М.В., Іванина Т.А. Пошкоджуюча дію видимого світла на сітківку в експерименті (електрофізіологічні та електронномікроскопічні дослідження). - Вісник офтальмології, 1980, N 4, - 48-51с.
Заварзін А.А. Курс гістології та мікроскопічної анатомії. - Л.: Медгиз, 1938, - 631с.
Популярна медична енциклопедія. - М.: Радянська енциклопедія, 1965, 1040с.
Морозов. "Питання використання оптичного випромінювання в медицині.", - МДУ, 1985. 139с., VIII с. 20.
"Молекулярні механізми біологічної дії оптичного випромінювання.", - Москва, Наука, 1988 - 231стр.
Бондар А.Т., Коновалов В.Ф., Федотчев А. І., "Вплив переривчастої різночастотних фотостимуляції на формування слідових процесів і спектральні складові ЕЕГ людини."
"Резонансні явища в ЕЕГ при фотостимуляції з мінливою частотою спалахів". - Фізіологія людини., 1989р., Т. 15, N1.
"Спектральні характеристики інтроакулярних лінз і пошкодження сітківки видимим світлом." - Біофізика. - 1988, Т. 33, вип. 6.
Коновалов В.Ф., Серін І.С., та ін "Вплив різних частот фотостимуляції на динаміку міжпівкульна взаємодій". - Фізіологія людини - 1987р., Т.13, N 1. стор.3-11
"Швидкі термоволни, що поширюються по корі мозку при зорової стимуляції."-Нейрофізіологія., 1989р., Т.21 N 4. стор 467-475.
Кожин А.А. "Патогенні механізми порушень функції яєчників, індуціпрованние штучним освітленням". - Автореф. дис. на соіск. учений. степ. д-ра мед. наук., Москва, 1985р., 33с.
Петренко Є.Т., Ермухаметова Л.А., "Вплив ритмічної світлової перешкоди на робочу ЕЕГ і ефектівность руху людини". - Космічна біологія і авіокосміческая медицина. 1986, Т.20 N 1, стор 22-25
Преображенський П.В. та ін "Світлові пошкодження очей.", - Ленінград, Медицина, 1986 - 199стр.
Акіферов С.І., Яковлєв П.Б. "Про лікування хворих на виразкову хворобу низькоінтенсивним некогерентним червоним світлом світлом." - Лікарська справа - 1988р. N 11.
"Синглетний кисень і фототерапія раку." - Вісник АМН. СРСР, 1887, N12, стор 24-30.
"Клінічна оцінка селективної фототерапії хворих на нейродерміт." - Вісник дерматології і венерології. 1988, N 3, стор 30-32
Маєвський А.А. "Фототерапія і детрівація сну, як додаткові методи лікування хворих на бронхіальну астму." - Лікарська справа., 1991р., N 5, стор 89-90.
Матюшічев В.Б., Солдатов А.І., Титов В.В. "Ендоскопічне світлолікування виразкової хвороби шлунка та 12-палої кишки". - Рад. медицина., 1988, N4, стор 102-104.
"Фотохімеотерапія деяких дерматозів". - Казанський медичний журнал. 1985, Т.66, N 4, стор 287-289.
Тімен А.Є. "Світлолікування гнійних ран м'яких тканин". - Клінічна хірургія. 1988 N1, стор 51-53.