Вредно ли инфракрасное излучение для человека: Вред инфракрасного излучения от обогревателя. Насколько велико?

Вред инфракрасного излучения от обогревателя. Насколько велико?

Системы инфракрасного отопления стали активно продвигаться на рынке. Работают такие системы по принципу инфракрасного излучения, которое по мнению многих может наносить вред здоровью человека.Так ли это? Давайте разбираться.

Принцип работы инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение – излучение, которое исходит от любого предмета с температурой выше нуля. Все теплокровные животные, радиаторы отопления, горячие стаканы с водой, нагревательные элементы будут источниками инфракрасного излучения. Оно не имеет ничего общего с микроволновым излучением. Более строгое определение: инфракрасным является электромагнитное излучение с длинной волны, располагающейся в диапазоне от конца области красного видимого света до области микроволнового излучения.

Инфракрасное излучение разделяют на 3 области:

• ближняя: длина волны равна 0,74—2,5 мкм;
• средняя: длина волны равна 2,5—50 мкм;
• дальняя: длина волны равна 50—2000 мкм

При температуре 36,6 °С пик энергии излучения соответствует длине волны 9,6 мкм, для инфракрасного нагревателя 600°С — 3,6 мкм, для Солнца — 0,5 мкм.

Природным источником инфракрасного излучения для нашей планеты является Солнце. Необходимо ежедневно находится на солнце для здоровья. Слишком долгое воздействие может вызвать самые негативные реакции тела: ожоги, тепловые удары. К естественным источникам относятся термальные воды, действующие вулканы. Аналогично существует огромное множество техногенных источников инфракрасного излучения: электронагревательные приборы, кухонные плиты, лазеры. Воздействиям естественных и искусственных процессов нагревания каждый подвергается с самого рождения, что не является существенным опасным фактором для здоровья.

Опыт, доказывающий существование инфракрасного излучения: достаточно расположить кисть на некотором расстоянии (10-15 см) сбоку от радиатора. Через несколько секунд вы почувствуете, что ладонь нагревается. Если бы ладонь была расположена над батареей, то нагревание бы происходило за счет воздуха, но здесь эксперименте она находится сбоку. Следовательно, нагрел руку не воздух, а лучистое тепло.

Три способа передачи тепла

В восьмом классе на уроках физики учителя рассказывали, что существует три вида теплопередачи:

• Теплопроводность –передача тепла от менее нагретых тел к более нагретым. Для осуществления процесса необходимо соприкосновение тел. Предмет сверху на батарее отопления будет нагреваться за счет теплопроводности.
• Конвекция – процесс, при котором тепло передается потоками жидкости или газа. На этом эффекте основаны все классические системы отопления. Горячий воздух поднимается вверх, холодный опускается вниз. Поэтому все батареи отопления необходимо располагать внизу, у пола.
• Излучение (лучистый теплообмен) – тепло передается с помощью волн. Рассмотренное выше инфракрасное излучение относится к этому способу теплопередачи.

Достоинства инфракрасного излучения

Главное достоинство инфракрасных обогревателей – моментальное передача энергии. Электромагнитные волны в воздухе распространяются со скоростью, сравнимой со скоростью света в вакууме. Эффект скорости позволяет практически мгновенно передавать энергию на расстояние. Быстрота нагревания зависит от длины волны. Увеличение мощности обогревателя достигается увеличением частоты (уменьшением длины волны).

При отоплении помещений обогревателями на инфракрасном излучении теплые воздушные массы не скапливаются под потолком, что порой происходит при использовании традиционных конвективных обогревателей. Энергия от прибора достигает предметов, потом от них нагревается воздух в комнате.

Обогрев такими приборами является локальным или узко направленным, то есть тепло ощущается только в пределах доступа инфракрасных лучей. Инфракрасные обогреватели удобно использовать, если необходимо обеспечить обогрев какой-то определенной поверхности или участка помещения. Можно направить инфракрасную лампу на крыльцо или окна с целью защиты от льда. Датские рестораны используют инфракрасные обогреватели на тентах, чтобы обеспечить комфортное времяпрепровождение посетителей в летних кафе холодными вечерами.

Инфракрасные обогреватели обладают высоким коэффициент полезного действия (около 90%) — передача тепло с минимальными потерями.

Недостатки обогревателей с инфракрасным излучением

Перед покупкой обогревателя с инфракрасным излучением необходимо рассмотреть их основные недостатки и возможный вред:

• Длительное воздействие инфракрасного излучения приводит к сухости кожи. Так как верхний слой кожи достаточно быстро нагревается, то пот, не успевая образоваться, испаряется с поверхности. Вследствие чего на стороне тела, расположенный рядом с ИК обогревателем, от длительного перегрева может достаточно незаметно образоваться ожог. Поэтому стоит внимательно выбирать местоположение обогревателя в комнате и аккуратно настраивает его направление действия.
• Ученые и врачи уже достаточно долгое время изучают воздействие инфракрасных лучей на живые организмы. В медицине при проведении некоторых физиопроцедур (активизация иммунитета, снятие болевых ощущений, снижение гипертонуса, уничтожение патогенных организмов, лечение гангрены, остеоартроза…) используется инфракрасное излучение, его применение ограниченно по времени. Производство с постоянным инфракрасным излучением является вредным.
• Сильное воздействие инфракрасных лучей на незащищенные участки кожи вызовет в ней внутренние изменения. В белках происходят процессы, приводящие к потере их естественных свойств. Аналогично при жарке яичницы происходит денатурация белка. Ожог может образоваться на любом участке тела: кожа, сетчатка, хрусталик (последствия – катаракта). Например, если повесить инфракрасный обогреватель в комнате на потолке на небольшой высоте, то происходит нагревание кожи головы. Необходимо соблюдать минимальное расстояние до рабочих мест сотрудников, мест расположения посетителей, избегать прямых лучей.

Основными характеристиками инфракрасных обогревателей является: цена, мощность, длина волны, интенсивность излучения, габаритные размеры, энергопотребление, минимальная высота монтажа, площадь обогрева, материал (керамика, металл, стекло). Конфигурация зависит от производителя. Следует учитывать следующие моменты при оценке вреда рассматриваемых обогревателей:

• Использование коротковолнового излучения приносит больше вреда для организма, чем длинноволнового, так как короткие волны легче проникают сквозь кожу и оказывают воздействие на внутренние органы.
• Интенсивность излучения не должна превышать установленную — 150 Вт/м2.
• Индивидуальные особенности человека. При некоторых заболеваниях не рекомендуется подвергаться воздействию каких-либо инфракрасных лучей.

Как же влияет инфракрасное излучение?

Существует мнение – все обогреватели сжигают кислород, тем самым добавляют факт вреда инфракрасного излучения. Любой нагреватель сушит воздух: влага под действием высоких температур испаряется быстрее. Инфракрасные обогреватели не исключение.

Инфракрасное излучение не наносит вред каким-то особым образом на людей при повседневном применении. Необходимо тщательно проанализировать ассортимент инфракрасных обогревателей перед покупкой. Технико-эксплуатационные характеристики приборов могут значительно отличаться между собой.

Поэтому необходимо выбирать качественные инфракрасные обогреватели, размещать их с соблюдением техники безопасности.

Читайте так же:

«Вредно ли инфракрасное излучение? Длинноволновое?» – Яндекс.

Кью

ИК ДВ излучение

Область применения – система отопления для жилых и производственных помещений, там, где люди находятся длительное время. Эффективны при обогреве всей площади в помещении.

Влияние на человека: Науке неизвестны какие-либо негативные влияния длинноволнового инфракрасного излучения на организм человека. Более того, сейчас длинноволновое инфракрасное излучение нашло очень широкое распространение в медицине (хирургия, стоматология, инфракрасные бани), что говорит не только о его безвредности, но и о полезном действии на организм.

Длинные волны наиболее глубоко проникают в организм, вызывая его максимальный прогрев. Именно на этом свойстве основан эффект теплового лечения, широко используемого в физиотерапевтических кабинетах наших и зарубежных клиник. Важная характеристика инфракрасного излучения – длина волны (частота) излучения. По мнению сотрудников НИИ медицины труда при Академии наук России, инфракрасное излучение положительно действует на организм, если длина его волны не превышает длины волны, выделяемой самим человеком. Поэтому можно получить явление, называемое «резонансным поглощением», при котором внешняя энергия будет активно поглощаться телом:Интенсивность излучения человеческого тела в инфракрасном спектре находится в диапазоне от 70 до 200 мкм, максимальное излучение в диапазоне от 90 до 115 мкм.

Современные исследования в области биотехнологий показали, что именно дальнее инфракрасное излучение имеет исключительное значение в развитии всех форм жизни на Земле. По этой причине его называют также биогенетическими лучами или лучами жизни. Наше тело само излучает длинные инфракрасные волны, но оно само нуждается также и в постоянной подпитке длинноволновым теплом. Если это излучение начинает уменьшаться или нет постоянной подпитки им тела человека, то организм подвергается атакам различных заболеваний, человек быстро стареет на фоне общего ухудшения самочувствия. Дальнее инфракрасное излучение нормализует процесс обмена и устраняет причину болезни, а не только её симптомы.

Отопление с использованием ИК-излучения особенно благоприятно воздействует на повышение иммунной системы детей, на здоровье престарелых, и лиц с ослабленным здоровьем. ИК лучи эффективно устраняют воспаления, при простудных заболеваниях подавляется размножение болезнетворных бактерий не только в организме человека, но и в окружающей атмосфере. Имеет хороший косметический эффект, улучшается циркуляция крови в кожном покрове, вследствие чего, улучшается цвет лица, разглаживаются морщины, кожа выглядит моложе. Применение ИК-отопления способствует оздоровлению ряда заболеваний кожи (псориаз, аллергия, нейродермит и т.д.), заживлению ран, порезов. Ионизируя воздушное пространство, такое заболевание, как аллергия на пыль, идет на убыль. В ходе исследования ИК лучей обнаружены эффект: подавления роста раковых клеток, нейтрализация вредного воздействия электромагнитных полей (телевизор, компьютер и т.д.), улучшение здоровья у больных диабетом, нейтрализация последствия радиоактивного облучения, нормализация давления (гипертония, гипотония). Длинноволновое ИК-излучение абсолютно безопасно, оказывает мягкое оздоровительное воздействие на организм здоровых людей.

В заключение хочется сказать следующее: инфракрасное излучение это одна из составляющих частей обычного солнечного света. Практически все живые организмы находятся под воздействием солнца и, следовательно, инфракрасных лучей. Более того, именно без этих лучей наша планета не прогревалась бы до привычных для нас температур, не прогревался бы воздух, на Земле царил бы вечный холод. Инфракрасное излучение – естественный, природный вид передачи тепла. Ничего более.

польза и вред для организма человека, свойства, область применения

Инфракрасные лучи используются во многих сферах жизни человека. Такой вид излучения применяется в обогревателях, пультах дистанционного управления, системах отопления, медицинском оборудовании. Эти лучи человеческий глаз не воспринимает, но почувствовать их силу действия можно. В зависимости от длины волны они способны оказывать различное воздействие на всё живое. Поэтому польза и вред инфракрасного излучения напрямую зависят от этого показателя.

Инфракрасные лучи используются для лечения

Источники инфракрасного излучения

Инфракрасные лучи относятся к электромагнитному излучению. Они располагаются в спектре рядом с микроволновым радиоизлучением. Солнце — это естественный и самый большой источник такого излучения. Эти волны имеют обширный диапазон от 7 до 14 мкм.

Источником теплового излучения являются также любые тела, температура которых выше нуля. Длина таких волн напрямую зависит от температуры нагревания. Различают следующие виды волн:

• короткие — выше +800°C;
• средние — до +600°C;
• длинные — до +300°C.

Таким образом, короткие волны имеют самую высокую температуру и большую интенсивность излучения. Тепловые лучи образуются благодаря ионам вещества, а также атомам с избыточной энергией. Каждый из диапазонов ИК волн имеет свою интенсивность, проникающую способность и оказывает различное воздействие на организм человека.

В этом видео вы узнаете о влиянии различных излучений на организм:

В наше время инфракрасные лучи активно применяются во многих сферах. Например, на их основе работают современные видеокамеры, которые используются для охранных целей, болометры и многие другие приборы. С помощью таких лучей осуществляется беспроводная связь между компьютерами и другими стационарными устройствами.

В продаже можно найти большое разнообразие отопительных приборов, работающих за счёт инфракрасных лучей. Такие приборы позволяют значительно экономить электроэнергию. В промышленных целях их используют для сушки поверхностей, покрытых краской или лаком.

Польза и вред

Инфракрасные лучи по-разному воздействуют на живые организмы. Например, длинные волны оказывают оздоровительное действие на состояние здоровья человека, поэтому их часто используют в лечебных целях. Именно на таком принципе основана работа оборудования для проведения физиотерапевтических процедур.

Инфракрасные приборы могут принести как пользу, так и вред

Длинноволновые ИК лучи оказывают следующее положительное воздействие на человека:

• улучшают мозговое кровообращение и память;
• укрепляют иммунную систему;
• нормализуют водно-солевой баланс;
• улучшают гормональный фон;
• нормализуют артериальное давление;
• очищают организм от токсинов исолей тяжёлых металлов;
• препятствуют размножению бактерий, грибков и болезнетворных микробов.

Также лучи помогают при воспалительных процессах в организме, повышают содержание инсулина у больных сахарных диабетом и даже снижают уровень радиоактивного излучения.

Таким образом, длинноволновое ИК излучение не только полезно для человека, но и необходимо ему. При недостатке таких лучей страдает иммунитет и запускается процесс ускоренного старения.

В этом видео вы узнаете, что такое инфракрасное тепло:

Обогреватели на основе инфракрасных лучей устраняют различные вредные и опасные бактерии, а специальные ИК лампы помогают при:

• радикулите;
• нарушении работы яичников;
• бронхиальной астме;
• остеохондрозе;
• нарушении слизистой оболочки.

Также с помощью такого облучателя можно вылечить пневмонию, простатит в стадии обострения, ринит, тонзиллит и отит без гнойных образований.

Несмотря на большое количество полезных и лечебных свойств, у этого прибора имеются противопоказания. Вредно инфракрасное излучения для человека, если у него наблюдаются острые воспалительные заболевания.

Нельзя использовать такие лучи и при злокачественных образованиях, острых гнойных заболеваниях и кровотечении.

Инфракрасные лучи могут вызвать побочные действия

Большой вред инфракрасного излучения на организм человека оказывают также короткие волны. Под их воздействием могут появиться следующие симптомы:

• тошнота;
• сильное головокружение;
• потемнение в глазах;
• обморок;
• нарушение координации движений;
• учащённое сердцебиение.

Обычно под воздействием таких лучей начинает краснеть кожа, могут появиться ожоги, судороги. Длительное пребывание рядом с короткими волнами приводит к нарушению водно-солевого баланса или тепловому удару. Такое излучение представляет большую опасность и для слизистой оболочки глаз, так как оно может привести к развитию светобоязни, катаракте и другим проблемам со зрением.

Подробнее об инфракрасном обогревателе:

Первая помощь при тепловом ударе

При интенсивном или длительном воздействии на человека коротких волн может произойти тепловой удар. Обычно это случается, если температура головного мозга резко повышается хотя бы на 1 градус. В таком случае пострадавшему сразу же следует оказать первую помощью. Для этого его нужно аккуратно переложить или перевезти в прохладное место и постараться снять с него тесную одежду. К сердцу, голове, подмышечным впадинам и паховой области следует приложить что-нибудь холодное.

После этого пострадавшего нужно обернуть мокрой простынёй и направить на него воздух от вентилятора.

Такие действия помогут снизить температуру тела. В тяжёлых случаях следует сделать искусственное дыхание и обязательно вызвать скорую помощь. На протяжении этого времени пострадавшему нужно давать прохладное и обильное питьё.

Обогревательные приборы

За последние несколько лет очень популярными стали инфракрасные обогревательные приборы. И многие люди, приобретая их, даже не знают о том, что они могут оказывать негативное влияние на человека.

Плюсом инфракрасных обогревателей является мгновенное нагревание помещения

Инфракрасное излучение способно нанести вред при постоянном и длительном воздействии. Поэтому при покупке обогревательного прибора нужно обращать внимание на характер его излучения. Такие данные обычно указываются в техническом паспорте. Отдавать предпочтение следует таким обогревателям, у которых нагревательный элемент имеет теплоизолирующую защиту. В этом случае прибор будет выделять длинные волны, которые, наоборот, полезны для здоровья.

Если же спираль, которая выделяет тепло, не изолирована, то такое устройство распространяет короткие волны и может навредить человеку. Находиться долгое время рядом с такими приборами нежелательно. Не следует их монтировать в спальнях и детских комнатах. Если это всё-таки необходимо сделать, то отдавать предпочтение следует маломощным моделям.

Подробнее об инфракрасном обогревателе:

Когда следует установить обогревательную систему на потолке, делать это нужно на максимально возможном расстоянии. При этом направлять её лучше в такую сторону, чтобы постоянно не находиться под инфракрасными лучами. Покупать ИК обогреватели нужно только у проверенных производителей. Выполненные из материалов низкого качества, они могут нанести непоправимый вред здоровью.

Инфракрасное излучение может принести как пользу, так и вред для здоровья человека. Относиться к нему нужно крайне осторожно, а использовать приборы на его основе следует в соответствии со всеми правилами безопасности.

Инфракрасное сканирование радужной оболочки глаза

Инфракрасное излучение – это электромагнитное излучение, находящееся на границе между видимым спектром красного света и тепловым диапазоном.

Человеческий глаз не способен видеть этот спектр. Окружающие нас предметы имеют различные характеристики поглощения и отражения ИК-лучей. Эта индивидуальная характеристика не зависит от температуры окружающего пространства и температуры самих предметов, что широко применяется при различных исследованиях. С увеличением длины волны инфракрасного излучения усиливается его тепловое воздействие.

Согласно международной организации стандартизации (ISO) инфракрасное излучение делится на три диапазона: ближний, средний и дальний. В медицине применяется только ближний ИК-диапазон, поскольку он не рассеивается на поверхности кожи и проникает в подкожные структуры. Используя эту особенность, российские разработчики создали инновационный аппарат для лечения ран, ожогов и воспалений

1. Проводились исследования, которые показывают, что воздействие ближнего спектра инфракрасного света может быть полезно и для глаз². Но эти воздействия должны быть кратковременными, малой интенсивности и не должны вызывать повышение температуры тканей глаза, особенно глазного дна.

Комплексная реализация всех мер предосторожности позволяет обеспечить безопасную биометрическую идентификацию здорового человека по радужной оболочке глаз.

Спектр ближнего инфракрасного излучения находится в диапазоне от 740 до 1400 нм, но с увеличением длины волны снижается способность лучей проникать в ткани за счет их поглощения водой.

Часто инфракрасное излучения путают с ультрафиолетовым, которое является вредным для глаз. Многократно наблюдалось вредное воздействие ультрафиолетового излучения на человека. Недавно из-за не выключенной своевременно кварцевой лампы возникли проблемы со здоровьем у первоклассников

3.

В отличие от ультрафиолетового излучения воздействие ИК-лучей не приводит к раковым заболеваниям и иным негативным последствиям при соблюдении норм СанПиН для данного вида излучения.

У наших глаз отсутствуют защитные реакции на ИК-излучение. Когда лучи яркого света ослепляют нас, мы рефлекторно прищуриваемся или отворачиваемся, а зрачок глаза самопроизвольно сужается. Так как мы не видим инфракрасный свет, то не можем определить, когда попадаем под его воздействие, и глаза не реагируют сужением зрачка на это излучение.

Какая длина волны оптимальна?

В зависимости от длины волны света, в котором регистрируется радужка, на ней проявляются различные и индивидуальные для каждого человека детали структуры.

Общее количество регистрируемых данных зависит от особенностей глаз. Например, у светлой радужки наиболее четкий рисунок получается в видимом спектре. При переходе в ИК-спектр этот рисунок постепенно пропадает с увеличением длины волны. Противоположный результат получается для темных глаз. На них особенность рисунка радужной оболочки не всегда различима в видимом свете, но четко проявляется в ИК-диапазоне. Поэтому до сих пор обсуждается, какая длина волны является оптимальной.

Большинство мобильных телефонов имеют светодиоды с рабочим диапазоном излучения от 700 до 900 нм (ближний ИК). Чтобы такое излучение оказало вредное воздействие на глаза, надо достаточно долго смотреть непосредственно на него или же источник этого излучения должен находиться близко к оптической оси глаза и при этом иметь высокую интенсивность.

Достижения разработчиков

Люди с осторожностью относятся к идентификации по радужке, опасаясь, что инфракрасные лучи, используемые при сканировании радужной оболочки, могут негативно повлиять на зрение. У наших глаз отсутствуют защитные реакции на ИК-излучение. Когда лучи яркого света ослепляют нас, мы рефлекторно прищуриваемся или отворачиваемся, а зрачок глаза самопроизвольно сужается. Так как мы не видим инфракрасный свет, то не можем определить, когда попадаем под его воздействие, а глаза не реагируют сужением зрачка на это излучение.

Чтобы уменьшить негативное воздействие ИК-света на глаза, разработчики перед началом сканирования в инфракрасном диапазоне применяют подсветку в видимом белом спектре. Использование такой подсветки заставляет зрачок самопроизвольно сужаться, что способствует уменьшению попадания инфракрасных лучей на роговицу глаза. Другим положительным моментом от сужения зрачка при идентификации по радужной оболочке глаз является расширение идентифицируемой области. Увеличение видимой площади радужки позволяет получить больше уникальной информации для ее кодирования и записи в биометрический шаблон.

Обычные фото- и видеокамеры телефонов и фотоаппаратов имеют встроенный ИК-фильтр, предназначенный исключить влияние инфракрасного излучения на качество получаемого изображения. Биометрическую идентификацию по лицу с фронтальной 2D-камеры достаточно легко обмануть. Для выявления обмана разработчики стали применять точечную ИК-подсветку, с помощью которой формируют карту глубин снимаемого объекта.

Контроль нахождения перед камерой объемной фигуры предотвращает простые способы обмана систем биометрической идентификации с использованием фотографии или видеозаписи идентифицируемого человека.

Этим обусловлено отсутствие ИК-фильтра во фронтальных камерах большинства современных смартфонов.

Фотокамеры современных смартфонов имеют встроенный ИК-фильтр

Как обеспечить безопасную для глаз идентификацию по радужке?

Производители внедряют решения, которые сводят к минимуму негативное воздействие ИК-излучения на глаза:

1. Ограничивается мощность источника излучения и длина волны.
2. Сокращается время излучения. ИК-подсветка включается только на необходимое для идентификации время, которое постоянно уменьшается благодаря совершенствованию алгоритмов.
3. Контролируется расстояние от источника инфракрасного излучения до глаз. Чтобы не причинить вред глазам, инфракрасная подсветка не включается, если камера сильно приближена к лицу.
4. Используется предварительная подсветка белого цвета для уменьшения диаметра зрачка.

Несмотря на все применяемые решения, есть риск негативного воздействия на глаза ближним ИК-светом для эпилептиков, детей и людей, у которых часто бывают обмороки. При этом надо учитывать, что ИК-подсветка используется не только для биометрической идентификации. Например, в игровой приставке Kinect применяется точечная инфракрасная подсветка для построения объемной модели окружающего пространства и перемещения игроков. В ней, в отличие от сканеров радужки, применяются значительно более мощные источники ИК-излучения, которое на протяжении всей игры оказывает воздействия на ее участников и болельщиков.

Комплексная реализация всех мер предосторожности позволяет обеспечить безопасную биометрическую идентификацию здорового человека по радужной оболочке глаз, но лучше запросить у производителя подтверждающий это сертификат или медицинское заключение.

Опубликовано в журнале «Системы безопасности» №2/2020

Больше статей по безопасности >>

Вредны ли инфракрасные обогреватели

Покупатели ИК обогревателей часто задают вопрос. Вредно ли инфракрасное излучение?

Возьмём обычный предмет, который не вызывает опасений.

Перед вами обыкновенная толкушка для картошки. Что можно сделать толкушкой:
+ Размять вареную картошку в аппетитное пюре
+ Перемолоть специи в ступке
+ Сделать массаж живота (Совет мануального терапевта)
— Использовать как тупое холодное оружие.
В простом предмете нашлось столько полезного и опасного одновременно.

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение – главный источник тепла ИК обогревателей. Именно это фраза вызывает вопросы и опасения покупателей. Что за излучение?  Есть ещё более страшный вариант названия этого излучения – тепловая радиация. Есть варианты благозвучнее – лучистое тепло и тепловое излучение.
Инфракрасное излучение, тепловая радиация, лучистое тепло, тепловое излучение — это название одного и того же вида электромагнитного излучения, которое передаёт тепло. Излучение исходит от любого вещества температурой больше -273,5 °C, это температура абсолютного нуля и в окружающем мире она нигде не встречается. Такую температуру можно получить только в лабораторных условиях. Поэтому воздействие инфракрасного излучения мы испытываем постоянно, в течении жизни. Разница в интенсивности, которая зависит от температуры поверхности предмета. Чем теплее предмет, тем интенсивнее инфракрасное тепловое излучение.

Инфракрасное излучение, как физическое явление, безопасно для человека.

 

Если в простой толокушке мы нашли опасность, то найдем ее и в инфракрасном излучении

Для изучения опасности вспомним еще один физический процесс – теплообмен. Теплообмен — каждое тело одновременно поглощает и отдает тепло и чем больше разница между температурой тел, тем интенсивнее обмен. Мы рассмотрим теплообмен относительно температуры тела человека равной 36,6 °C.

Инфракрасное излучение холодных объектов

Если в теплую комнату принести замерзший предмет, то мы чувствуем как от него исходит холод, хотя, температура в помещении существено не меняется. В этот момент вступает инфракрасный теплообмен между нашим телом и предметом. Поскольку разница в температуре велика, мы ощущаем высокую интенсивность этого теплообмена. И чем теплее становиться предмет, тем меньше интенсивность теплообмена.

Чувство холода возникает, когда наш организм реагирует на инфракрасное излучение холодных предметов.

Если человека поочерёдно поместить в комнаты с одинаковой температурой воздуха, но при этом в одной комнате стены будут тёплые, а в другой холодные. То, ощущение холода будет больше в комнате с холодными стенами. Это происходит, потому что проникающая способность инфракрасных лучей больше чем воздуха.

Инфракрасное излучение горячих предметов

Предметы температурой выше 36,6 °C передают нашему телу тепло. Обычная температура кошки 38 °C, когда любимый котейка приляжет рядом, мы ощущаем приятное тепло. Поэтому, самое комфортное для человека инфракрасное излучение исходит от предметов температурой близкой к температуре человека. Но, для того чтобы отопить помещение, такой температуры обогревательных приборов недостаточно.
Грелись у костра в морозную погоду? Когда стоите у костра, со стороны пламени тело ощущает тепло, а с обратной стороны холод. Но, температура воздуха, что перед, что за вами, остаётся одинаковой. Причина в том же инфракрасном излучении. Угли костра, нагреваются до большой температуры и излучают интенсивное инфракрасное излучение.
Интенсивное инфракрасное излучение от раскаленных предметов опасно тем, что может вызвать ожог. Из-за того, что наш организм с запозданием реагирует на повышение температуры под воздействием интенсивного инфракрасного излучения.
Также интенсивное излучение от объектов высоких температур разрушают молекулы воды, что приводит к осушению кожи.

Инфракрасное излучение, которое можно характеризовать как опасное излучают предметы температурой больше 1500°C.

Инфракрасное излучение обогревательных приборов

Инфракрасные обогревательные приборы различаются температурой нагревательных элементов. Если нагревательный элемент раскалённый — то это обогреватель высокий интенсивности. Если нагревательный элемент не раскаляется, то средней или низкой интенсивности.

Панельные инфракрасные обогреватели при работе нагреваются до температуры 80-85 °C. Они имеют низкую интенсивность инфракрасного излучения. И в определении опасности их можно назвать самыми безопасными. Такая рабочая температура панельных обогревателей выбрана не случайно. Инфракрасное излучение от предметов температурой меньше 85 °C, не разрушает молекулы воды. Поэтому панельные обогреватели, не сушат воздух и не вызывают пересыхания кожи. Риска получить ожог нету, если не спать с ним в обнимку. Панельные обогреватели можно размещать рядом с человеком на долгое время не опасаясь.

Пластинчатые потолочные обогреватели разогреваются до температуры 250-275 °C. Это максимальная температура, при которой инфракрасное излучение еще считается низкоинтенсивным. Более высокие температуры нагревательных элементов уже излучают среднеинтенсивное инфракрасное излучение.
Правила безопасного использования данного типа обогревателей при воздействии на человека следующие:
—  соблюдайте рекомендации по высоте подвеса. Необходимая высота указывается производителем и зависит от мощности. Как правило, чем больше мощность, тем выше подвес;
— избегайте монтажа при котором лучи будут долгое время сосредоточены над головой у человека. Чтобы не вызвать перегрева головы. Это рекомендация актуальна для мощных обогревателей с низкой высотой подвеса.

Схематичный пример подвеса потолочного обогревателя

Не желательно размещение:

На примере указанно расположение потолочного ИК обогревателя в комнате высотой 2, 5 метра. Если от общей высоты 2, 5 м., отнять средний рост человека 1, 7 метра, отнять отступ от потолка 0,25 м,, то высота подвеса обогревателя над головой человека составит  0,5 метра (5 см, вычтено от толщины обогревателя). При таком расстоянии подвеса на область головы человека придётся максимальное сосредоточение тепловых лучей и вызовет перегрев.

При такой высоте помещения располагайте обогревателе со смещением, как показано на рисунке:

Также, для невысоких помещений удобно размещение под углом, на боковой стенке:

 

Инфракрасные обогревательные приборы не являются дополнительными источниками облучения. Это источник инфракрасного тепла, которое окружает нас всегда.

 

В иллюстрации к названию статьи использована картина Винсент Ван Гога «Череп с горящей сигаретой»

Каталог инфракрасного отопительного оборудования:

Инфракрасное отопительное оборудование и электрические системы отопления, полный каталог;

Настенные инфракрасные обогреватели;

Потолочные инфракрасные обогреватели;

Теплый плинтус;

Обогреватели с рисунком;

Терморегуляторы

Инфракрасное излучение: вред и польза

В наше время люди стали все чаще устанавливать в доме инфракрасные обогреватели, считая их наиболее энергосберегающим и эффективным способом производства тепла. Однако, данных по теме «инфракрасное излучение: вред и польза» довольно мало в общем доступе в интернете и других СМИ. Именно поэтому стоит рассмотреть вопрос об использовании подобных приборов подробнее.

Немного об инфракрасном излучении

Что же такое инфракрасное излучение, вред и польза которого, так скудно освещены в средствах массовой информации? Несмотря на то, что об этом довольно мало говорят, любой прибор, который нагревается, производит инфракрасное излучение. Однако, насколько безопасно это излучение в том или ином случае, стоит выяснить с помощью небольшого исследования. Для этого недостаточно будет сравнить излучения от обычной батареи и инфракрасного обогревателя, т.к. волны, которые они излучают, имеют разную длину и интенсивность. Итак, инфракрасное отопление: минусы и плюсы его в вашей жизни зависят только от вас.

Солнце – это природный инфракрасный обогреватель. Безусловно, мы любим, погреться на солнышке, однако, находясь под ярким солнцем довольно продолжительное время, мы можем получить тепловой или солнечный удар, а еще ожоги на коже. Вообще, вредность инфракрасного излучения зависит от того, насколько глубоко оно может проникнуть сквозь кожу.

Самым главным плюсом обогревателей, вырабатывающих тепло с помощью инфракрасного излучения, является то, что во время передачи тепла от обогревателя к объекту, энергия не теряется, что говорит об энергосберегающих качествах подобных приборов. Однако, нагреваясь все больше, инфракрасный обогреватель начинает производить не только длинные, но и короткие электромагнитные волны, которые довольно вредны. Ведь любая поверхность, находящаяся под воздействием подобных волн, нагревается очень быстро.

Не многие производители и распространители инфракрасных обогревателей сообщают о подобном вреде, который может быть нанесен человеку и не только, в условиях работы их приборов. Но в подобные обогреватели излучают также длинные и средние электромагнитные волны, которые не имеют такого пагубного воздействия на организм. Однако, чем сильнее нагревается обогреватель, тем большее количество длинных и средних волн превращаются в короткие.

Человеческое тело способно воспринимать электромагнитные инфракрасные волны длиной более 9,6 микрон без каких-либо тяжких последствий. Зная это, перед покупкой инфракрасного обогревателя, можно заглянуть в сопроводительные документы и узнать длину волн, излучаемых именно этим прибором, чтобы избежать проблем.

Инфракрасные обогреватели, плюсы и минусы

Они единственные в своем роде, которые могут нагреть необходимую поверхность за считанные минуты. И это их качество достигается при помощи средних и коротких волн. Нагрев происходит гораздо быстрее, чем если бы мы воспользовались обыкновенным обогревателем. Это подобно тому, как действует огонь: рядом с ним очень тепло, но если вы будете сидеть у костра слишком долго, то рискуете перегреться.

Степень черноты или по-другому коэффициент излучения говорит о том, насколько интенсивно излучение. Самым страшным излучением будет обладать полностью черный предмет, нагретый до очень высокой температуры. Зная это, производители инфракрасных обогревателей стараются снизить интенсивность излучения.

Минусы инфракрасного отопления

Вредно ли инфракрасное отопление для человека? Да, вредно. Как инфракрасные обогреватели вредят здоровью:

1. Человек в большинстве своем состоит из воды и поэтому, потеря даже малой ее части ведет к тяжелым последствиям. А именно этим чревата установка такого обогревателя в спальне. А если он постоянно обращен в одну и ту же сторону, то на пересушенной коже может даже появиться ожег.
2. Инфракрасное излучение считается полезным лишь в небольших дозах во время прохождения физиотерапевтических процедур. Однако, получение его в неограниченных количествах чрезвычайно опасно для здоровья. Вы можете получить, не только ожег кожи, но и ожег слизистых оболочек, в т.ч. глаз. А если воздействие инфракрасных лучей получать очень долгое время, после изменений в верхнем слое кожи, которые ведут к ее пересыханию, возникают изменения в более глубоких слоях, а впоследствии, меняться начинают даже клетки крови. Поэтому, используя инфракрасные приборы отопления, следует знать наизусть технику безопасности при их эксплуатации и всегда ее придерживаться.
3. Не стоит использовать инфракрасные обогреватели в детской комнате или в спальне, т.к. даже если вы повесите их на потолок, вы рискуете получить серьезный ожог головы. Поэтому подобные приборы стоит вешать как можно выше.

Польза от инфракрасных лучей

Плюсы в использовании инфракрасных приборов все же есть. Один из них – это возможность использовать их в медицине. В частности, с помощью таких приборов делают прогревание при простуде. С помощью этой процедуры организм приходит в тонус. Но не стоит забывать о том, что длительное воздействие инфракрасных волн короткой длины на организм может нанести тяжкий вред здоровью.

Вред для здоровья, который наносят подобные приборы, велик, но его можно снизить. Выберете тот прибор, который имеет наименьшую мощность, а сторону, которая излучает электромагнитные волны, направляйте в стену или еще куда-то, где она не сможет поразить человека или животных своими лучами.

инфракрасное излучение и его польза для здоровья

Инфракрасные лучи вокруг нас повсюду, поскольку главный их источник — солнце — с нами каждый день. А кроме того, мы чувствуем их в прямом смысле слова кожей, потому что воспринимаем инфракрасное излучение как тепло. На этом основывается принцип работы инфракрасных обогревателей и ламп — как медицинских, так и обычных бытовых.

Чем инфракрасные волны полезны для здоровья?

Они активизируют защитные силы организма и помогают естественному иммунитету, усиливают кровоток, ускоряют обмен веществ и оказывают противовоспалительное действие. Снижаются болевые ощущения, организм получает мощный стимул к очищению и выздоровлению во время простудных заболеваний и при гриппе. По сути, вы прогреваете участок тела, которому требуется помощь, и заставляете остальные системы и органы включаться в процесс лечения.

Опасность при использовании инфракрасных ламп — перегрев и сопутствующая этому кожная реакция. Поэтому лечебные сеансы лучше проводить по рекомендации врачей, под их наблюдением и в течение ограниченного времени.

В числе главных плюсов при использовании инфракрасных волн:

• стабилизация, выравнивание артериального давления за счет влияния на сосуды;
• повышение иммунитета;
• контроль над воспалительными процессами, ускорение заживления повреждений кожи, послеоперационных участков;
• воздействие на гормональный фон человека, его нормализация;
• восстановление способности организма к самоочищению;
• противомикробное и противогрибковое действие.

А теперь задумайтесь, почему даже бытовые инфракрасные лампы пользуются такой популярностью. Ведь противомикробное действие не зависит от того, на что воздействует излучение — предметы, кожа человека или воздух вокруг. Так что, выходит, вы получаете не только тепло, но и поддержание здорового фона в вашей квартире. Это и спасение при астме, и помощь при аллергических реакциях. Только следует различать между собой коротковолновые, средневолновые и длинноволновые обогреватели: первые и вторые ориентируются на быстрый и сильный нагрев помещения или улицы, такие приборы используют в холодное время для уличных мероприятий. Они не рассчитаны на прямое воздействие на организм человека и представляют для него опасность. А вот длинноволновые, распространенные в качестве домашних обогревателей, обеспечивают все описанные выше плюсы.

Когда нельзя?

Лампы инфракрасного излучения могут и навредить здоровью, если не учесть списка противопоказаний. Их нельзя использовать, когда воспалительный процесс зашел слишком далеко и создал вокруг себя гнойник или существенно нарушил работу внутренних органов. Да и при открытых кровотечениях, онкологии и тяжелых формах заболеваний крови применять инфракрасное излучение в качестве лечения нельзя. Противопоказанием будет также кожная реакция, появившаяся во время первого сеанса лечения: в таком случае лучше его прервать, чем рисковать.

Еще одно «нельзя» связано с уже упоминавшейся опасностью получить ожог, если слишком много времени провести под такого рода лампой.

Для чего эффективно применение инфракрасных ламп?

Прибор прогревает отдельный участок тела, помогая организму победить болезнь или болевые ощущения. Инфракрасное излучение прописывают в качестве физиотерапии для лечения суставов, при ушибах и растяжениях, поскольку обменные процессы в тканях ускоряются и стимулируют их заживление и восстановление. В списке болезней, при которых назначают инфракрасное излучение как лечебную процедуру, присутствуют вегетососудистая дистония (проблемы с тонусом сосудов), гипертония, варикоз и отеки, бронхиальная астма, всевозможные простудные заболевания и грипп, заболевания желчного пузыря, почек и мочеполовой сферы, целлюлит и последствия повышенного веса. Сама по себе инфракрасная лампа не решит всех проблем, но окажет поддержку при сопутствующем лечении, усиливая его эффект и помогая организму окончательно победить болезнь.

Опасности чрезмерного воздействия ультрафиолетового, инфракрасного и видимого света высокой энергии | 2013-01-03

В этой статье обсуждаются опасности воздействия на глаза / лицо, связанные с определенным неионизирующим электромагнитным излучением (ЭМИ), не рассматриваемым OSHA: ультрафиолетом (УФ), инфракрасным (ИК) и высокоэнергетическим видимым светом (HEV).

---

Ультрафиолетовый свет

УФ обнаруживается в солнечном свете и представляет собой форму ЭМИ с высокочастотными волнами. Биологические эффекты УФ-излучения зависят от длины волн.Неионизирующий УФ-спектр имеет длину волны короче, чем у видимого света, но длиннее, чем рентгеновский (от 100 до 400 нм), и классифицируется в зависимости от интенсивности: УФ-А (от 315 до 400 нм), УФ-В (От 280 до 315 нм) и УФ-С (от 100 до 280 нм).

УФ-С обычно рассеивается в атмосфере и, по-видимому, оказывает незначительное повреждающее действие. Однако УФ-А и УФ-В оказывают повреждающее действие на открытые мягкие ткани, такие как кожа и глаза. Воздействие УФ-излучения является причиной 90% симптомов преждевременного старения кожи.Точно так же радиационное повреждение роговицы может быть вызвано чем-то столь же простым, как отражение солнечного света от воды или снега, или чем-то профессиональным, например, прожекторной лампой фотографа, сварочной горелкой или УФ-лампой. Катаракта, дегенерация желтого пятна и фотокератит (ощущение песка в глазах) могут быть связаны с чрезмерным воздействием ультрафиолета.

Хотя OSHA не имеет конкретного стандарта в отношении воздействия УФ-излучения, несколько других источников предоставляют рекомендации по предельным значениям воздействия.К ним относятся: Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) и Американская конференция государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH), которые разработали предельно допустимые значения (TLV), которые OSHA считает национальным консенсусом.

Защита от ультрафиолета может быть достигнута за счет сочетания инженерных, административных мер контроля и средств индивидуальной защиты (СИЗ). Всегда делайте упор на инженерный и административный контроль (например, использование ограждений, экранов или фильтров для защиты от УФ-излучения; обучение; и ограничение доступа сотрудников и их воздействия), тем самым сводя к минимуму потребность в СИЗ.После выполнения этих действий определите, нужна ли дополнительная защита лица, глаз или кожи, и если да, то какой тип СИЗ необходим. ANSI / ISEA Z87.1-2010 («Стандарт») устанавливает требования к пропусканию для УФ-фильтров для персональных устройств для защиты глаз и лица. Распространенное заблуждение состоит в том, что все линзы из поликарбоната блокируют УФ-излучение. Это не тот случай. Если производитель заявляет об УФ-фильтрации, на продукте должна быть нанесена соответствующая маркировка УФ-фильтрации.

Инфракрасный

Инфракрасное излучение используется во многих промышленных предприятиях, включая сталелитейные заводы, производство текстиля, бумаги и стекла, а также там, где используются лазеры, дуговые лампы или электрические лучистые обогреватели.ИК-волны расположены между микроволнами и видимым светом в спектре ЭМИ. Инфракрасный свет имеет диапазон длин волн, при этом ближний инфракрасный свет является наиболее близким по длине волны к видимому свету, а «дальний инфракрасный свет» — ближе к микроволновому диапазону. Волны в ближнем инфракрасном диапазоне короткие и не горячие — на самом деле вы их даже не чувствуете — что делает их особенно опасными для восприимчивых тканей, таких как кожа и глаза.

Кожа, подвергающаяся воздействию инфракрасного излучения, обеспечивает предупреждающий механизм против теплового воздействия в виде боли.Глаза же не могут. Поскольку глаз не может обнаруживать ИК-излучение, моргание или закрытие глаз для предотвращения или уменьшения повреждений может не произойти. ИК, особенно ИК-А или ближний ИК [700–1400 нм], повышает внутреннюю температуру глаза, по существу «запекая» его. Медицинские исследования показывают, что длительное воздействие ИК-излучения может привести к повреждению хрусталика, роговицы и сетчатки, включая катаракту, язвы роговицы и ожоги сетчатки соответственно. Чтобы защитить себя от длительного воздействия ИК-излучения, рабочие могут носить изделия с ИК-фильтрами или отражающими покрытиями.

Стандарт устанавливает требования к сварочным и инфракрасным фильтрам, включая точную маркировку продуктов, необходимую для конкретных требований к фильтрации. Это упрощает выбор подходящих СИЗ для тех, кто обучен использованию ПДК, например для промышленных гигиенистов.

Однако стандарт не устанавливает требований к отражению инфракрасного излучения. Хотя рынок Северной Америки предлагает изделия с отражающим покрытием, предназначенные для использования при повышенных температурах (ЕТ), во многих случаях их по ошибке используют только для предотвращения теплового стресса у рабочих.К сожалению, условия ET также поддаются вероятному долгосрочному воздействию инфракрасного излучения. Поскольку в Стандарте нет требований к отражению ИК-излучения, в Стандарте нет возможности подтвердить утверждения о том, что такие козырьки отражают ИК-излучение. Однако европейский стандарт (EN166, 7.3.3) предлагает знак «R» для подтверждения заявлений о «повышенной отражательной способности в инфракрасном диапазоне». Знак «R» на козырьке означает, что средняя спектральная отражательная способность ИК-излучения в диапазоне от 780 до 2000 нм (то есть количество, отраженное от защитного устройства) составляет> 60%.Таким образом, было бы разумно проверить продукты на наличие маркировки EN, а также запросить данные сертификации / испытаний для таких заявлений для тех продуктов, которые не имеют маркировки EN166 «R».

Высокоэнергетический видимый свет (HEV)

Высокоэнергетический видимый свет (HEV) или «синий свет», как его еще называют, представляет собой видимый свет с длинами волн от ~ 381 до 500 нм (рядом с УФ в спектре ЭМИ). HEV длиннее УФ, и было показано, что высокие уровни освещения вызывают необратимое повреждение клеток у некоторых людей.Длительное воздействие HEV может увеличить риск заболевания дегенерацией желтого пятна, когда пострадавший теряет центральное зрение. К сожалению, это состояние медленно ухудшается, и его повреждение обычно необратимо.

Люди подвергаются воздействию синего света через компьютеры, телевизоры и мобильные телефоны. Промышленное использование включает лазеры и медицинское диагностическое оборудование. Человек, нуждающийся в защите от синего света, должен использовать линзу, известную как «блокатор синего». Блокаторы синих обычно имеют базовый оттенок желтого, но они бывают и более темных оранжевых оттенков.Как правило, они не уменьшают свет, а скорее изменяют вид синих и зеленых цветов. Поскольку синий свет настолько близок по спектру к УФ-излучению, рекомендуется использовать блокаторы синего цвета, которые также обеспечивают защиту от УФ-излучения.

Хотя OSHA не предлагает руководящих принципов защиты от УФ-, ИК- и HEV-излучения, важно проконсультироваться с другими источниками относительно пределов воздействия и принять превентивные меры сейчас, например, обучить рабочих и предоставить соответствующие СИЗ.

Для получения дополнительной информации о выборе подходящей защиты лица посетите веб-сайт www.MSAsafety.com.

Сноски

Хизер Браннон, доктор медицины, «Воздействие солнца на кожу: клеточные изменения кожи, вызванные УФ-излучением», About.com Dermatology, 23 марта 2007 г.

2 Гэри Хейтинг, OD, «Ультрафиолетовое (УФ) излучение и ваши глаза», All about Vision, июль 2012 г.

3 Облученный человек может моргать, если ИК сопровождается световой вспышкой достаточной интенсивности

4 «Воздействие радиации на глаз, часть 1 — Воздействие инфракрасного излучения на ткань глаза», «Оптометрия сегодня», 1999.

5 Кэрол Дикас, LO, ABOC, NCLC, «Как защитить пациентов от вредного солнечного света», журнал 20/20, июнь 2004 г.

Биологические эффекты и медицинские применения инфракрасного излучения

Реферат

Инфракрасное (ИК) излучение является электромагнитным излучение с длинами волн от 760 нм до 100 000 нм. Низкоуровневая световая терапия (LLLT) или фотобиомодуляция (PBM) обычно использует свет с длинами волн красного и ближнего инфракрасного (600–100 нм) для модуляции биологической активности.Многие факторы, условия и параметры влияют на терапевтические эффекты ИК-излучения, включая плотность энергии, освещенность, время лечения и его повторение, пульсацию и длину волны. Все больше данных свидетельствует о том, что ИК может оказывать эффекты фотостимуляции и фотобиомодуляции, особенно полезные для нервной стимуляции, заживления ран и лечения рака. Нервные клетки особенно хорошо реагируют на ИР, который был предложен для ряда приложений нейростимуляции и нейромодуляции, а недавние успехи в нервной стимуляции и регенерации обсуждаются в этом обзоре.

Применение ИК-терапии в последние годы быстро развивается. Например, была разработана ИК-терапия, которая фактически не требует внешнего источника питания, такого как материалы, излучающие ИК-излучение, и одежда, которая может работать только от тепла тела. Еще одна интересная область — возможное участие солнечного ИК-излучения в фотостарении или фотоомоложении как противоположные стороны медали, и должны ли солнцезащитные кремы защищать от солнечного ИК-излучения? Лучшее понимание новых разработок и биологических последствий ИК может помочь нам повысить терапевтическую эффективность или разработать новые методы PBM с использованием длин волн ИК.

Ключевые слова: Инфракрасная стимуляция нейронов, фотостарение, повреждение ДНК, нейрозащита мозга, АФК, АТФ, молекулы воды, нагрев

1. Введение

Инфракрасное излучение (ИК) — это тип электромагнитного излучения, включая длины волн между 780 нм. до 1000 мкм. ИК разделен на различные диапазоны: ближний инфракрасный (NIR, 0,78 ~ 3,0 мкм), средний инфракрасный (MIR, 3,0 ~ 50,0 мкм) и дальний инфракрасный (FIR, 50,0 ~ 1000,0 мкм), как определено в стандарте ISO 20473: 2007. Оптика и фотоника — Спектральные диапазоны [1].В нескольких исследованиях сообщалось, что ИК может улучшить заживление кожных ран, фотопрофилактику, облегчить боль, скованность, утомляемость при ревматоидном артрите, анкилозирующем спондилите, потенцировать фотодинамическую терапию, лечить офтальмологические, неврологические и психические расстройства и стимулировать распространение мезенхимальных и сердечных заболеваний. стволовые клетки [1–9].

Низкоуровневая световая терапия (НИЛИ) определяется как «Лечение с использованием облучения светом низкой интенсивности, так что эффекты являются реакцией на свет, а не на тепло.Используются самые разные источники света, особенно маломощные лазеры ». в Дескрипторных данных по медицинским предметным рубрикам (MeSH) за 2017 год. Фотобиомодуляционная терапия (PBM) — это «форма световой терапии, в которой используются неионизирующие формы источников света, включая лазеры, светодиоды и широкополосный свет, в видимом и инфракрасном спектре. Это нетепловой процесс с участием эндогенных хромофоров, вызывающий фотофизические (то есть линейные и нелинейные) и фотохимические явления на различных биологических масштабах. Этот процесс приводит к положительным терапевтическим результатам, включая, помимо прочего, облегчение боли или воспаления, иммуномодуляцию и ускорение заживления ран и регенерации тканей.», Как определено в Anders et al. [10]. Сейчас все согласны с тем, что «PBM-терапия» является более точным и конкретным термином для терапевтического применения света низкого уровня по сравнению с «LLLT».

Все фотобиологические реакции определяются поглощением энергии фотоакцепторными молекулами (хромофорами) во время светового облучения. Важно выяснить молекулярный механизм взаимодействия света с тканью путем идентификации молекул фотоакцепторов. Считается, что физиологические эффекты, вызванные ИК-излучением, связаны с двумя основными типами фотоакцепторов (т.э., цитохром с оксидаза и внутриклеточная вода) [11]. Поглощение фотонов преобразует свет в сигналы, которые могут стимулировать биологические процессы [12]. Воздействие инфракрасного света на динамику воды в мембранах, митохондриях и / или клетках может модулировать сигнальные пути, продукцию активных форм кислорода (АФК), АТФ (аденозинтрифосфат), Ca ²⁺ , NO и группу инозитолфосфатов [13 –16]. Вторичным эффектам всегда предшествуют первичные эффекты, включая передачу сигналов стресса, метаболические процессы, организацию цитоскелета, пролиферацию / дифференцировку клеток и гомеостаз (в зависимости от повреждения или метаболических окислительно-восстановительных потенциалов) [17, 18].Кроме того, Shapiro et al. продемонстрировали, что ИК-свет может возбуждать клетки за счет поглощения воды, при этом повышение температуры влияет на плазматическую мембрану и изменяет электрическую емкость, тем самым деполяризуя клетки-мишени [19].

Pollack et al. продемонстрировали, что вода в определенных местах внутри клеток существует как более химически / биологически активная молекула [20]. Большая часть внутриклеточной воды динамична и имеет упорядоченную структуру для поддержки жизненных процессов в биологических системах [21].Поскольку спектр электромагнитного поглощения воды в основном находится в ИК-области, поглощение фотонов может привести к быстрому увеличению внутриклеточной температуры [22], что может способствовать нежелательным физиологическим изменениям температуры, pH, осмоса и выхода АТФ [23, 24].

В течение миллиардов лет Солнце генерировало ИК-излучение, и живые организмы на Земле эволюционировали, чтобы иметь дело с ИК-излучением как важным фактором окружающей среды в зависимости от их среды обитания. Многие древние методы лечения использовали солнечный свет для заживления ран и облегчения боли.Спектр солнечного света в окружающей среде и соответствующий спектр поглощения воды показаны в [25]. Ясно, что солнечное излучение и полосы сильного поглощения воды почти совпадают. Прежде чем солнечный свет проникает в атмосферу, он имеет более однородный спектр излучения. Пока солнечный свет достигает земли, некоторые полосы поглощаются газом окружающей среды или молекулами воды в атмосфере. Поскольку человеческое тело на 70% состоит из воды, оно потенциально может накапливать большое количество энергии, которая может модулировать биологические процессы, за счет сильного резонансного поглощения инфракрасного излучения солнечного света, опосредованного молекулами воды.

Наложение спектров солнечного излучения и поглощения воды, показывающее, что наиболее значительные области перекрытия находятся в области 800–1300 нм

В последние годы сочетание технических, клинических и фотобиологических принципов стало важным для понимания терапевтические эффекты НИЛИ. Например, в последние годы системы доставки оптического волокна стали важной технологией для облегчения LLLT [26]. Волоконная оптика может передавать свет определенной длины волны на большие расстояния за счет использования полного внутреннего отражения, позволяя им изгибаться вдоль своего пути и фокусировать пятно излучения на определенной области.Хотя процедуры доставки света, необходимые для использования НИЛИ при заболеваниях легких и дыхательных путей, сложны, оптические волокна внутри игл могут применяться [27].

Кроме того, была описана неинвазивная доставка энергии на большие расстояния с использованием инфракрасного импульсного лазерного устройства (IPLD) с длиной волны 904 нм, пульсирующего с частотой 3 МГц, который, как утверждается, имеет оригинальный механизм действия, названный «фото- инфракрасная импульсная биомодуляция »(PIPBM). Устройство было применено в клинических испытаниях пациентов с запущенным раком и в случае возрастной дегенерации желтого пятна (географической атрофии) с ассоциированным неврологическим заболеванием, оно продемонстрировало достаточные доказательства его селективных, удаленных, репаративных и / или регенеративных физиологических эффектов [ 16, 28, 29].

Предыдущие клинические исследования показали, что НИЛИ имеет широкий спектр преимуществ для различных групп пациентов, различных медицинских показаний и состояний без какого-либо серьезного риска побочных эффектов. Адекватная дозиметрия важна для LLLT и PBM терапии; Появился основной принцип, названный «двухфазная доза-реакция», когда было обнаружено, что большие дозы света менее эффективны, чем меньшие дозы [30]. Этот феномен проявляется в благоприятных неврологических эффектах транскраниальной НИЛИ при черепно-мозговой травме, где результаты значительно различаются в зависимости от количества процедур и плотности энергии каждого отдельного лечения.

В данной обзорной статье будут обобщены только некоторые ключевые исследования нового приложения и научные открытия, связанные с инфракрасным излучением. Особое внимание будет уделено новым приложениям, включая материалы, излучающие ИК-излучение для одежды, инфракрасную терапию в сауне, терапию Waon и т. Д. Кроме того, мы представляем некоторые недавно появившиеся научные открытия о нервной стимуляции, фотостарении, фотоомоложении, противоопухолевом действии, регенерации нервной системы и жировой ткани. .

2. Новые разработки и применение инфракрасной терапии в биологических областях

2.1. Материалы, излучающие инфракрасное излучение для одежды

В последние годы благодаря развитию нанотехнологий функциональная спортивная одежда приобрела множество свойств, повышающих эффективность занятий спортом, эффективность и комфорт. Например, спортивная одежда должна позволять владельцу оставаться в тепле в холодную погоду и сохранять прохладу в жаркую погоду за счет отвода пота от кожи. В общем, механизм действия материалов, излучающих ИК-излучение, заключается в преобразовании тепловой энергии тела (конвекция и проводимость) в излучение в диапазоне длин волн ИК-излучения от 3 до 20 мкм, чтобы вызвать гомеостаз и фотобиомодуляцию за счет более глубокого проникновения ИК-излучения и молекулы воды. абсорбция в коже [25].Использование материалов, генерирующих ИК-излучение, возможно, полезно для улучшения кровообращения и обмена веществ в организме человека.

Предыдущие исследования показали, что эффекты IR могут активировать фибробласты, увеличивать синтез коллагена и экспрессию трансформирующего фактора роста-бета1 (TGF-beta1) в ранах крыс [31]. Предыдущие исследования показали, что включение наноразмерных частиц германия (Ge) и диоксида кремния (SiO ₂ ) в композитные волокна дает нановолокна из поливинилового спирта (ПВС).Длина волны излучения этих мембран из нановолокна находилась в диапазоне 5–20 мкм при 37 ° C и демонстрировала значение коэффициента излучения 0,891 (идеальное черное тело имеет максимальный коэффициент излучения 1) и мощность излучения 3,44 × 102 Вт · м ^{— 2} с плотностью перегородки 5,55 г / м2 ⁻² . Антимикробные свойства, вызванные дальним инфракрасным излучением, могут быть эффективными для уменьшения количества бактерий как против Staphylococcus aureus , так и против Escherichia coli на 99,9%, и показали снижение Klebsiella pneumoniae на 34.8% [32].

Футболисты использовали одежду, излучающую FIR (плотность 225 г. ^-2 , 88% излучающее дальнее ИК-излучение волокно из полиамида 66 Emana (PA66), 12% спандекс, коэффициент излучения 0,88 и излучаемая мощность 341 Вт / м ² при 37 ° C в диапазоне длин волн 5–20 мкм). Эта одежда использовалась в течение 10 часов в качестве одежды для сна в течение трех ночей подряд, чтобы уменьшить болезненность мышц с отсроченным началом через 48 часов после интенсивной плиометрической тренировки [33].

Пластырь, излучающий в дальнем инфракрасном диапазоне, применялся для терапевтического лечения остеоартрита коленного сустава.На заднюю поверхность колена пациента накладывали пластырь на 12 часов в день и 5 дней в неделю в течение 4 недель. Пластырь был изготовлен компанией Chongqing Kaifeng Medical Instrument Co. Ltd, Китай, которая предоставила пластину, покрытую запатентованным минеральным образованием, состоящим из 33 элементов, предназначенных для генерации дальнего инфракрасного излучения за счет действия радиатора. В исследовании контролировали продольное ультразвуковое сканирование переднего отдела коленного сустава.Он показал, что у пациентов из группы FIR было меньше суставного выпота (40%) по сравнению с исходным уровнем (80%) [34].

Тинг-Кай Леунг и др. использовали керамический порошок (производства Bioenergy Development Ltd, Таоюань, Тайвань) для исследований in vitro и in vivo. Его средняя излучательная способность составляла 0,98 на длинах волн 6–14 мкм с нетепловыми эффектами при комнатной температуре. Экспериментальные мишени включали клетки рака молочной железы MCF-7, клетки макрофагов, клетки меланомы, клетки миобластов, линию клеток хондросаркомы, клетки эпителия груди человека MCF-10A и колени кроликов [35].Важнейшим результатом исследований было то, что этот биокерамический препарат может снимать воспалительный артрит коленных суставов кролика [36]. Кроликам вводили внутрисуставные инъекции липополисахарида (ЛПС) для индукции стерильного воспаления, а затем помещали в клетки, окруженные слоем, содержащим биокерамику, в группе лечения. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) показала, что биокерамика способна снимать воспаление в суставах через 7 дней после инъекции ЛПС.

2.2. Инфракрасные сауны и Waon Therapy

Использование сауны в дальнем инфракрасном диапазоне для лечения основано на глубоком проникновении излучения в кожу для восстановления гомеостаза терморегуляции. У малоподвижных пациентов, страдающих остеоартритом или сердечно-сосудистыми респираторными проблемами, сауны в дальнем инфракрасном диапазоне могут быть использованы в качестве альтернативы умеренным упражнениям. Они оказывают терапевтическое действие без каких-либо побочных эффектов на застойную сердечную недостаточность, преждевременные сокращения желудочков, уровни натрийуретического пептида мозга, функцию эндотелия сосудов, потерю веса, окислительный стресс или хроническую усталость [37].

Терапия Waon означает, что тело предупреждается в инфракрасной камере в течение 15 минут при 60 ° C, затем его заворачивают в тепловые одеяла и кладут для поддержания тепла в течение дополнительных 40 минут, и, наконец, пациент пьет воду, чтобы восполнить потерю влаги. потоотделением. Он может улучшить сердечную функцию и полезен при реабилитации [38].

Терапия Waon проводилась один раз в день 5 дней в неделю в течение 2 недель. Всего в 19 центрах обследовали 76 пациентов, получавших терапию Waon, и 73 пациента из контрольной группы [39].Значения натрийуретического пептида B-типа в плазме, классификация болезней «New York Heart Association», 6-минутная ходьба и кардиоторакальный коэффициент были значительно улучшены в группе терапии Waon по сравнению с контрольной группой. Испытание продемонстрировало безопасность и эффективность для лечения этой целевой группы пациентов с хронической сердечной недостаточностью.

Терапия Waon оказывает адъювантный эффект при хронической обструктивной болезни легких. Группа Waon показала большую жизненную емкость и пиковую скорость выдоха, чем контрольная группа.Необходимы дальнейшие исследования для изучения механизма действия, в частности, может ли терапия Waon быть связана с увеличением потока NO через дыхательные пути [40].

Хроническая сердечная недостаточность вызывает дисфункцию эндотелия сосудов. Было продемонстрировано, что терапия сауной с инфракрасным излучением улучшает сосудистую эндотелиальную дисфункцию у хомяков с экспериментальной кардиомиопатией, которых лечили ежедневно с помощью экспериментальной системы сауны с дальним инфракрасным излучением в течение 15 минут. Через 4 недели мРНК артериальной эндотелиальной синтазы оксида азота (NO) (eNOS) (а также экспрессия белка) и продукция NO были значительно увеличены по сравнению с нормальным контролем [41].

3. Новые исследования инфракрасной терапии

3.1. Нейронная стимуляция

Инфракрасная нервная стимуляция (ИНС) имеет более высокое пространственное разрешение без электрохимической связи между источником и целевой тканью. Кроме того, инфракрасное излучение можно точно настроить для отражения входящего сигнала; однако потенциальными недостатками INS являются риски теплового повреждения тканей из-за передозировки энергии и ограниченная глубина стимуляции, зависящая от свойств поглощения ИК-излучения тканью [42].

Многие исследователи обнаружили, что применение непрерывного или импульсного света приводит к различным результатам в исследованиях заживления ран и регенерации тканей [43]. Низкочастотный импульсный ИК-лазер значительно стимулировал образование костных узлов в клетках свода черепа крысы in vitro с помощью низкоэнергетического Ga-Al-As-лазера (2 Гц, 830 нм, 500 мВт, 0,48 3,84 Дж / см ² ) [44 ]. Что касается INS, считается, что порог безопасности включает недопущение нагрева ткани в зависимости от нейронных целей, длины волны, частоты импульсов, мощности и т. Д. [45, 46].ИНС для кохлеарного имплантата сравнима с электростимуляцией, в то время как другие нейронные мишени могут иметь более низкие пороги безопасности для ИНС. Импульсный диодный лазер с длиной волны 1,844 1,873 мкм м, длительностью импульса 35 ~ 1000 мкс, частотой повторения 2 Гц был использован для выявления составных потенциалов действия. Результаты показали, что длительность импульса 35 мкс была достаточной для выявления сложных потенциалов действия из улитки. Для проведения составного потенциала действия 50 мкм пиковая мощность была постоянной для длительностей импульсов 100 мкс ~ 1000 мкс, но показывала более высокую пиковую мощность при длительности импульса 35 мкс [47].

Одним из возможных механизмов ИНС являются фототермические эффекты, вызванные поглощением энергии водой, а не фотохимическими реакциями, которые могут происходить с излучением, обладающим большей энергией фотонов (более короткой длиной волны), или фотомеханическими волнами давления [48]. Термочувствительный ионный канал, называемый «временный рецепторный потенциал ваниллоида 1» (TRPV1), является возможным рецептором, который стимулируется во время INS. TRPV1 может активироваться термически за счет лучистой энергии, поглощаемой водой, присутствующей в нервной ткани.Поскольку у большинства мышей с нокаутом TRPV1 не было ответа на ИК-оптическую стимуляцию улитки, о чем свидетельствует отсутствие какого-либо потенциала действия, передаваемого в слуховом нерве во время ИК-воздействия (λ = 1,85, 1,86 мкм), это наблюдение подтвердило гипотезу о вовлечении TRPV1. в генерации потенциала действия с помощью ИК-излучения [49]. Кроме того, изолированные клетки сетчатки и вестибулярного ганглия грызунов были использованы для наблюдения реакции, вызванной ИК-лазером. Добавляя блокаторы каналов TRPV1 и TRPV4 для идентификации первичных эффекторов, исследование пришло к выводу, что каналы TRPV4 вызывают сенсорный нейрональный ответ, запускаемый ИК-лазерным излучением (λ = 1.87 мкм) [50].

Внутриклеточный Ca ²⁺ является важным вторичным посредником для различных биологических процессов, таких как сокращение гладких мышц, высвобождение нейромедиаторов и регуляция сигнальных путей [51]. После воздействия ИК-излучения (1862 нм) в кардиомиоцитах желудочков новорожденных крыс наблюдалось быстрое повышение уровня внутриклеточного кальция до частоты пульсации в клетках [52]. Используя флуоресцентный анализ, ИК-импульсы 1862 нм (0,2-1 Гц) могут стимулировать как вызванные ИК-излучением, так и спонтанные кальциевые события.ИР-вызванные кальциевые события имели меньшую амплитуду и более короткие временные константы по сравнению со спонтанными кальциевыми событиями. Был использован митохондриальный ингибитор Ca ²⁺ , который подтвердил гипотезу о том, что импульсное ИК-излучение регулирует Ca ²⁺ в митохондриях через митохондриальный обменник Na ⁺ / Ca ²⁺ и митохондриальный унипортер Ca ²⁺ .

В 2016 году Ken Zhao et al. рассмотрели применение INS, сосредоточив внимание на его способности стимулировать различные типы нейронов оптическим излучением, включая лицевой нерв, улитку, вестибулярную систему и кору [53].Они пришли к выводу, что ИК-излучение в основном поглощается водой ».

Периодическое инфракрасное фемтосекундное лазерное излучение (780 нм) было замечено для синхронизации отдельных или небольших групп кардиомиоцитов в качестве «оптического водителя ритма» [54]. В этом исследовании мощность ИК-лазера была адекватно отрегулирована, чтобы вызвать периодическое высвобождение кальция и избежать перепроизводства кальция в цитозоле. Лазер применялся со средней общей мощностью от 15 до 25 мВт. Кальциевый ответ с синхронизацией в изолированных кардиомиоцитах (или конкретной клетке в группе кардиомиоцитов) зависел от средней мощности лазера на целевой клетке.

Предыдущие исследования показали, что импульсное ИК-излучение с длиной волны 1860 нм или 790 ~ 850 нм стимулировало потенциалы действия во многих различных типах нервных клеток, таких как седалищные клетки, слуховые нервы и кардиомиоциты [52, 55, 56]. Полукружный канал crista ampullaris жабы (который функционирует как орган баланса внутреннего уха) был чувствителен к ИК-излучению (1862 нм) [57]. При облучении сенсорного эпителия различными типами ИК-импульсов наблюдалась активация фазовых тормозных и возбуждающих афферентных ответов.Однако при тепловой стимуляции сенсорного эпителия не наблюдалось синхронизированных по фазе потенциалов действия афферентного нерва.

Кроме того, ИК-лазер (λ = 1450 нм и 1860 нм) может временно подавлять распространение потенциалов действия в эндогенных немиелинизированных и миелинизированных аксонах. ИК-лазер, подаваемый с помощью оптического волокна 200 мкм, подавался между электростимуляцией, производимой микропипеткой, и нервом. регистратор сигналов. Данные показали, что потенциал действия, индуцированный электростимуляцией, блокируется инфракрасным излучением, включая сокращение мышц при аплизии и проведение у крыс седалищного нерва.

Кроме того, для оценки пространственной селективности остро поврежденной улитки у морской свинки применялся импульсный ИК-лазер (1,86 мкм). Нейронный ответ нижнего холмика был преобразован в кривые пространственной настройки, чтобы сравнить различия между акустически вызванными ответами и реакциями, вызванными ИК-импульсом [58]. Большинство кривых пространственной настройки указывают на то, что оптическая стимуляция может активировать селективные популяции нейронов таким же образом, как и акустическая стимуляция; только 10% профилей невозможно было проанализировать или сопоставить.

Основным недостатком INS является отложение тепла в тканях, что может стать препятствием для разработки имплантируемых устройств для таких применений, как искусственная улитка. Недавно был разработан гибридный метод электрооптической стимуляции, сочетающий ИНС с электростимуляцией [59, 60]. Седалищный нерв задней конечности крысы облучали импульсным диодным лазером (λ = 1875 нм) во время электростимуляции. Кроме того, было обнаружено, что повышение температуры нервной ткани, вызванное оптической стимуляцией, может усиливать гибридную электрооптическую стимуляционную реакцию нервов.

3.2. Воздействие инфракрасного излучения на кожу: фотостарение против фотоомоложения

В последние годы фотодерматологические исследования достигли огромного прогресса в понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе положительных и отрицательных эффектов, которым кожа человека может подвергаться в ответ на воздействие инфракрасного излучения. В большинстве исследований для освещения ИРА использовались искусственные источники света. Это позволяет определить наиболее эффективную длину волны, мощность и плотность потока энергии для облучения объектов, чем при использовании окружающего инфракрасного излучения солнца, содержащего несколько длин волн, которое может вызывать тепловую индукцию MMP-1 и индуцированную фотозащиту кожи человека [61] .

Поскольку кожа человека постоянно подвергается воздействию инфракрасного излучения окружающей среды, эта энергия может косвенно или прямо стимулировать выработку свободных радикалов или АФК. Многие исследователи обнаружили, что кратковременная вспышка ИК-индуцированных АФК может быть полезной для фотоомоложения. ИК-излучение (8 ~ 12 мкм м), используемое для заживления ран на всю толщину кожи у крыс, показало увеличение высвобождения фактора роста и противовоспалительного цитокинового трансформирующего фактора роста-β1 (TGF-β1), который приводит к активации фибробластов для лучшего заживления ран [31].Кроме того, инфракрасное излучение (λ = 950 нм) использовалось для прямой стимуляции пролиферации фибробластов, что привело к увеличению пролиферации фибробластов in vitro [62].

Предполагается, что молекулярный механизм NIR-излучения (λ = 810 нм) для генерации митохондриальной передачи сигналов в клетках млекопитающих обусловлен активацией фотоакцептора, называемого цитохром с оксидазой (CCO). Световая активация CCO стимулирует митохондриальную респираторную цепную реакцию с образованием ROS и приводит к активации NF-κB в эмбриональных фибробластах [13, 63].Кроме того, поглощение ИК-излучения PBM структурированной внутриклеточной водой может вызывать дополнительные изменения в колебательной энергии молекул и влиять на третичную конформацию ферментов, ионных каналов и других белков. Эти относительно небольшие изменения в структуре белка могут активировать сигнальные пути (например, за счет инозитолфосфатов), что приводит к активации факторов транскрипции и изменениям в экспрессии генов [64, 65].

Кроме того, первичные дермальные фибробласты человека анализировали с помощью микроматричного анализа после облучения ИРА in vitro.Анализ микроматрицы показал, что 599 IRA-регулируемых генов дифференциально экспрессируются в первичных дермальных фибробластах человека, которые имеют отношение к метаболическим процессам во внеклеточном матриксе, гомеостазу кальция, передаче сигналов стресса и регуляции апоптоза [17]. Это исследование также показало, что IRA приводит к генерации АФК как внутри, так и вне митохондрий. Авторы предположили, что для активации экспрессии генов могут быть задействованы три основных сигнальных пути, включая митоген-активируемые протеинкиназы (MAPKs), кальций и интерлейкин 6 / сигнальный трансдуктор и активатор пути транскрипции 3 (STAT3).Кроме того, гены, индуцированные IRA, значительно отличались от генов, индуцированных УФ-излучением. Это открытие означает, что разные длины волн света могут приводить к определенным сигнальным путям в дермальных фибробластах человека.

Однако свободные радикалы и АФК, индуцированные ИК-излучением, могут быть обоюдоострым мечом: в низких дозах они могут активировать защитные реакции, но в высоких дозах АФК могут повреждать органеллы и клетки кожи, что приводит к фотостарению. Многие исследования показали, что ИК-излучение в диапазоне от 760 до 1000 нм участвует в фотостарении и фотоканцерогенезе кожи человека [66].Механизм ИК-излучения, повреждающего кожу, основан на активации матричной металлопротеиназы-1 (MMP-1), которая опосредуется стимуляцией пути p38-MAPK и сигнальных путей киназы 1/2 (ERK1 / 2), регулируемой внеклеточными сигналами. ответ на облучение ИРА. Когда кожа человека облучается однократным или многократным нанесением (один раз в неделю в течение 4 недель) ИК-излучения, это может привести к различной экспрессии проколлагена типа I и более высокой экспрессии TGF-β1, -β2 и -β3 [67, 68].

Кроме того, для облучения кожи человека использовалась инфракрасная лампа с максимальным излучением при 1100 ~ 1120 нм.Кровеносные сосуды, окрашенные маркером эндотелиальных клеток CD31, были увеличены инфракрасным излучением, вероятно, за счет повышения регуляции фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и подавления антиангиогенного фактора тромбоспондина-2 (TSP-2) в эпидермисе кожи [69 ].

IRA радиационно-индуцированные свободные радикалы могут в разной степени снижать содержание антиоксидантов, таких как каротиноиды, в коже человека. Особенно каротиноид, ликопин быстро снижается по сравнению с бета-каротином [70]. Для исследования образования свободных радикалов в коже человека во время воздействия ИК-излучения использовались многие неинвазивные измерения, такие как резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния, спектроскопия отражения и измерение цвета кожи [71, 72].

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса основана на резонансном поглощении микроволнового излучения путем согласования разности энергий спинов свободного неспаренного электрона в магнитном поле, и можно измерить обращение спина и поглощение микроволновой энергии [73]. Следует учитывать эффект вращения в тканевой воде со значительным демпфированием, вызванным резонансным поглощением микроволнового излучения, чтобы избежать последствий высокого импеданса на этом частотном уровне (10 ⁹ Гц).В предыдущих исследованиях на коже 17 добровольцев параллельно использовались резонансная рамановская спектроскопия и спектроскопия электронного парамагнитного резонанса. Нитроксид-радикалы (со свободным неспаренным электроном на атоме азота) использовали для определения антиоксидантной способности кожи in vivo. Результаты показали, что скорость уменьшения нитроксида коррелирует с концентрацией кожных каротиноидов [74].

Антиоксидантный механизм каротиноидов заключается в подавлении синглетного кислорода его системой двойных связей сопряженного углерода.Концентрация каротиноидов может указывать на полный уровень антиоксидантов в коже человека [75]. Резонансная рамановская спектроскопия — это неинвазивный оптический метод для устранения влияния неоднородностей и измерения концентрации каротиноидов в коже [76].

Кроме того, IRA-индуцированное истощение каротиноидов у десяти добровольцев было проанализировано с помощью резонансной рамановской спектроскопии, а распределение концентрации каротиноидов по глубине на ладонной части предплечья было определено с помощью конфокальной рамановской микроскопии [77].Результаты показали, что после воздействия IRA-излучения концентрация каротиноидов сразу же снижалась и сохранялась до 60 минут после воздействия. Первоначальный уровень исходной концентрации антиоксиданта восстановился через 24 часа после воздействия.

АФК, вызванные высокими дозами ИРА, могут значительно снизить уровень антиоксидантов in vivo. Это следует учитывать, и кожу следует подвергать воздействию только низких и умеренных доз IRA-излучения, чтобы избежать повреждения тканей и фотостарения. Баролет и др. В статье, озаглавленной (Инфракрасное излучение и кожа: друг или враг?) [3], подчеркнули выраженное двухфазное дозовое воздействие ИК на кожу.Благоприятные эффекты низких доз ИК на кожу включали фотозащиту от повреждений, вызванных УФ-излучением, фотоомоложение, уменьшение пигментных поражений и уменьшение количества тонких линий и морщин. Таким образом, данные в целом подтверждают вывод о том, что оптимальные параметры света имеют решающее значение для различного применения НИЛИ и ПБМ, особенно на коже, но также и на других системах органов [78].

Тепловое воздействие, вызванное инфракрасным излучением, может быть патологическим для кожи. Когда температура кожи превышает 39 ° C во время ИК-облучения, это может вызвать образование АФК и патологические эффекты из-за изменений структурной целостности, вызванных индукцией ферментов в коже [79].Кроме того, регуляция экспрессии белка аквапорина 3 участвует в функциональных механизмах интенсивного импульсного света на длине волны 560 нм, который играет важную роль в гомеостазе кожи для транспортировки отходов и малых молекул растворенных веществ [80].

Как упоминалось выше, высокие температуры кожи могут активировать термочувствительные ионные каналы семейства TRPV1, увеличивая концентрацию внутриклеточного Ca ²⁺ внутри клетки и последующую активацию сигнальных путей [81, 82].

3.3. Противоопухолевое действие

За последнее десятилетие в ряде исследований было обнаружено, что ИК-излучение может вызывать некоторые повреждения ДНК в раковых клетках [83–85]. Предлагаемый механизм связан с окислительным стрессом. ИК влияет на цепь переноса электронов, генерируя АФК, которые не только стимулируют передачу сигнала на умеренных уровнях, но также могут напрямую повреждать клеточные органеллы при их чрезмерном генерировании. Сообщалось, что индуцированные IR митохондриальные АФК способны повреждать митохондриальную ДНК человека (мтДНК), которая принимает форму кольцевой двухцепочечной молекулы длиной 16 559 п.н., содержащей 37 генов, что приводит к изменению функции дыхательной цепи [86].Кроме того, мутации мтДНК играют важную роль в патологических аномалиях. К настоящему времени обнаружено более 100 точечных мутаций в мтДНК [87].

Частота мутаций мтДНК значительно выше, чем у ядерной ДНК. Это связано с тем, что механизмы репарации ДНК против вызванного окислительным стрессом повреждения ДНК не так эффективны в митохондриях, как в ядре клетки. Это относится к объемным повреждениям ДНК или фотопродуктам, таким как фотопродукты пиримидин (6–4) пиримидона или димеры циклопиримидина [88].Кроме того, мтДНК расположена в непосредственной близости от цепи переноса электронов, которая имеет наибольшее количество индуцированных ИК-излучением АФК на стороне клетки. Следовательно, высока вероятность того, что АФК вызывают повреждение мтДНК и запускают каскад апоптоза и гибели клеток.

Чтобы уточнить внутриклеточное расположение IRA-индуцированных АФК, для предварительной обработки человеческих фибробластов использовали антиоксиданты [17]. Антиоксидант N-ацетил-цистеин может повышать уровень внутриклеточного глутатиона [89], улавливать активные формы кислорода во всех различных клеточных компартментах и, следовательно, способен подавлять все изменения в экспрессии генов, индуцированных IRA.Однако IRA по-прежнему активирует гены, связанные с ROS, если MitoQ используется в качестве антиоксиданта, который был разработан для удаления ROS, специфически возникающих внутри митохондрий [90]. Это означает, что другие хромофоры, активируемые IRA в различных клеточных компартментах, могут участвовать в индуцированном IRA образовании ROS, и не ограничиваются исключительно митохондриями. Более того, индуцированная IRA экспрессия фермента MMP-1 в первичных фибробластах кожи человека может быть снижена антиоксидантами, такими как аскорбиновая кислота, (α) -токоферол, эпигаллокатехингаллат, (-) — эпикатехин или фенилпропионовая кислота [91].Вдобавок было предложено, что фермент MMP-1 ведет себя как «храповик броуновского движения», управляемый динамикой воды, которая может стимулироваться инфракрасным светом. Например, активированная коллагеназа (MMP-1) действует как молекулярный храповик, участвуя в ремоделировании тканей и взаимодействиях с клеточным матриксом [92]. Следовательно, можно применять соответствующие антиоксиданты для защиты от преждевременного старения кожи, вызванного излучением IRA. Клеточные линии рака молочной железы человека MDA-MB-231, MCF7, T47D и нормальные эпителиальные клетки молочной железы (184B5) были облучены MIR (λ = 3.0 ~ 5,0 мкм). Количественный протеомный анализ был использован для изучения MIR-регулируемых физиологических реакций клеток рака молочной железы, включая остановку клеточного цикла G ₂ / M, ремоделирование сети микротрубочек до расположения астрального полюса, изменение цитоскелета актина и уменьшение количества клеток. миграционная активность [85].

Chang et al. продемонстрировали, что ИК-излучение (3 ~ 5 мкм) может вызывать набухание и остановку клеточного цикла в фазе G ₂ / M в клетках рака легкого A549 [84].ИК-излучение также может ингибировать фосфорилирование циклин-зависимой киназы 1 (CDK1) и циклина B1, что приводит к остановке прогрессирования клеточного цикла. Кроме того, перинуклеарное распределение актиновых филаментов в клетках рака легкого предполагает, что окислительный стресс, вызванный ИК-излучением, влияет на остановку клеточного цикла, реорганизацию цитоскелета и влияет на баланс антиоксидантов [93]. Это исследование также показало, что ИК-излучение запускает ось ATM / ATR-p53-p21 в ответ на повреждение ДНК, что приводит к образованию ядерных фокусов 53BP1 и c-h3AX и активации пути ATM / ATR-p53-p21, участвующего в Ремонт ДНК.Эти данные предполагают, что ИК-излучение индуцировало систему репарации ДНК в ответ на повреждение ДНК.

FIR (4 ~ 1000 мкм) излучение вызывает молекулярные колебания, приводящие к повышению температуры внутри клеток, и может вызвать локальный тепловой стресс в окружающей среде. Индукция белка теплового шока (HSP) 70 может ингибировать высвобождение цитохрома с из митохондрий, что является предшествующей стадией апоптоза [94]. Предыдущая литература показала, что низкая базальная экспрессия HSP70 и изменения клеточной морфологии наблюдались в FIR-чувствительных клеточных линиях HSC3, Sa3 и A549 [95].

Кроме того, FIR индуцировал клеточную гипертрофию и подавлял пролиферацию раковых клеток A549 (легкие), HSC3 (язык) и Sa3 (десна) за счет остановки клеточного цикла G ₂ / M за счет сверхэкспрессии гена ATF3 [96]. Ген ATF3 участвует в реакции на изменения внеклеточного или внутриклеточного микросреды, клеточного гомеостаза, клеточного цикла и гибели клеток [97]. Однако ИК-излучение не влияло на экспрессию гена ATF3 и гипертрофию клеток в раковых клетках A431 (вульва) или MCF7 (груди).Эти результаты показывают, что FIR-излучение подавляет пролиферацию раковых клеток в зависимости от конкретного типа клеток и может быть эффективным средством лечения некоторых видов рака.

Предыдущие исследования показали, что ионизирующая лучевая терапия в сочетании с паклитакселом может усиливать терапевтический эффект [98]. Паклитаксел стабилизирует микротрубочки и приводит к гибели клеток, ингибируя сегрегацию хромосом, нарушая сборку веретена во время деления клеток и вызывая остановку клеточного цикла в фазе G ₂ / M.Кроме того, паклитаксел также активирует несколько путей митохондриальной цитотоксичности, изменяя проницаемость пор в митохондриях, рассеивая потенциал митохондриальной мембраны, высвобождая цитохром с из межмембранного пространства и формируя АФК [99]. Клетки рака шейки матки человека HeLa, обработанные паклитакселом в сочетании с облучением MIR (3,6, 4,1 и 5,0 мкм), показали улучшенный противоопухолевый эффект [100]. IR может снизить дозировку паклитаксела при клинической противоопухолевой химиотерапии, чтобы избежать тяжелых побочных эффектов, вызванных паклитакселом, таких как снижение количества лейкоцитов, выпадение волос, диарея, язвы во рту и реакции гиперчувствительности.

3.4. Нервная и жировая регенерация

Транскраниальная стимуляция мозга инфракрасным излучением — это использование когерентного или некогерентного света для реабилитации нейродегенеративных заболеваний мозга или черепно-мозговых травм, а также для модуляции нейробиологической функции за счет нетеплового эффекта; однако молекулярный механизм ИК-стимуляции мозга до сих пор неясен.

Чтобы прояснить клеточный механизм лечения NIR-лазером у пациентов с острым ишемическим инсультом, модель эмболического инсульта кроличьего тромба была использована для оценки содержания кортикального АТФ после лечения лазером 808 нм [101].БИК-лазер в импульсном или непрерывном режиме может повысить содержание АТФ в коре головного мозга кроликов по сравнению с имитацией эмболии кроликов, особенно импульсный волновой режим дал значительно большее увеличение содержания АТФ в кортикальном слое.

Диодный лазер на основе Ga-Al-As с длиной волны 810 нм, импульсный с частотой 10 Гц, 100 Гц и непрерывный режим, с плотностью мощности 50 мВт / см ² в течение 12 минут, использовался для освещения головы мыши с экспериментальной черепно-мозговой травмой (ЧМТ). Мышей умерщвляли и анализировали через 2, 15 и 28 дней после TBI.Так же, как размер поражения и количество продукции АТФ, частота импульсов 10 Гц лучше всего влияла на неврологические функции [102]. Это исследование показало, что ритм 4 ~ 10 Гц, возникающий в области гиппокампа в нормальном мозге мышей, может войти в положительный резонанс с частотой лазерного импульса 10 Гц для улучшения нейрореабилитации мышей с ЧМТ.

Лазер с длиной волны 808 нм может также способствовать мозговому кровотоку и повышать уровень оксида азота у мышей [103]. Было высказано предположение, что инфракрасный лазер может стимулировать мозговое кровообращение за счет высвобождения NO, а также активировать нейропротективные пути для уменьшения количества апоптотических клеток в гиппокампе.

Существует множество гипотез, объясняющих дегенерацию нейронных процессов при болезни Паркинсона, включая снижение уровней дофаминергических нейронов в черной субстанции, присутствие цитоплазматических включений и аномальное увеличение альфа-синуклеин-положительных аксонов в выживших нейронах [104].

В попытке исследовать снижение аксонального транспорта, вызванное болезнью Паркинсона, скорость митохондриального движения в трансмиссионно-цибридных нейрональных клетках человека была измерена во время лечения диодным лазером с длиной волны 810 нм [105].Кибриды — это нейроны, в которых собственные митохондрии заменены больными митохондриями, полученными из других клеток (например, полученных от пациентов с болезнью Паркинсона). Скорость митохондриального движения в цибридных нейритах при болезни Паркинсона была значительно увеличена после воздействия ИК-излучения в течение двух часов. Было высказано предположение, что лечение ИК-лазером может подавлять нейродегенеративные симптомы у пациентов с болезнью Паркинсона.

Кроме того, трансгенных мышей-предшественников белка амилоида-β (мышиная модель болезни Альцгеймера) лечили 3 раза в неделю различными дозами ИК-лазера с длиной волны 808 нм [106].Уровни пептида амилоида-β головного мозга, пептида β амилоида-β в плазме и пептида β-амилоида-β спинномозговой жидкости, а также количество бляшек β-амилоида в головном мозге были снижены путем обработки ИК-лазером в зависимости от дозы. Кроме того, индуцированная ИК-лазером генерация АТФ может также улучшить сохранение нейронов и ингибировать образование амилоидных бляшек.

Эти данные, вместе взятые, показывают, что ИК-излучение может стимулировать рост жизнеспособности клеток и факторы роста, которые вызывают потенциальные терапевтические эффекты при повреждении или дегенеративном заболевании головного мозга.Заболеваниям головного мозга, включая ЧМТ, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и инсульт, могут улучшаться за счет индуцированного ИР синтеза АТФ, продукции фактора роста, противовоспалительных эффектов и антиапоптоза. [107]. Более того, недавнее исследование также указывает на то, что пролиферация и дифференцировка стволовых клеток, полученных из жировой ткани, регулируются инфракрасным излучением 980 нм, которое, как предполагается, воздействует на каналы ионов кальция с регулируемой температурой, в то время как ИК-излучение 810 нм стимулирует выработку АТФ за счет поглощения фотонов CCO [ 108].

Следует отметить, что ИК-излучение 810 нм не только поглощается CCO, но также на малых уровнях поглощается водой. Хотя ИК-спектр с длиной волны 980 нм не сильно поглощается CCO, он в основном поглощается водой [25].

обобщает отчеты об использовании ИК-излучения для взаимодействия с клетками и тканями. В нем также освещаются некоторые медицинские применения ИК-излучения. Предполагается, что длины волн источников света соответствуют спектру поглощения молекул CCO или воды.

Таблица 1

Различные медицинские применения ИК-излучения для различных клеток и тканей.

Нейронная регенерация

Медицинское применение	Автор, ссылка	Цель	Источник света или материал	Длина волны	Результаты
Заживление ран	Toyokawa et al. [31]	Кожная рана у крысы	Лист с керамическим покрытием	5,6 ~ 25 мкм (максимальная интенсивность 8 ~ 12 мкм)	Способствует заживлению ран и экспрессии TGF-β1
Заживление ран	Гупта и другие.[109]	Кожные ссадины у мышей	Диодный лазер	810 нм	Повышенное накопление коллагена и эффекты заживления
Заживление ран	Santana-Blank et al. [110, 111]	Мягкие ткани крысы	Диодный лазер	904 нм	Способствует заживлению ран и росту зоны исключения (EZ) (1H-ЯМР 1 / T2)
Заживление ран	Santana-Blank et al. al. [111] Rodríguez-Santana et al.[112]	Мягкие ткани у крысы	Диодный лазер	904 нм	Способствует заживлению ран, мембранный эффект измерен с помощью тау 1H-ЯМР (c)
Нейронная стимуляция	Wells et al. [55]	Седалищный нерв крысы	Лазер на свободных электронах	2,1, 3,0, 4,0, 4,5, 5,0 и 6,1 мкм	Создает пространственно-селективный ответ в небольших пучках седалищного нерва
Нейральная стимуляция	Jenkins et al.[113]	Сердце взрослого кролика	Диодный лазер	1,851 мкм	Индуцированная оптическая стимуляция сердца взрослого кролика
Нейронная стимуляция	Izzo et al. [56]	Слуховой нерв песчанок	Гольмий: YA G-лазер	2,12 мкм	Оптическое излучение стимулировало амплитуды ответа улитки
Нейронная стимуляция	Duke et al. [60]	Седалищный нерв крысы	Диодный лазер	1.875 мкм	Гибридная электрооптическая стимуляция вызвала устойчивые сокращения мышц и снизила требования к мощности лазера
Нейронная стимуляция	Shapiro et al. [19]	Клетки HEK-293T	Диодный лазер	1,889 мкм	Временное изменение электрической емкости мембраны во время оптической стимуляции
Фотостарение	Darvin et al. [76]	Кожа человека	Радиатор с фильтром для воды	600 ~ 1500 нм	Образованные свободные радикалы и пониженное содержание антиоксидантов β-каротина
Фотостарение	Schroeder et al.[91]	Кожные фибробласты человека	Фильтрованный водой источник ИК-излучения	760 ~ 14 40 нм	Повышенная экспрессия MMP-1 в дерме
Antitum or Action	Tsai et al. [100]	Клетка рака шейки матки HeLa	Тепловой излучатель с волноводом	3,6, 4,1 или 5,0 мкм	Вызвал коллапс мембранного потенциала митохондрий и повышение окислительного стресса.
Antitum or Action	Chang et al.[84]	Клетки рака груди и нормальные эпителиальные клетки груди.	Источник черного тела с фильтром 3 ~ 5 мкм	3 ~ 5 мкм	Вызвал остановку цикла раковых клеток G 2 / M, реконструировал сеть микротрубочек и изменил образование актиновых филаментов
Antitum or Action	Tanaka et al. [83]	Клетки аденокарциномы легкого A549	БИК-излучатель, снабженный фильтром для воды	1,1 ~ 1,8 мкм	Активировал путь ответа на повреждение ДНК
Antitum or Action	Yamashita et al.[96]	Раковые клетки A431 (вульва), A549 (легкие), HSC3 (язык), MCF7 (грудь) и Sa3 (десна)	Инкубатор излучающей панели FIR путем покрытия углеродом / диоксидом кремния / оксидом алюминия / титаном оксидная керамика	4 ~ 20 мкм (максимум от 7 до 12 мкм)	Подавляет пролиферацию раковых клеток за счет усиления экспрессии гена ATF3
Antitum or Action	Santana-Blank et al. [114]	Солидная опухоль Клиническое испытание	Диодный лазер	904 нм	88% противоопухолевый эффект.Десять лет наблюдения
Antitum or Action	Santana-Blank et al. [115]	Цитоморфология солидных опухолей	Диодный лазер	904 нм	Избирательный апоптоз, некроз, аноикис в опухолевых тканях онкологических больных
Antitum or Action	Santana-Blank et al. [116]	Солидная опухоль T 2w МРТ-микродезитометрия	Диодный лазер	904 нм	Доказательства наличия межфазной водоизоляционной зоны (EZ) как предиктора противоопухолевого ответа у онкологических больных
Antit Акция	Santana-Blanket al.[117]	Уровни цитокинов субпопуляций периферических лейкоцитов в сыворотке крови твердых опухолей	Диодный лазер	904 нм	Иммуномодуляция TNF-α sIL-2R и CD4 + CD45 RA + и CD25 + активированных
Naeser et al. [118]	Легкая черепно-мозговая травма	NIR-диоды	870 нм	Улучшение когнитивных функций, улучшение сна и симптомы посттравматического стрессового расстройства
Регенерация нейронов мозга	Lapchak et al.[101]	Инсульты у эмболизированных кроликов	Лазерный источник	808 нм	Повышенное содержание кортикального АТФ
Регенерация жировой ткани	Wang, Y., et al. [108]	стволовые клетки, полученные из жировой ткани человека	Диодный лазер	810 нм 980 нм	Стимулирование пролиферации и дифференцировки

4 Обсуждение

LLLT и / или PBM были использованы для широкого диапазона различных медицинских показаний в последние годы, а клеточные и молекулярные механизмы действия НИЛИ в настоящее время изучены лучше, чем в прошлые десятилетия.

Большинство исследований предполагают, что хромофоры, ответственные за эффекты PBM, можно в первую очередь классифицировать как митохондриальные хромофоры, такие как CCO.

Предыдущие исследования определили, что хромофор PBM с использованием длин волн красного или ближнего инфракрасного диапазона является митохондриальным CCO. CCO является одним из четырех белковых комплексов (единица IV), составляющих цепь переноса электронов, которая осуществляет транспорт электронов на внутренней митохондриальной мембране, в конечном итоге создавая электрохимический протонный градиент для конечного фермента АТФ-синтазы (единица V) для преобразования АДФ (аденозиндифосфата). ) для производства АТФ [119, 120].LLLT может увеличивать активность фермента CCO для облегчения транспорта электронов и увеличения производства АТФ [121]. Более того, было обнаружено, что спектр действия биологической реакции в ближнем ИК-диапазоне соответствует спектрам поглощения CCO в ближнем ИК-диапазоне, относящимся к митохондриальным хромофорам [63, 122–124]. Поглощение цитохром с оксидазы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра хорошо согласуется со спектром действия по увеличению синтеза ДНК в клетках млекопитающих. CCO имеет два медных центра Cu _A и Cu _B и два гемовых центра, гем _A и гем _B .Каждый из этих металлических центров может находиться в окисленном или восстановленном состоянии, что дает в общей сложности 16 возможностей. Различные фотоакцепторы были отнесены к разным окислительно-восстановительным состояниям CCO, полоса 820 нм была отнесена к окисленной форме хромофора Cu _A CCO, полоса 760 нм к восстановленной пене Cu _B , полоса 680 нм к окисленному Cu _B и полосе 620 нм к восстановленному Cu _A [13, 63].

С другой стороны, несколько других исследований показали, что другим возможным механизмом PBM, особенно на длинах волн FIR и MIR, является поглощение излучения молекулами воды.Pollack et al. продемонстрировали, что лучистая энергия может генерировать зону отчуждения (EZ) на границе раздела воды, которая обладает правильным типом гидрофильного / гидрофобного баланса [65, 125]. Вода EZ может накапливать электрические заряды и выделять до 70% потребляемой энергии.

Клеточные мембраны характеризуются наличием тонкого (нанометрового) слоя воды, которая накапливается на гидрофобных поверхностях [126]. Очень небольшое количество ненагревающего ИК-излучения может передавать относительно небольшие количества колебательной энергии наноструктурированным слоям воды и может нарушать ее структуру и структуру соседних молекул, не вызывая какого-либо эффекта объемного нагрева (т.е.е. не вызывая заметного повышения температуры) [127]. Градиенты вязкости внутримитохондриальной воды идентифицированы методом наноиндентирования [128]. Синтез АТФ может уменьшаться и увеличиваться в ответ на модуляцию уровней активных форм кислорода, вызванную нетепловыми уровнями NIR. Возможный механизм управления этим «митохондриальным наномотором» заключается в том, что NIR может увеличивать оборот АТФ за счет снижения вязкости межфазных слоев воды. Недавно Сантана-Бланк и др.предположили, что внешняя электромагнитная (световая) энергия может активировать кислород-зависимые и кислородно-независимые пути, основанные на взаимодействиях воды и света [129]. В результате взаимодействия воды и света и механизмов передачи энергии ИК-излучение создает межфазную EZ-воду в качестве селективной перезаряжаемой электролитической биобатареи [130]. Световая энергия в кислородзависимых путях генерирует высокоэнергетические молекулы, называемые нуклеотид-фосфатами, включая АТФ и ГТФ. Взаимодействие с водой и светом в кислородно-независимом пути приводит к фотоиндуцированным нелинейным колебаниям в воде, которые могут обеспечивать энергией клеточные реакции, включая метаболизм, передачу сигналов и транскрипцию генов.

Недавно Ван и др. Показали [108], что две разные длины волн ближнего ИК-диапазона влияют на стволовые клетки, полученные из жировой ткани, посредством совершенно разных механизмов действия. Лазер с длиной волны 810 нм был предложен для активации CCO, приводящей к продукции АТФ и кратковременной вспышке ROS, но не влиял на внутриклеточный кальций. Напротив, лазер с длиной волны 980 нм также увеличивал АТФ и АФК, но при гораздо более низких плотностях потока (от одной десятой до одной сотой), и увеличивал цитозольный кальций, в то же время снижая митохондриальный кальций. Действия NIR 980 нм, но не действия NIR 810 нм, могут быть отменены ингибиторами кальциевых ионных каналов, такими как TRPV.Нагревание клеток или охлаждение клеток аннулировали эффекты 980 нм, но не 810 нм. Это исследование показало, что 980 нм может работать, воздействуя на наноструктурированные слои воды в ионных каналах TRPV, в то время как 810 может напрямую активировать активность фермента CCO. графически суммирует два наиболее важных предполагаемых биологических механизма действия ИР.

Предлагаемые механизмы действия ИР на молекулярном и клеточном уровне. TRPV = временный рецепторный потенциал ваниллоида; ROS = активные формы кислорода; АТФ = аденозинтрифосфат.

Помимо понимания фотобиологических механизмов LLLT / PBM с использованием длин волн FIR / MIR и NIR, важно разработать параметры света с учетом клинического опыта и желаемой терапевтической цели для достижения оптимальных медицинских и биологических эффектов, как показано на. В клинической практике эффект двухфазной реакции на дозу критически важен для получения оптимальных клинических результатов [30]. Другой руководящий принцип заключается в том, что повторение лечения ежедневно (или даже более или менее часто) до тех пор, пока рана не заживет или не наступит ремиссия заболевания, лучше, чем однократное применение НИЛИ.НИЛИ можно сравнить с питательной пищей для человеческого организма; адекватное ежедневное потребление лучше всего.

Обзор детерминант и факторов, которые следует учитывать при инфракрасной терапии

Вся материя в конечном итоге состоит из заряженных частиц, таких как субатомные частицы, электроны, протоны и т. Д. Когда электромагнитное излучение падает на вещество, заряженные частицы поглощают энергию, что приводит к колебания в зависимости от энергии отдельных фотонов (длины волны). Видимый свет обычно поглощается электронами на молекулярных орбиталях, тогда как ИК-энергия обычно поглощается связями внутри молекул, что приводит к усилению колебательных мод, таких как скручивание, растяжение и изгиб.Оба вида энергии могут трансформироваться и рассеиваться в другие молекулярные колебания в виде повышенной тепловой энергии (температуры).

Как нам различать поглощение NIR и FIR, которое взаимодействует с различными элементами структуры ткани (вода, белки, аминокислоты, липиды и т. Д.). Это интересный вопрос, потому что мы не можем предположить, что оптические характеристики излучения останутся прежними, потому что NIR и FIR могут быть поглощены и переизлучены как разные длины электромагнитных волн хромофорами ткани в течение очень короткого периода времени.Возможно, что конечный фотобиологический результат происходит из множества источников, включая исходное поглощение фотонов падающего света, различные переизлученные электромагнитные волны, возникающие из структурных молекул клетки, и индукцию электромагнитных полей, которые влияют на энергетический метаболизм внутри клеток.

Тканевая оптика описывает подходы к математическому моделированию для анализа того, как фотоны с разной длиной волны взаимодействуют с тканью. Фотоны могут либо поглощаться, либо рассеиваться (неупруго или упруго).В макроскопическом масштабе инструмент моделирования Монте-Карло применялся для изучения проникновения и поглощения света в коже человека во время НИЛИ. Насури и др. моделировало распространение лазера через трехслойную модель кожи человека в спектральном диапазоне от 1000 до 1900 нм [131]. Этот тип анализа необходим для разработки параметров, позволяющих максимально увеличить глубину проникновения света в ткань без какого-либо риска термического повреждения верхних слоев кожи. Кроме того, профиль луча лазерного пятна, который может быть однородным или гауссовым, может увеличивать локальную объемную дозировку и важен при выборе длины волны и мощности лазера в LLLT.

В целом механизмы действия ИК-излучения можно разделить на две большие группы, перечисленные в. Совершенно очевидно, что необходимы дополнительные исследования для изучения механизмов ИК-излучения в медицинской и биохимической областях.

Таблица 2

Различные аспекты механизмов ИК-излучения

Механизм передачи энергии

Механизм прохождения сигнала

Электрическая емкость клеток, регулируемая IR Клеточные структуры (вода, белки, аминокислоты, липиды и т. Д.)) Зона отчуждения, образующаяся в воде, действует как перезаряжаемая биологическая батарея Взаимодействие между ИК-излучением и молекулами воды ИК-излучение поглощается и повторно излучается хромофорами тканей в виде электромагнитных волн различной длины.

IR влияет на окислительно-восстановительное состояние клеток в митохондриях и модулирует активные формы кислорода и производство АТФ. Стимуляция оксида азота, цитохром с оксидазы, факторов транскрипции, цитокинов, факторов роста, медиаторов воспаления и т. Д. Передача сигналов через светочувствительные ионные каналы (ионные насосы и молекулярные двигатели) [132] Передача сигналов через циклические AMP / GMP и рецепторы, связанные с G-белком, и инозитолфосфат [132] IR вызывает в объемной воде высвобождение и транспорт протонов, активируя мембранные сигнальные пути и эффекты трансмембранного ионного канала [133].

Биологические эффекты и медицинские применения инфракрасного излучения

Реферат

Инфракрасное (ИК) излучение — это электромагнитное излучение с длинами волн от 760 до 100000 нм.Низкоуровневая световая терапия (LLLT) или фотобиомодуляция (PBM) обычно использует свет с длинами волн красного и ближнего инфракрасного (600–100 нм) для модуляции биологической активности. Многие факторы, условия и параметры влияют на терапевтические эффекты ИК-излучения, включая плотность энергии, освещенность, время лечения и его повторение, пульсацию и длину волны. Все больше данных свидетельствует о том, что ИК может оказывать эффекты фотостимуляции и фотобиомодуляции, особенно полезные для нервной стимуляции, заживления ран и лечения рака.Нервные клетки особенно хорошо реагируют на ИР, который был предложен для ряда приложений нейростимуляции и нейромодуляции, а недавние успехи в нервной стимуляции и регенерации обсуждаются в этом обзоре.

Применение ИК-терапии в последние годы быстро развивается. Например, была разработана ИК-терапия, которая фактически не требует внешнего источника питания, такого как материалы, излучающие ИК-излучение, и одежда, которая может работать только от тепла тела. Еще одна интересная область — возможное участие солнечного ИК-излучения в фотостарении или фотоомоложении как противоположные стороны медали, и должны ли солнцезащитные кремы защищать от солнечного ИК-излучения? Лучшее понимание новых разработок и биологических последствий ИК может помочь нам повысить терапевтическую эффективность или разработать новые методы PBM с использованием длин волн ИК.

Ключевые слова: Инфракрасная стимуляция нейронов, фотостарение, повреждение ДНК, нейрозащита мозга, АФК, АТФ, молекулы воды, нагрев

1. Введение

Инфракрасное излучение (ИК) — это тип электромагнитного излучения, включая длины волн между 780 нм. до 1000 мкм. ИК разделен на различные диапазоны: ближний инфракрасный (NIR, 0,78 ~ 3,0 мкм), средний инфракрасный (MIR, 3,0 ~ 50,0 мкм) и дальний инфракрасный (FIR, 50,0 ~ 1000,0 мкм), как определено в стандарте ISO 20473: 2007. Оптика и фотоника — Спектральные диапазоны [1].В нескольких исследованиях сообщалось, что ИК может улучшить заживление кожных ран, фотопрофилактику, облегчить боль, скованность, утомляемость при ревматоидном артрите, анкилозирующем спондилите, потенцировать фотодинамическую терапию, лечить офтальмологические, неврологические и психические расстройства и стимулировать распространение мезенхимальных и сердечных заболеваний. стволовые клетки [1–9].

Низкоуровневая световая терапия (НИЛИ) определяется как «Лечение с использованием облучения светом низкой интенсивности, так что эффекты являются реакцией на свет, а не на тепло.Используются самые разные источники света, особенно маломощные лазеры ». в Дескрипторных данных по медицинским предметным рубрикам (MeSH) за 2017 год. Фотобиомодуляционная терапия (PBM) — это «форма световой терапии, в которой используются неионизирующие формы источников света, включая лазеры, светодиоды и широкополосный свет, в видимом и инфракрасном спектре. Это нетепловой процесс с участием эндогенных хромофоров, вызывающий фотофизические (то есть линейные и нелинейные) и фотохимические явления на различных биологических масштабах. Этот процесс приводит к положительным терапевтическим результатам, включая, помимо прочего, облегчение боли или воспаления, иммуномодуляцию и ускорение заживления ран и регенерации тканей.», Как определено в Anders et al. [10]. Сейчас все согласны с тем, что «PBM-терапия» является более точным и конкретным термином для терапевтического применения света низкого уровня по сравнению с «LLLT».

Все фотобиологические реакции определяются поглощением энергии фотоакцепторными молекулами (хромофорами) во время светового облучения. Важно выяснить молекулярный механизм взаимодействия света с тканью путем идентификации молекул фотоакцепторов. Считается, что физиологические эффекты, вызванные ИК-излучением, связаны с двумя основными типами фотоакцепторов (т.э., цитохром с оксидаза и внутриклеточная вода) [11]. Поглощение фотонов преобразует свет в сигналы, которые могут стимулировать биологические процессы [12]. Воздействие инфракрасного света на динамику воды в мембранах, митохондриях и / или клетках может модулировать сигнальные пути, продукцию активных форм кислорода (АФК), АТФ (аденозинтрифосфат), Ca ²⁺ , NO и группу инозитолфосфатов [13 –16]. Вторичным эффектам всегда предшествуют первичные эффекты, включая передачу сигналов стресса, метаболические процессы, организацию цитоскелета, пролиферацию / дифференцировку клеток и гомеостаз (в зависимости от повреждения или метаболических окислительно-восстановительных потенциалов) [17, 18].Кроме того, Shapiro et al. продемонстрировали, что ИК-свет может возбуждать клетки за счет поглощения воды, при этом повышение температуры влияет на плазматическую мембрану и изменяет электрическую емкость, тем самым деполяризуя клетки-мишени [19].

Pollack et al. продемонстрировали, что вода в определенных местах внутри клеток существует как более химически / биологически активная молекула [20]. Большая часть внутриклеточной воды динамична и имеет упорядоченную структуру для поддержки жизненных процессов в биологических системах [21].Поскольку спектр электромагнитного поглощения воды в основном находится в ИК-области, поглощение фотонов может привести к быстрому увеличению внутриклеточной температуры [22], что может способствовать нежелательным физиологическим изменениям температуры, pH, осмоса и выхода АТФ [23, 24].

В течение миллиардов лет Солнце генерировало ИК-излучение, и живые организмы на Земле эволюционировали, чтобы иметь дело с ИК-излучением как важным фактором окружающей среды в зависимости от их среды обитания. Многие древние методы лечения использовали солнечный свет для заживления ран и облегчения боли.Спектр солнечного света в окружающей среде и соответствующий спектр поглощения воды показаны в [25]. Ясно, что солнечное излучение и полосы сильного поглощения воды почти совпадают. Прежде чем солнечный свет проникает в атмосферу, он имеет более однородный спектр излучения. Пока солнечный свет достигает земли, некоторые полосы поглощаются газом окружающей среды или молекулами воды в атмосфере. Поскольку человеческое тело на 70% состоит из воды, оно потенциально может накапливать большое количество энергии, которая может модулировать биологические процессы, за счет сильного резонансного поглощения инфракрасного излучения солнечного света, опосредованного молекулами воды.

Наложение спектров солнечного излучения и поглощения воды, показывающее, что наиболее значительные области перекрытия находятся в области 800–1300 нм

В последние годы сочетание технических, клинических и фотобиологических принципов стало важным для понимания терапевтические эффекты НИЛИ. Например, в последние годы системы доставки оптического волокна стали важной технологией для облегчения LLLT [26]. Волоконная оптика может передавать свет определенной длины волны на большие расстояния за счет использования полного внутреннего отражения, позволяя им изгибаться вдоль своего пути и фокусировать пятно излучения на определенной области.Хотя процедуры доставки света, необходимые для использования НИЛИ при заболеваниях легких и дыхательных путей, сложны, оптические волокна внутри игл могут применяться [27].

Кроме того, была описана неинвазивная доставка энергии на большие расстояния с использованием инфракрасного импульсного лазерного устройства (IPLD) с длиной волны 904 нм, пульсирующего с частотой 3 МГц, который, как утверждается, имеет оригинальный механизм действия, названный «фото- инфракрасная импульсная биомодуляция »(PIPBM). Устройство было применено в клинических испытаниях пациентов с запущенным раком и в случае возрастной дегенерации желтого пятна (географической атрофии) с ассоциированным неврологическим заболеванием, оно продемонстрировало достаточные доказательства его селективных, удаленных, репаративных и / или регенеративных физиологических эффектов [ 16, 28, 29].

Предыдущие клинические исследования показали, что НИЛИ имеет широкий спектр преимуществ для различных групп пациентов, различных медицинских показаний и состояний без какого-либо серьезного риска побочных эффектов. Адекватная дозиметрия важна для LLLT и PBM терапии; Появился основной принцип, названный «двухфазная доза-реакция», когда было обнаружено, что большие дозы света менее эффективны, чем меньшие дозы [30]. Этот феномен проявляется в благоприятных неврологических эффектах транскраниальной НИЛИ при черепно-мозговой травме, где результаты значительно различаются в зависимости от количества процедур и плотности энергии каждого отдельного лечения.

В данной обзорной статье будут обобщены только некоторые ключевые исследования нового приложения и научные открытия, связанные с инфракрасным излучением. Особое внимание будет уделено новым приложениям, включая материалы, излучающие ИК-излучение для одежды, инфракрасную терапию в сауне, терапию Waon и т. Д. Кроме того, мы представляем некоторые недавно появившиеся научные открытия о нервной стимуляции, фотостарении, фотоомоложении, противоопухолевом действии, регенерации нервной системы и жировой ткани. .

2. Новые разработки и применение инфракрасной терапии в биологических областях

2.1. Материалы, излучающие инфракрасное излучение для одежды

В последние годы благодаря развитию нанотехнологий функциональная спортивная одежда приобрела множество свойств, повышающих эффективность занятий спортом, эффективность и комфорт. Например, спортивная одежда должна позволять владельцу оставаться в тепле в холодную погоду и сохранять прохладу в жаркую погоду за счет отвода пота от кожи. В общем, механизм действия материалов, излучающих ИК-излучение, заключается в преобразовании тепловой энергии тела (конвекция и проводимость) в излучение в диапазоне длин волн ИК-излучения от 3 до 20 мкм, чтобы вызвать гомеостаз и фотобиомодуляцию за счет более глубокого проникновения ИК-излучения и молекулы воды. абсорбция в коже [25].Использование материалов, генерирующих ИК-излучение, возможно, полезно для улучшения кровообращения и обмена веществ в организме человека.

Предыдущие исследования показали, что эффекты IR могут активировать фибробласты, увеличивать синтез коллагена и экспрессию трансформирующего фактора роста-бета1 (TGF-beta1) в ранах крыс [31]. Предыдущие исследования показали, что включение наноразмерных частиц германия (Ge) и диоксида кремния (SiO ₂ ) в композитные волокна дает нановолокна из поливинилового спирта (ПВС).Длина волны излучения этих мембран из нановолокна находилась в диапазоне 5–20 мкм при 37 ° C и демонстрировала значение коэффициента излучения 0,891 (идеальное черное тело имеет максимальный коэффициент излучения 1) и мощность излучения 3,44 × 102 Вт · м ^{— 2} с плотностью перегородки 5,55 г / м2 ⁻² . Антимикробные свойства, вызванные дальним инфракрасным излучением, могут быть эффективными для уменьшения количества бактерий как против Staphylococcus aureus , так и против Escherichia coli на 99,9%, и показали снижение Klebsiella pneumoniae на 34.8% [32].

Футболисты использовали одежду, излучающую FIR (плотность 225 г. ^-2 , 88% излучающее дальнее ИК-излучение волокно из полиамида 66 Emana (PA66), 12% спандекс, коэффициент излучения 0,88 и излучаемая мощность 341 Вт / м ² при 37 ° C в диапазоне длин волн 5–20 мкм). Эта одежда использовалась в течение 10 часов в качестве одежды для сна в течение трех ночей подряд, чтобы уменьшить болезненность мышц с отсроченным началом через 48 часов после интенсивной плиометрической тренировки [33].

Пластырь, излучающий в дальнем инфракрасном диапазоне, применялся для терапевтического лечения остеоартрита коленного сустава.На заднюю поверхность колена пациента накладывали пластырь на 12 часов в день и 5 дней в неделю в течение 4 недель. Пластырь был изготовлен компанией Chongqing Kaifeng Medical Instrument Co. Ltd, Китай, которая предоставила пластину, покрытую запатентованным минеральным образованием, состоящим из 33 элементов, предназначенных для генерации дальнего инфракрасного излучения за счет действия радиатора. В исследовании контролировали продольное ультразвуковое сканирование переднего отдела коленного сустава.Он показал, что у пациентов из группы FIR было меньше суставного выпота (40%) по сравнению с исходным уровнем (80%) [34].

Тинг-Кай Леунг и др. использовали керамический порошок (производства Bioenergy Development Ltd, Таоюань, Тайвань) для исследований in vitro и in vivo. Его средняя излучательная способность составляла 0,98 на длинах волн 6–14 мкм с нетепловыми эффектами при комнатной температуре. Экспериментальные мишени включали клетки рака молочной железы MCF-7, клетки макрофагов, клетки меланомы, клетки миобластов, линию клеток хондросаркомы, клетки эпителия груди человека MCF-10A и колени кроликов [35].Важнейшим результатом исследований было то, что этот биокерамический препарат может снимать воспалительный артрит коленных суставов кролика [36]. Кроликам вводили внутрисуставные инъекции липополисахарида (ЛПС) для индукции стерильного воспаления, а затем помещали в клетки, окруженные слоем, содержащим биокерамику, в группе лечения. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) показала, что биокерамика способна снимать воспаление в суставах через 7 дней после инъекции ЛПС.

2.2. Инфракрасные сауны и Waon Therapy

Использование сауны в дальнем инфракрасном диапазоне для лечения основано на глубоком проникновении излучения в кожу для восстановления гомеостаза терморегуляции. У малоподвижных пациентов, страдающих остеоартритом или сердечно-сосудистыми респираторными проблемами, сауны в дальнем инфракрасном диапазоне могут быть использованы в качестве альтернативы умеренным упражнениям. Они оказывают терапевтическое действие без каких-либо побочных эффектов на застойную сердечную недостаточность, преждевременные сокращения желудочков, уровни натрийуретического пептида мозга, функцию эндотелия сосудов, потерю веса, окислительный стресс или хроническую усталость [37].

Терапия Waon означает, что тело предупреждается в инфракрасной камере в течение 15 минут при 60 ° C, затем его заворачивают в тепловые одеяла и кладут для поддержания тепла в течение дополнительных 40 минут, и, наконец, пациент пьет воду, чтобы восполнить потерю влаги. потоотделением. Он может улучшить сердечную функцию и полезен при реабилитации [38].

Терапия Waon проводилась один раз в день 5 дней в неделю в течение 2 недель. Всего в 19 центрах обследовали 76 пациентов, получавших терапию Waon, и 73 пациента из контрольной группы [39].Значения натрийуретического пептида B-типа в плазме, классификация болезней «New York Heart Association», 6-минутная ходьба и кардиоторакальный коэффициент были значительно улучшены в группе терапии Waon по сравнению с контрольной группой. Испытание продемонстрировало безопасность и эффективность для лечения этой целевой группы пациентов с хронической сердечной недостаточностью.

Терапия Waon оказывает адъювантный эффект при хронической обструктивной болезни легких. Группа Waon показала большую жизненную емкость и пиковую скорость выдоха, чем контрольная группа.Необходимы дальнейшие исследования для изучения механизма действия, в частности, может ли терапия Waon быть связана с увеличением потока NO через дыхательные пути [40].

Хроническая сердечная недостаточность вызывает дисфункцию эндотелия сосудов. Было продемонстрировано, что терапия сауной с инфракрасным излучением улучшает сосудистую эндотелиальную дисфункцию у хомяков с экспериментальной кардиомиопатией, которых лечили ежедневно с помощью экспериментальной системы сауны с дальним инфракрасным излучением в течение 15 минут. Через 4 недели мРНК артериальной эндотелиальной синтазы оксида азота (NO) (eNOS) (а также экспрессия белка) и продукция NO были значительно увеличены по сравнению с нормальным контролем [41].

3. Новые исследования инфракрасной терапии

3.1. Нейронная стимуляция

Инфракрасная нервная стимуляция (ИНС) имеет более высокое пространственное разрешение без электрохимической связи между источником и целевой тканью. Кроме того, инфракрасное излучение можно точно настроить для отражения входящего сигнала; однако потенциальными недостатками INS являются риски теплового повреждения тканей из-за передозировки энергии и ограниченная глубина стимуляции, зависящая от свойств поглощения ИК-излучения тканью [42].

Многие исследователи обнаружили, что применение непрерывного или импульсного света приводит к различным результатам в исследованиях заживления ран и регенерации тканей [43]. Низкочастотный импульсный ИК-лазер значительно стимулировал образование костных узлов в клетках свода черепа крысы in vitro с помощью низкоэнергетического Ga-Al-As-лазера (2 Гц, 830 нм, 500 мВт, 0,48 3,84 Дж / см ² ) [44 ]. Что касается INS, считается, что порог безопасности включает недопущение нагрева ткани в зависимости от нейронных целей, длины волны, частоты импульсов, мощности и т. Д. [45, 46].ИНС для кохлеарного имплантата сравнима с электростимуляцией, в то время как другие нейронные мишени могут иметь более низкие пороги безопасности для ИНС. Импульсный диодный лазер с длиной волны 1,844 1,873 мкм м, длительностью импульса 35 ~ 1000 мкс, частотой повторения 2 Гц был использован для выявления составных потенциалов действия. Результаты показали, что длительность импульса 35 мкс была достаточной для выявления сложных потенциалов действия из улитки. Для проведения составного потенциала действия 50 мкм пиковая мощность была постоянной для длительностей импульсов 100 мкс ~ 1000 мкс, но показывала более высокую пиковую мощность при длительности импульса 35 мкс [47].

Одним из возможных механизмов ИНС являются фототермические эффекты, вызванные поглощением энергии водой, а не фотохимическими реакциями, которые могут происходить с излучением, обладающим большей энергией фотонов (более короткой длиной волны), или фотомеханическими волнами давления [48]. Термочувствительный ионный канал, называемый «временный рецепторный потенциал ваниллоида 1» (TRPV1), является возможным рецептором, который стимулируется во время INS. TRPV1 может активироваться термически за счет лучистой энергии, поглощаемой водой, присутствующей в нервной ткани.Поскольку у большинства мышей с нокаутом TRPV1 не было ответа на ИК-оптическую стимуляцию улитки, о чем свидетельствует отсутствие какого-либо потенциала действия, передаваемого в слуховом нерве во время ИК-воздействия (λ = 1,85, 1,86 мкм), это наблюдение подтвердило гипотезу о вовлечении TRPV1. в генерации потенциала действия с помощью ИК-излучения [49]. Кроме того, изолированные клетки сетчатки и вестибулярного ганглия грызунов были использованы для наблюдения реакции, вызванной ИК-лазером. Добавляя блокаторы каналов TRPV1 и TRPV4 для идентификации первичных эффекторов, исследование пришло к выводу, что каналы TRPV4 вызывают сенсорный нейрональный ответ, запускаемый ИК-лазерным излучением (λ = 1.87 мкм) [50].

Внутриклеточный Ca ²⁺ является важным вторичным посредником для различных биологических процессов, таких как сокращение гладких мышц, высвобождение нейромедиаторов и регуляция сигнальных путей [51]. После воздействия ИК-излучения (1862 нм) в кардиомиоцитах желудочков новорожденных крыс наблюдалось быстрое повышение уровня внутриклеточного кальция до частоты пульсации в клетках [52]. Используя флуоресцентный анализ, ИК-импульсы 1862 нм (0,2-1 Гц) могут стимулировать как вызванные ИК-излучением, так и спонтанные кальциевые события.ИР-вызванные кальциевые события имели меньшую амплитуду и более короткие временные константы по сравнению со спонтанными кальциевыми событиями. Был использован митохондриальный ингибитор Ca ²⁺ , который подтвердил гипотезу о том, что импульсное ИК-излучение регулирует Ca ²⁺ в митохондриях через митохондриальный обменник Na ⁺ / Ca ²⁺ и митохондриальный унипортер Ca ²⁺ .

В 2016 году Ken Zhao et al. рассмотрели применение INS, сосредоточив внимание на его способности стимулировать различные типы нейронов оптическим излучением, включая лицевой нерв, улитку, вестибулярную систему и кору [53].Они пришли к выводу, что ИК-излучение в основном поглощается водой ».

Периодическое инфракрасное фемтосекундное лазерное излучение (780 нм) было замечено для синхронизации отдельных или небольших групп кардиомиоцитов в качестве «оптического водителя ритма» [54]. В этом исследовании мощность ИК-лазера была адекватно отрегулирована, чтобы вызвать периодическое высвобождение кальция и избежать перепроизводства кальция в цитозоле. Лазер применялся со средней общей мощностью от 15 до 25 мВт. Кальциевый ответ с синхронизацией в изолированных кардиомиоцитах (или конкретной клетке в группе кардиомиоцитов) зависел от средней мощности лазера на целевой клетке.

Предыдущие исследования показали, что импульсное ИК-излучение с длиной волны 1860 нм или 790 ~ 850 нм стимулировало потенциалы действия во многих различных типах нервных клеток, таких как седалищные клетки, слуховые нервы и кардиомиоциты [52, 55, 56]. Полукружный канал crista ampullaris жабы (который функционирует как орган баланса внутреннего уха) был чувствителен к ИК-излучению (1862 нм) [57]. При облучении сенсорного эпителия различными типами ИК-импульсов наблюдалась активация фазовых тормозных и возбуждающих афферентных ответов.Однако при тепловой стимуляции сенсорного эпителия не наблюдалось синхронизированных по фазе потенциалов действия афферентного нерва.

Кроме того, ИК-лазер (λ = 1450 нм и 1860 нм) может временно подавлять распространение потенциалов действия в эндогенных немиелинизированных и миелинизированных аксонах. ИК-лазер, подаваемый с помощью оптического волокна 200 мкм, подавался между электростимуляцией, производимой микропипеткой, и нервом. регистратор сигналов. Данные показали, что потенциал действия, индуцированный электростимуляцией, блокируется инфракрасным излучением, включая сокращение мышц при аплизии и проведение у крыс седалищного нерва.

Кроме того, для оценки пространственной селективности остро поврежденной улитки у морской свинки применялся импульсный ИК-лазер (1,86 мкм). Нейронный ответ нижнего холмика был преобразован в кривые пространственной настройки, чтобы сравнить различия между акустически вызванными ответами и реакциями, вызванными ИК-импульсом [58]. Большинство кривых пространственной настройки указывают на то, что оптическая стимуляция может активировать селективные популяции нейронов таким же образом, как и акустическая стимуляция; только 10% профилей невозможно было проанализировать или сопоставить.

Основным недостатком INS является отложение тепла в тканях, что может стать препятствием для разработки имплантируемых устройств для таких применений, как искусственная улитка. Недавно был разработан гибридный метод электрооптической стимуляции, сочетающий ИНС с электростимуляцией [59, 60]. Седалищный нерв задней конечности крысы облучали импульсным диодным лазером (λ = 1875 нм) во время электростимуляции. Кроме того, было обнаружено, что повышение температуры нервной ткани, вызванное оптической стимуляцией, может усиливать гибридную электрооптическую стимуляционную реакцию нервов.

3.2. Воздействие инфракрасного излучения на кожу: фотостарение против фотоомоложения

В последние годы фотодерматологические исследования достигли огромного прогресса в понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе положительных и отрицательных эффектов, которым кожа человека может подвергаться в ответ на воздействие инфракрасного излучения. В большинстве исследований для освещения ИРА использовались искусственные источники света. Это позволяет определить наиболее эффективную длину волны, мощность и плотность потока энергии для облучения объектов, чем при использовании окружающего инфракрасного излучения солнца, содержащего несколько длин волн, которое может вызывать тепловую индукцию MMP-1 и индуцированную фотозащиту кожи человека [61] .

Поскольку кожа человека постоянно подвергается воздействию инфракрасного излучения окружающей среды, эта энергия может косвенно или прямо стимулировать выработку свободных радикалов или АФК. Многие исследователи обнаружили, что кратковременная вспышка ИК-индуцированных АФК может быть полезной для фотоомоложения. ИК-излучение (8 ~ 12 мкм м), используемое для заживления ран на всю толщину кожи у крыс, показало увеличение высвобождения фактора роста и противовоспалительного цитокинового трансформирующего фактора роста-β1 (TGF-β1), который приводит к активации фибробластов для лучшего заживления ран [31].Кроме того, инфракрасное излучение (λ = 950 нм) использовалось для прямой стимуляции пролиферации фибробластов, что привело к увеличению пролиферации фибробластов in vitro [62].

Предполагается, что молекулярный механизм NIR-излучения (λ = 810 нм) для генерации митохондриальной передачи сигналов в клетках млекопитающих обусловлен активацией фотоакцептора, называемого цитохром с оксидазой (CCO). Световая активация CCO стимулирует митохондриальную респираторную цепную реакцию с образованием ROS и приводит к активации NF-κB в эмбриональных фибробластах [13, 63].Кроме того, поглощение ИК-излучения PBM структурированной внутриклеточной водой может вызывать дополнительные изменения в колебательной энергии молекул и влиять на третичную конформацию ферментов, ионных каналов и других белков. Эти относительно небольшие изменения в структуре белка могут активировать сигнальные пути (например, за счет инозитолфосфатов), что приводит к активации факторов транскрипции и изменениям в экспрессии генов [64, 65].

Кроме того, первичные дермальные фибробласты человека анализировали с помощью микроматричного анализа после облучения ИРА in vitro.Анализ микроматрицы показал, что 599 IRA-регулируемых генов дифференциально экспрессируются в первичных дермальных фибробластах человека, которые имеют отношение к метаболическим процессам во внеклеточном матриксе, гомеостазу кальция, передаче сигналов стресса и регуляции апоптоза [17]. Это исследование также показало, что IRA приводит к генерации АФК как внутри, так и вне митохондрий. Авторы предположили, что для активации экспрессии генов могут быть задействованы три основных сигнальных пути, включая митоген-активируемые протеинкиназы (MAPKs), кальций и интерлейкин 6 / сигнальный трансдуктор и активатор пути транскрипции 3 (STAT3).Кроме того, гены, индуцированные IRA, значительно отличались от генов, индуцированных УФ-излучением. Это открытие означает, что разные длины волн света могут приводить к определенным сигнальным путям в дермальных фибробластах человека.

Однако свободные радикалы и АФК, индуцированные ИК-излучением, могут быть обоюдоострым мечом: в низких дозах они могут активировать защитные реакции, но в высоких дозах АФК могут повреждать органеллы и клетки кожи, что приводит к фотостарению. Многие исследования показали, что ИК-излучение в диапазоне от 760 до 1000 нм участвует в фотостарении и фотоканцерогенезе кожи человека [66].Механизм ИК-излучения, повреждающего кожу, основан на активации матричной металлопротеиназы-1 (MMP-1), которая опосредуется стимуляцией пути p38-MAPK и сигнальных путей киназы 1/2 (ERK1 / 2), регулируемой внеклеточными сигналами. ответ на облучение ИРА. Когда кожа человека облучается однократным или многократным нанесением (один раз в неделю в течение 4 недель) ИК-излучения, это может привести к различной экспрессии проколлагена типа I и более высокой экспрессии TGF-β1, -β2 и -β3 [67, 68].

Кроме того, для облучения кожи человека использовалась инфракрасная лампа с максимальным излучением при 1100 ~ 1120 нм.Кровеносные сосуды, окрашенные маркером эндотелиальных клеток CD31, были увеличены инфракрасным излучением, вероятно, за счет повышения регуляции фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и подавления антиангиогенного фактора тромбоспондина-2 (TSP-2) в эпидермисе кожи [69 ].

IRA радиационно-индуцированные свободные радикалы могут в разной степени снижать содержание антиоксидантов, таких как каротиноиды, в коже человека. Особенно каротиноид, ликопин быстро снижается по сравнению с бета-каротином [70]. Для исследования образования свободных радикалов в коже человека во время воздействия ИК-излучения использовались многие неинвазивные измерения, такие как резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния, спектроскопия отражения и измерение цвета кожи [71, 72].

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса основана на резонансном поглощении микроволнового излучения путем согласования разности энергий спинов свободного неспаренного электрона в магнитном поле, и можно измерить обращение спина и поглощение микроволновой энергии [73]. Следует учитывать эффект вращения в тканевой воде со значительным демпфированием, вызванным резонансным поглощением микроволнового излучения, чтобы избежать последствий высокого импеданса на этом частотном уровне (10 ⁹ Гц).В предыдущих исследованиях на коже 17 добровольцев параллельно использовались резонансная рамановская спектроскопия и спектроскопия электронного парамагнитного резонанса. Нитроксид-радикалы (со свободным неспаренным электроном на атоме азота) использовали для определения антиоксидантной способности кожи in vivo. Результаты показали, что скорость уменьшения нитроксида коррелирует с концентрацией кожных каротиноидов [74].

Антиоксидантный механизм каротиноидов заключается в подавлении синглетного кислорода его системой двойных связей сопряженного углерода.Концентрация каротиноидов может указывать на полный уровень антиоксидантов в коже человека [75]. Резонансная рамановская спектроскопия — это неинвазивный оптический метод для устранения влияния неоднородностей и измерения концентрации каротиноидов в коже [76].

Кроме того, IRA-индуцированное истощение каротиноидов у десяти добровольцев было проанализировано с помощью резонансной рамановской спектроскопии, а распределение концентрации каротиноидов по глубине на ладонной части предплечья было определено с помощью конфокальной рамановской микроскопии [77].Результаты показали, что после воздействия IRA-излучения концентрация каротиноидов сразу же снижалась и сохранялась до 60 минут после воздействия. Первоначальный уровень исходной концентрации антиоксиданта восстановился через 24 часа после воздействия.

АФК, вызванные высокими дозами ИРА, могут значительно снизить уровень антиоксидантов in vivo. Это следует учитывать, и кожу следует подвергать воздействию только низких и умеренных доз IRA-излучения, чтобы избежать повреждения тканей и фотостарения. Баролет и др. В статье, озаглавленной (Инфракрасное излучение и кожа: друг или враг?) [3], подчеркнули выраженное двухфазное дозовое воздействие ИК на кожу.Благоприятные эффекты низких доз ИК на кожу включали фотозащиту от повреждений, вызванных УФ-излучением, фотоомоложение, уменьшение пигментных поражений и уменьшение количества тонких линий и морщин. Таким образом, данные в целом подтверждают вывод о том, что оптимальные параметры света имеют решающее значение для различного применения НИЛИ и ПБМ, особенно на коже, но также и на других системах органов [78].

Тепловое воздействие, вызванное инфракрасным излучением, может быть патологическим для кожи. Когда температура кожи превышает 39 ° C во время ИК-облучения, это может вызвать образование АФК и патологические эффекты из-за изменений структурной целостности, вызванных индукцией ферментов в коже [79].Кроме того, регуляция экспрессии белка аквапорина 3 участвует в функциональных механизмах интенсивного импульсного света на длине волны 560 нм, который играет важную роль в гомеостазе кожи для транспортировки отходов и малых молекул растворенных веществ [80].

Как упоминалось выше, высокие температуры кожи могут активировать термочувствительные ионные каналы семейства TRPV1, увеличивая концентрацию внутриклеточного Ca ²⁺ внутри клетки и последующую активацию сигнальных путей [81, 82].

3.3. Противоопухолевое действие

За последнее десятилетие в ряде исследований было обнаружено, что ИК-излучение может вызывать некоторые повреждения ДНК в раковых клетках [83–85]. Предлагаемый механизм связан с окислительным стрессом. ИК влияет на цепь переноса электронов, генерируя АФК, которые не только стимулируют передачу сигнала на умеренных уровнях, но также могут напрямую повреждать клеточные органеллы при их чрезмерном генерировании. Сообщалось, что индуцированные IR митохондриальные АФК способны повреждать митохондриальную ДНК человека (мтДНК), которая принимает форму кольцевой двухцепочечной молекулы длиной 16 559 п.н., содержащей 37 генов, что приводит к изменению функции дыхательной цепи [86].Кроме того, мутации мтДНК играют важную роль в патологических аномалиях. К настоящему времени обнаружено более 100 точечных мутаций в мтДНК [87].

Частота мутаций мтДНК значительно выше, чем у ядерной ДНК. Это связано с тем, что механизмы репарации ДНК против вызванного окислительным стрессом повреждения ДНК не так эффективны в митохондриях, как в ядре клетки. Это относится к объемным повреждениям ДНК или фотопродуктам, таким как фотопродукты пиримидин (6–4) пиримидона или димеры циклопиримидина [88].Кроме того, мтДНК расположена в непосредственной близости от цепи переноса электронов, которая имеет наибольшее количество индуцированных ИК-излучением АФК на стороне клетки. Следовательно, высока вероятность того, что АФК вызывают повреждение мтДНК и запускают каскад апоптоза и гибели клеток.

Чтобы уточнить внутриклеточное расположение IRA-индуцированных АФК, для предварительной обработки человеческих фибробластов использовали антиоксиданты [17]. Антиоксидант N-ацетил-цистеин может повышать уровень внутриклеточного глутатиона [89], улавливать активные формы кислорода во всех различных клеточных компартментах и, следовательно, способен подавлять все изменения в экспрессии генов, индуцированных IRA.Однако IRA по-прежнему активирует гены, связанные с ROS, если MitoQ используется в качестве антиоксиданта, который был разработан для удаления ROS, специфически возникающих внутри митохондрий [90]. Это означает, что другие хромофоры, активируемые IRA в различных клеточных компартментах, могут участвовать в индуцированном IRA образовании ROS, и не ограничиваются исключительно митохондриями. Более того, индуцированная IRA экспрессия фермента MMP-1 в первичных фибробластах кожи человека может быть снижена антиоксидантами, такими как аскорбиновая кислота, (α) -токоферол, эпигаллокатехингаллат, (-) — эпикатехин или фенилпропионовая кислота [91].Вдобавок было предложено, что фермент MMP-1 ведет себя как «храповик броуновского движения», управляемый динамикой воды, которая может стимулироваться инфракрасным светом. Например, активированная коллагеназа (MMP-1) действует как молекулярный храповик, участвуя в ремоделировании тканей и взаимодействиях с клеточным матриксом [92]. Следовательно, можно применять соответствующие антиоксиданты для защиты от преждевременного старения кожи, вызванного излучением IRA. Клеточные линии рака молочной железы человека MDA-MB-231, MCF7, T47D и нормальные эпителиальные клетки молочной железы (184B5) были облучены MIR (λ = 3.0 ~ 5,0 мкм). Количественный протеомный анализ был использован для изучения MIR-регулируемых физиологических реакций клеток рака молочной железы, включая остановку клеточного цикла G ₂ / M, ремоделирование сети микротрубочек до расположения астрального полюса, изменение цитоскелета актина и уменьшение количества клеток. миграционная активность [85].

Chang et al. продемонстрировали, что ИК-излучение (3 ~ 5 мкм) может вызывать набухание и остановку клеточного цикла в фазе G ₂ / M в клетках рака легкого A549 [84].ИК-излучение также может ингибировать фосфорилирование циклин-зависимой киназы 1 (CDK1) и циклина B1, что приводит к остановке прогрессирования клеточного цикла. Кроме того, перинуклеарное распределение актиновых филаментов в клетках рака легкого предполагает, что окислительный стресс, вызванный ИК-излучением, влияет на остановку клеточного цикла, реорганизацию цитоскелета и влияет на баланс антиоксидантов [93]. Это исследование также показало, что ИК-излучение запускает ось ATM / ATR-p53-p21 в ответ на повреждение ДНК, что приводит к образованию ядерных фокусов 53BP1 и c-h3AX и активации пути ATM / ATR-p53-p21, участвующего в Ремонт ДНК.Эти данные предполагают, что ИК-излучение индуцировало систему репарации ДНК в ответ на повреждение ДНК.

FIR (4 ~ 1000 мкм) излучение вызывает молекулярные колебания, приводящие к повышению температуры внутри клеток, и может вызвать локальный тепловой стресс в окружающей среде. Индукция белка теплового шока (HSP) 70 может ингибировать высвобождение цитохрома с из митохондрий, что является предшествующей стадией апоптоза [94]. Предыдущая литература показала, что низкая базальная экспрессия HSP70 и изменения клеточной морфологии наблюдались в FIR-чувствительных клеточных линиях HSC3, Sa3 и A549 [95].

Кроме того, FIR индуцировал клеточную гипертрофию и подавлял пролиферацию раковых клеток A549 (легкие), HSC3 (язык) и Sa3 (десна) за счет остановки клеточного цикла G ₂ / M за счет сверхэкспрессии гена ATF3 [96]. Ген ATF3 участвует в реакции на изменения внеклеточного или внутриклеточного микросреды, клеточного гомеостаза, клеточного цикла и гибели клеток [97]. Однако ИК-излучение не влияло на экспрессию гена ATF3 и гипертрофию клеток в раковых клетках A431 (вульва) или MCF7 (груди).Эти результаты показывают, что FIR-излучение подавляет пролиферацию раковых клеток в зависимости от конкретного типа клеток и может быть эффективным средством лечения некоторых видов рака.

Предыдущие исследования показали, что ионизирующая лучевая терапия в сочетании с паклитакселом может усиливать терапевтический эффект [98]. Паклитаксел стабилизирует микротрубочки и приводит к гибели клеток, ингибируя сегрегацию хромосом, нарушая сборку веретена во время деления клеток и вызывая остановку клеточного цикла в фазе G ₂ / M.Кроме того, паклитаксел также активирует несколько путей митохондриальной цитотоксичности, изменяя проницаемость пор в митохондриях, рассеивая потенциал митохондриальной мембраны, высвобождая цитохром с из межмембранного пространства и формируя АФК [99]. Клетки рака шейки матки человека HeLa, обработанные паклитакселом в сочетании с облучением MIR (3,6, 4,1 и 5,0 мкм), показали улучшенный противоопухолевый эффект [100]. IR может снизить дозировку паклитаксела при клинической противоопухолевой химиотерапии, чтобы избежать тяжелых побочных эффектов, вызванных паклитакселом, таких как снижение количества лейкоцитов, выпадение волос, диарея, язвы во рту и реакции гиперчувствительности.

3.4. Нервная и жировая регенерация

Транскраниальная стимуляция мозга инфракрасным излучением — это использование когерентного или некогерентного света для реабилитации нейродегенеративных заболеваний мозга или черепно-мозговых травм, а также для модуляции нейробиологической функции за счет нетеплового эффекта; однако молекулярный механизм ИК-стимуляции мозга до сих пор неясен.

Чтобы прояснить клеточный механизм лечения NIR-лазером у пациентов с острым ишемическим инсультом, модель эмболического инсульта кроличьего тромба была использована для оценки содержания кортикального АТФ после лечения лазером 808 нм [101].БИК-лазер в импульсном или непрерывном режиме может повысить содержание АТФ в коре головного мозга кроликов по сравнению с имитацией эмболии кроликов, особенно импульсный волновой режим дал значительно большее увеличение содержания АТФ в кортикальном слое.

Диодный лазер на основе Ga-Al-As с длиной волны 810 нм, импульсный с частотой 10 Гц, 100 Гц и непрерывный режим, с плотностью мощности 50 мВт / см ² в течение 12 минут, использовался для освещения головы мыши с экспериментальной черепно-мозговой травмой (ЧМТ). Мышей умерщвляли и анализировали через 2, 15 и 28 дней после TBI.Так же, как размер поражения и количество продукции АТФ, частота импульсов 10 Гц лучше всего влияла на неврологические функции [102]. Это исследование показало, что ритм 4 ~ 10 Гц, возникающий в области гиппокампа в нормальном мозге мышей, может войти в положительный резонанс с частотой лазерного импульса 10 Гц для улучшения нейрореабилитации мышей с ЧМТ.

Лазер с длиной волны 808 нм может также способствовать мозговому кровотоку и повышать уровень оксида азота у мышей [103]. Было высказано предположение, что инфракрасный лазер может стимулировать мозговое кровообращение за счет высвобождения NO, а также активировать нейропротективные пути для уменьшения количества апоптотических клеток в гиппокампе.

Существует множество гипотез, объясняющих дегенерацию нейронных процессов при болезни Паркинсона, включая снижение уровней дофаминергических нейронов в черной субстанции, присутствие цитоплазматических включений и аномальное увеличение альфа-синуклеин-положительных аксонов в выживших нейронах [104].

В попытке исследовать снижение аксонального транспорта, вызванное болезнью Паркинсона, скорость митохондриального движения в трансмиссионно-цибридных нейрональных клетках человека была измерена во время лечения диодным лазером с длиной волны 810 нм [105].Кибриды — это нейроны, в которых собственные митохондрии заменены больными митохондриями, полученными из других клеток (например, полученных от пациентов с болезнью Паркинсона). Скорость митохондриального движения в цибридных нейритах при болезни Паркинсона была значительно увеличена после воздействия ИК-излучения в течение двух часов. Было высказано предположение, что лечение ИК-лазером может подавлять нейродегенеративные симптомы у пациентов с болезнью Паркинсона.

Кроме того, трансгенных мышей-предшественников белка амилоида-β (мышиная модель болезни Альцгеймера) лечили 3 раза в неделю различными дозами ИК-лазера с длиной волны 808 нм [106].Уровни пептида амилоида-β головного мозга, пептида β амилоида-β в плазме и пептида β-амилоида-β спинномозговой жидкости, а также количество бляшек β-амилоида в головном мозге были снижены путем обработки ИК-лазером в зависимости от дозы. Кроме того, индуцированная ИК-лазером генерация АТФ может также улучшить сохранение нейронов и ингибировать образование амилоидных бляшек.

Эти данные, вместе взятые, показывают, что ИК-излучение может стимулировать рост жизнеспособности клеток и факторы роста, которые вызывают потенциальные терапевтические эффекты при повреждении или дегенеративном заболевании головного мозга.Заболеваниям головного мозга, включая ЧМТ, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и инсульт, могут улучшаться за счет индуцированного ИР синтеза АТФ, продукции фактора роста, противовоспалительных эффектов и антиапоптоза. [107]. Более того, недавнее исследование также указывает на то, что пролиферация и дифференцировка стволовых клеток, полученных из жировой ткани, регулируются инфракрасным излучением 980 нм, которое, как предполагается, воздействует на каналы ионов кальция с регулируемой температурой, в то время как ИК-излучение 810 нм стимулирует выработку АТФ за счет поглощения фотонов CCO [ 108].

Следует отметить, что ИК-излучение 810 нм не только поглощается CCO, но также на малых уровнях поглощается водой. Хотя ИК-спектр с длиной волны 980 нм не сильно поглощается CCO, он в основном поглощается водой [25].

обобщает отчеты об использовании ИК-излучения для взаимодействия с клетками и тканями. В нем также освещаются некоторые медицинские применения ИК-излучения. Предполагается, что длины волн источников света соответствуют спектру поглощения молекул CCO или воды.

Таблица 1

Различные медицинские применения ИК-излучения для различных клеток и тканей.

Нейронная регенерация

Медицинское применение	Автор, ссылка	Цель	Источник света или материал	Длина волны	Результаты
Заживление ран	Toyokawa et al. [31]	Кожная рана у крысы	Лист с керамическим покрытием	5,6 ~ 25 мкм (максимальная интенсивность 8 ~ 12 мкм)	Способствует заживлению ран и экспрессии TGF-β1
Заживление ран	Гупта и другие.[109]	Кожные ссадины у мышей	Диодный лазер	810 нм	Повышенное накопление коллагена и эффекты заживления
Заживление ран	Santana-Blank et al. [110, 111]	Мягкие ткани крысы	Диодный лазер	904 нм	Способствует заживлению ран и росту зоны исключения (EZ) (1H-ЯМР 1 / T2)
Заживление ран	Santana-Blank et al. al. [111] Rodríguez-Santana et al.[112]	Мягкие ткани у крысы	Диодный лазер	904 нм	Способствует заживлению ран, мембранный эффект измерен с помощью тау 1H-ЯМР (c)
Нейронная стимуляция	Wells et al. [55]	Седалищный нерв крысы	Лазер на свободных электронах	2,1, 3,0, 4,0, 4,5, 5,0 и 6,1 мкм	Создает пространственно-селективный ответ в небольших пучках седалищного нерва
Нейральная стимуляция	Jenkins et al.[113]	Сердце взрослого кролика	Диодный лазер	1,851 мкм	Индуцированная оптическая стимуляция сердца взрослого кролика
Нейронная стимуляция	Izzo et al. [56]	Слуховой нерв песчанок	Гольмий: YA G-лазер	2,12 мкм	Оптическое излучение стимулировало амплитуды ответа улитки
Нейронная стимуляция	Duke et al. [60]	Седалищный нерв крысы	Диодный лазер	1.875 мкм	Гибридная электрооптическая стимуляция вызвала устойчивые сокращения мышц и снизила требования к мощности лазера
Нейронная стимуляция	Shapiro et al. [19]	Клетки HEK-293T	Диодный лазер	1,889 мкм	Временное изменение электрической емкости мембраны во время оптической стимуляции
Фотостарение	Darvin et al. [76]	Кожа человека	Радиатор с фильтром для воды	600 ~ 1500 нм	Образованные свободные радикалы и пониженное содержание антиоксидантов β-каротина
Фотостарение	Schroeder et al.[91]	Кожные фибробласты человека	Фильтрованный водой источник ИК-излучения	760 ~ 14 40 нм	Повышенная экспрессия MMP-1 в дерме
Antitum or Action	Tsai et al. [100]	Клетка рака шейки матки HeLa	Тепловой излучатель с волноводом	3,6, 4,1 или 5,0 мкм	Вызвал коллапс мембранного потенциала митохондрий и повышение окислительного стресса.
Antitum or Action	Chang et al.[84]	Клетки рака груди и нормальные эпителиальные клетки груди.	Источник черного тела с фильтром 3 ~ 5 мкм	3 ~ 5 мкм	Вызвал остановку цикла раковых клеток G 2 / M, реконструировал сеть микротрубочек и изменил образование актиновых филаментов
Antitum or Action	Tanaka et al. [83]	Клетки аденокарциномы легкого A549	БИК-излучатель, снабженный фильтром для воды	1,1 ~ 1,8 мкм	Активировал путь ответа на повреждение ДНК
Antitum or Action	Yamashita et al.[96]	Раковые клетки A431 (вульва), A549 (легкие), HSC3 (язык), MCF7 (грудь) и Sa3 (десна)	Инкубатор излучающей панели FIR путем покрытия углеродом / диоксидом кремния / оксидом алюминия / титаном оксидная керамика	4 ~ 20 мкм (максимум от 7 до 12 мкм)	Подавляет пролиферацию раковых клеток за счет усиления экспрессии гена ATF3
Antitum or Action	Santana-Blank et al. [114]	Солидная опухоль Клиническое испытание	Диодный лазер	904 нм	88% противоопухолевый эффект.Десять лет наблюдения
Antitum or Action	Santana-Blank et al. [115]	Цитоморфология солидных опухолей	Диодный лазер	904 нм	Избирательный апоптоз, некроз, аноикис в опухолевых тканях онкологических больных
Antitum or Action	Santana-Blank et al. [116]	Солидная опухоль T 2w МРТ-микродезитометрия	Диодный лазер	904 нм	Доказательства наличия межфазной водоизоляционной зоны (EZ) как предиктора противоопухолевого ответа у онкологических больных
Antit Акция	Santana-Blanket al.[117]	Уровни цитокинов субпопуляций периферических лейкоцитов в сыворотке крови твердых опухолей	Диодный лазер	904 нм	Иммуномодуляция TNF-α sIL-2R и CD4 + CD45 RA + и CD25 + активированных
Naeser et al. [118]	Легкая черепно-мозговая травма	NIR-диоды	870 нм	Улучшение когнитивных функций, улучшение сна и симптомы посттравматического стрессового расстройства
Регенерация нейронов мозга	Lapchak et al.[101]	Инсульты у эмболизированных кроликов	Лазерный источник	808 нм	Повышенное содержание кортикального АТФ
Регенерация жировой ткани	Wang, Y., et al. [108]	стволовые клетки, полученные из жировой ткани человека	Диодный лазер	810 нм 980 нм	Стимулирование пролиферации и дифференцировки

4 Обсуждение

LLLT и / или PBM были использованы для широкого диапазона различных медицинских показаний в последние годы, а клеточные и молекулярные механизмы действия НИЛИ в настоящее время изучены лучше, чем в прошлые десятилетия.

Большинство исследований предполагают, что хромофоры, ответственные за эффекты PBM, можно в первую очередь классифицировать как митохондриальные хромофоры, такие как CCO.

Предыдущие исследования определили, что хромофор PBM с использованием длин волн красного или ближнего инфракрасного диапазона является митохондриальным CCO. CCO является одним из четырех белковых комплексов (единица IV), составляющих цепь переноса электронов, которая осуществляет транспорт электронов на внутренней митохондриальной мембране, в конечном итоге создавая электрохимический протонный градиент для конечного фермента АТФ-синтазы (единица V) для преобразования АДФ (аденозиндифосфата). ) для производства АТФ [119, 120].LLLT может увеличивать активность фермента CCO для облегчения транспорта электронов и увеличения производства АТФ [121]. Более того, было обнаружено, что спектр действия биологической реакции в ближнем ИК-диапазоне соответствует спектрам поглощения CCO в ближнем ИК-диапазоне, относящимся к митохондриальным хромофорам [63, 122–124]. Поглощение цитохром с оксидазы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра хорошо согласуется со спектром действия по увеличению синтеза ДНК в клетках млекопитающих. CCO имеет два медных центра Cu _A и Cu _B и два гемовых центра, гем _A и гем _B .Каждый из этих металлических центров может находиться в окисленном или восстановленном состоянии, что дает в общей сложности 16 возможностей. Различные фотоакцепторы были отнесены к разным окислительно-восстановительным состояниям CCO, полоса 820 нм была отнесена к окисленной форме хромофора Cu _A CCO, полоса 760 нм к восстановленной пене Cu _B , полоса 680 нм к окисленному Cu _B и полосе 620 нм к восстановленному Cu _A [13, 63].

С другой стороны, несколько других исследований показали, что другим возможным механизмом PBM, особенно на длинах волн FIR и MIR, является поглощение излучения молекулами воды.Pollack et al. продемонстрировали, что лучистая энергия может генерировать зону отчуждения (EZ) на границе раздела воды, которая обладает правильным типом гидрофильного / гидрофобного баланса [65, 125]. Вода EZ может накапливать электрические заряды и выделять до 70% потребляемой энергии.

Клеточные мембраны характеризуются наличием тонкого (нанометрового) слоя воды, которая накапливается на гидрофобных поверхностях [126]. Очень небольшое количество ненагревающего ИК-излучения может передавать относительно небольшие количества колебательной энергии наноструктурированным слоям воды и может нарушать ее структуру и структуру соседних молекул, не вызывая какого-либо эффекта объемного нагрева (т.е.е. не вызывая заметного повышения температуры) [127]. Градиенты вязкости внутримитохондриальной воды идентифицированы методом наноиндентирования [128]. Синтез АТФ может уменьшаться и увеличиваться в ответ на модуляцию уровней активных форм кислорода, вызванную нетепловыми уровнями NIR. Возможный механизм управления этим «митохондриальным наномотором» заключается в том, что NIR может увеличивать оборот АТФ за счет снижения вязкости межфазных слоев воды. Недавно Сантана-Бланк и др.предположили, что внешняя электромагнитная (световая) энергия может активировать кислород-зависимые и кислородно-независимые пути, основанные на взаимодействиях воды и света [129]. В результате взаимодействия воды и света и механизмов передачи энергии ИК-излучение создает межфазную EZ-воду в качестве селективной перезаряжаемой электролитической биобатареи [130]. Световая энергия в кислородзависимых путях генерирует высокоэнергетические молекулы, называемые нуклеотид-фосфатами, включая АТФ и ГТФ. Взаимодействие с водой и светом в кислородно-независимом пути приводит к фотоиндуцированным нелинейным колебаниям в воде, которые могут обеспечивать энергией клеточные реакции, включая метаболизм, передачу сигналов и транскрипцию генов.

Недавно Ван и др. Показали [108], что две разные длины волн ближнего ИК-диапазона влияют на стволовые клетки, полученные из жировой ткани, посредством совершенно разных механизмов действия. Лазер с длиной волны 810 нм был предложен для активации CCO, приводящей к продукции АТФ и кратковременной вспышке ROS, но не влиял на внутриклеточный кальций. Напротив, лазер с длиной волны 980 нм также увеличивал АТФ и АФК, но при гораздо более низких плотностях потока (от одной десятой до одной сотой), и увеличивал цитозольный кальций, в то же время снижая митохондриальный кальций. Действия NIR 980 нм, но не действия NIR 810 нм, могут быть отменены ингибиторами кальциевых ионных каналов, такими как TRPV.Нагревание клеток или охлаждение клеток аннулировали эффекты 980 нм, но не 810 нм. Это исследование показало, что 980 нм может работать, воздействуя на наноструктурированные слои воды в ионных каналах TRPV, в то время как 810 может напрямую активировать активность фермента CCO. графически суммирует два наиболее важных предполагаемых биологических механизма действия ИР.

Предлагаемые механизмы действия ИР на молекулярном и клеточном уровне. TRPV = временный рецепторный потенциал ваниллоида; ROS = активные формы кислорода; АТФ = аденозинтрифосфат.

Помимо понимания фотобиологических механизмов LLLT / PBM с использованием длин волн FIR / MIR и NIR, важно разработать параметры света с учетом клинического опыта и желаемой терапевтической цели для достижения оптимальных медицинских и биологических эффектов, как показано на. В клинической практике эффект двухфазной реакции на дозу критически важен для получения оптимальных клинических результатов [30]. Другой руководящий принцип заключается в том, что повторение лечения ежедневно (или даже более или менее часто) до тех пор, пока рана не заживет или не наступит ремиссия заболевания, лучше, чем однократное применение НИЛИ.НИЛИ можно сравнить с питательной пищей для человеческого организма; адекватное ежедневное потребление лучше всего.

Обзор детерминант и факторов, которые следует учитывать при инфракрасной терапии

Вся материя в конечном итоге состоит из заряженных частиц, таких как субатомные частицы, электроны, протоны и т. Д. Когда электромагнитное излучение падает на вещество, заряженные частицы поглощают энергию, что приводит к колебания в зависимости от энергии отдельных фотонов (длины волны). Видимый свет обычно поглощается электронами на молекулярных орбиталях, тогда как ИК-энергия обычно поглощается связями внутри молекул, что приводит к усилению колебательных мод, таких как скручивание, растяжение и изгиб.Оба вида энергии могут трансформироваться и рассеиваться в другие молекулярные колебания в виде повышенной тепловой энергии (температуры).

Как нам различать поглощение NIR и FIR, которое взаимодействует с различными элементами структуры ткани (вода, белки, аминокислоты, липиды и т. Д.). Это интересный вопрос, потому что мы не можем предположить, что оптические характеристики излучения останутся прежними, потому что NIR и FIR могут быть поглощены и переизлучены как разные длины электромагнитных волн хромофорами ткани в течение очень короткого периода времени.Возможно, что конечный фотобиологический результат происходит из множества источников, включая исходное поглощение фотонов падающего света, различные переизлученные электромагнитные волны, возникающие из структурных молекул клетки, и индукцию электромагнитных полей, которые влияют на энергетический метаболизм внутри клеток.

Тканевая оптика описывает подходы к математическому моделированию для анализа того, как фотоны с разной длиной волны взаимодействуют с тканью. Фотоны могут либо поглощаться, либо рассеиваться (неупруго или упруго).В макроскопическом масштабе инструмент моделирования Монте-Карло применялся для изучения проникновения и поглощения света в коже человека во время НИЛИ. Насури и др. моделировало распространение лазера через трехслойную модель кожи человека в спектральном диапазоне от 1000 до 1900 нм [131]. Этот тип анализа необходим для разработки параметров, позволяющих максимально увеличить глубину проникновения света в ткань без какого-либо риска термического повреждения верхних слоев кожи. Кроме того, профиль луча лазерного пятна, который может быть однородным или гауссовым, может увеличивать локальную объемную дозировку и важен при выборе длины волны и мощности лазера в LLLT.

В целом механизмы действия ИК-излучения можно разделить на две большие группы, перечисленные в. Совершенно очевидно, что необходимы дополнительные исследования для изучения механизмов ИК-излучения в медицинской и биохимической областях.

Таблица 2

Различные аспекты механизмов ИК-излучения

Механизм передачи энергии

Механизм прохождения сигнала

Электрическая емкость клеток, регулируемая IR Клеточные структуры (вода, белки, аминокислоты, липиды и т. Д.)) Зона отчуждения, образующаяся в воде, действует как перезаряжаемая биологическая батарея Взаимодействие между ИК-излучением и молекулами воды ИК-излучение поглощается и повторно излучается хромофорами тканей в виде электромагнитных волн различной длины.

IR влияет на окислительно-восстановительное состояние клеток в митохондриях и модулирует активные формы кислорода и производство АТФ. Стимуляция оксида азота, цитохром с оксидазы, факторов транскрипции, цитокинов, факторов роста, медиаторов воспаления и т. Д. Передача сигналов через светочувствительные ионные каналы (ионные насосы и молекулярные двигатели) [132] Передача сигналов через циклические AMP / GMP и рецепторы, связанные с G-белком, и инозитолфосфат [132] IR вызывает в объемной воде высвобождение и транспорт протонов, активируя мембранные сигнальные пути и эффекты трансмембранного ионного канала [133].

Биологические эффекты и медицинские применения инфракрасного излучения

Реферат

Инфракрасное (ИК) излучение — это электромагнитное излучение с длинами волн от 760 до 100000 нм.Низкоуровневая световая терапия (LLLT) или фотобиомодуляция (PBM) обычно использует свет с длинами волн красного и ближнего инфракрасного (600–100 нм) для модуляции биологической активности. Многие факторы, условия и параметры влияют на терапевтические эффекты ИК-излучения, включая плотность энергии, освещенность, время лечения и его повторение, пульсацию и длину волны. Все больше данных свидетельствует о том, что ИК может оказывать эффекты фотостимуляции и фотобиомодуляции, особенно полезные для нервной стимуляции, заживления ран и лечения рака.Нервные клетки особенно хорошо реагируют на ИР, который был предложен для ряда приложений нейростимуляции и нейромодуляции, а недавние успехи в нервной стимуляции и регенерации обсуждаются в этом обзоре.

Применение ИК-терапии в последние годы быстро развивается. Например, была разработана ИК-терапия, которая фактически не требует внешнего источника питания, такого как материалы, излучающие ИК-излучение, и одежда, которая может работать только от тепла тела. Еще одна интересная область — возможное участие солнечного ИК-излучения в фотостарении или фотоомоложении как противоположные стороны медали, и должны ли солнцезащитные кремы защищать от солнечного ИК-излучения? Лучшее понимание новых разработок и биологических последствий ИК может помочь нам повысить терапевтическую эффективность или разработать новые методы PBM с использованием длин волн ИК.

Ключевые слова: Инфракрасная стимуляция нейронов, фотостарение, повреждение ДНК, нейрозащита мозга, АФК, АТФ, молекулы воды, нагрев

1. Введение

Инфракрасное излучение (ИК) — это тип электромагнитного излучения, включая длины волн между 780 нм. до 1000 мкм. ИК разделен на различные диапазоны: ближний инфракрасный (NIR, 0,78 ~ 3,0 мкм), средний инфракрасный (MIR, 3,0 ~ 50,0 мкм) и дальний инфракрасный (FIR, 50,0 ~ 1000,0 мкм), как определено в стандарте ISO 20473: 2007. Оптика и фотоника — Спектральные диапазоны [1].В нескольких исследованиях сообщалось, что ИК может улучшить заживление кожных ран, фотопрофилактику, облегчить боль, скованность, утомляемость при ревматоидном артрите, анкилозирующем спондилите, потенцировать фотодинамическую терапию, лечить офтальмологические, неврологические и психические расстройства и стимулировать распространение мезенхимальных и сердечных заболеваний. стволовые клетки [1–9].

Низкоуровневая световая терапия (НИЛИ) определяется как «Лечение с использованием облучения светом низкой интенсивности, так что эффекты являются реакцией на свет, а не на тепло.Используются самые разные источники света, особенно маломощные лазеры ». в Дескрипторных данных по медицинским предметным рубрикам (MeSH) за 2017 год. Фотобиомодуляционная терапия (PBM) — это «форма световой терапии, в которой используются неионизирующие формы источников света, включая лазеры, светодиоды и широкополосный свет, в видимом и инфракрасном спектре. Это нетепловой процесс с участием эндогенных хромофоров, вызывающий фотофизические (то есть линейные и нелинейные) и фотохимические явления на различных биологических масштабах. Этот процесс приводит к положительным терапевтическим результатам, включая, помимо прочего, облегчение боли или воспаления, иммуномодуляцию и ускорение заживления ран и регенерации тканей.», Как определено в Anders et al. [10]. Сейчас все согласны с тем, что «PBM-терапия» является более точным и конкретным термином для терапевтического применения света низкого уровня по сравнению с «LLLT».

Все фотобиологические реакции определяются поглощением энергии фотоакцепторными молекулами (хромофорами) во время светового облучения. Важно выяснить молекулярный механизм взаимодействия света с тканью путем идентификации молекул фотоакцепторов. Считается, что физиологические эффекты, вызванные ИК-излучением, связаны с двумя основными типами фотоакцепторов (т.э., цитохром с оксидаза и внутриклеточная вода) [11]. Поглощение фотонов преобразует свет в сигналы, которые могут стимулировать биологические процессы [12]. Воздействие инфракрасного света на динамику воды в мембранах, митохондриях и / или клетках может модулировать сигнальные пути, продукцию активных форм кислорода (АФК), АТФ (аденозинтрифосфат), Ca ²⁺ , NO и группу инозитолфосфатов [13 –16]. Вторичным эффектам всегда предшествуют первичные эффекты, включая передачу сигналов стресса, метаболические процессы, организацию цитоскелета, пролиферацию / дифференцировку клеток и гомеостаз (в зависимости от повреждения или метаболических окислительно-восстановительных потенциалов) [17, 18].Кроме того, Shapiro et al. продемонстрировали, что ИК-свет может возбуждать клетки за счет поглощения воды, при этом повышение температуры влияет на плазматическую мембрану и изменяет электрическую емкость, тем самым деполяризуя клетки-мишени [19].

Pollack et al. продемонстрировали, что вода в определенных местах внутри клеток существует как более химически / биологически активная молекула [20]. Большая часть внутриклеточной воды динамична и имеет упорядоченную структуру для поддержки жизненных процессов в биологических системах [21].Поскольку спектр электромагнитного поглощения воды в основном находится в ИК-области, поглощение фотонов может привести к быстрому увеличению внутриклеточной температуры [22], что может способствовать нежелательным физиологическим изменениям температуры, pH, осмоса и выхода АТФ [23, 24].

В течение миллиардов лет Солнце генерировало ИК-излучение, и живые организмы на Земле эволюционировали, чтобы иметь дело с ИК-излучением как важным фактором окружающей среды в зависимости от их среды обитания. Многие древние методы лечения использовали солнечный свет для заживления ран и облегчения боли.Спектр солнечного света в окружающей среде и соответствующий спектр поглощения воды показаны в [25]. Ясно, что солнечное излучение и полосы сильного поглощения воды почти совпадают. Прежде чем солнечный свет проникает в атмосферу, он имеет более однородный спектр излучения. Пока солнечный свет достигает земли, некоторые полосы поглощаются газом окружающей среды или молекулами воды в атмосфере. Поскольку человеческое тело на 70% состоит из воды, оно потенциально может накапливать большое количество энергии, которая может модулировать биологические процессы, за счет сильного резонансного поглощения инфракрасного излучения солнечного света, опосредованного молекулами воды.

Наложение спектров солнечного излучения и поглощения воды, показывающее, что наиболее значительные области перекрытия находятся в области 800–1300 нм

В последние годы сочетание технических, клинических и фотобиологических принципов стало важным для понимания терапевтические эффекты НИЛИ. Например, в последние годы системы доставки оптического волокна стали важной технологией для облегчения LLLT [26]. Волоконная оптика может передавать свет определенной длины волны на большие расстояния за счет использования полного внутреннего отражения, позволяя им изгибаться вдоль своего пути и фокусировать пятно излучения на определенной области.Хотя процедуры доставки света, необходимые для использования НИЛИ при заболеваниях легких и дыхательных путей, сложны, оптические волокна внутри игл могут применяться [27].

Кроме того, была описана неинвазивная доставка энергии на большие расстояния с использованием инфракрасного импульсного лазерного устройства (IPLD) с длиной волны 904 нм, пульсирующего с частотой 3 МГц, который, как утверждается, имеет оригинальный механизм действия, названный «фото- инфракрасная импульсная биомодуляция »(PIPBM). Устройство было применено в клинических испытаниях пациентов с запущенным раком и в случае возрастной дегенерации желтого пятна (географической атрофии) с ассоциированным неврологическим заболеванием, оно продемонстрировало достаточные доказательства его селективных, удаленных, репаративных и / или регенеративных физиологических эффектов [ 16, 28, 29].

Предыдущие клинические исследования показали, что НИЛИ имеет широкий спектр преимуществ для различных групп пациентов, различных медицинских показаний и состояний без какого-либо серьезного риска побочных эффектов. Адекватная дозиметрия важна для LLLT и PBM терапии; Появился основной принцип, названный «двухфазная доза-реакция», когда было обнаружено, что большие дозы света менее эффективны, чем меньшие дозы [30]. Этот феномен проявляется в благоприятных неврологических эффектах транскраниальной НИЛИ при черепно-мозговой травме, где результаты значительно различаются в зависимости от количества процедур и плотности энергии каждого отдельного лечения.

В данной обзорной статье будут обобщены только некоторые ключевые исследования нового приложения и научные открытия, связанные с инфракрасным излучением. Особое внимание будет уделено новым приложениям, включая материалы, излучающие ИК-излучение для одежды, инфракрасную терапию в сауне, терапию Waon и т. Д. Кроме того, мы представляем некоторые недавно появившиеся научные открытия о нервной стимуляции, фотостарении, фотоомоложении, противоопухолевом действии, регенерации нервной системы и жировой ткани. .

2. Новые разработки и применение инфракрасной терапии в биологических областях

2.1. Материалы, излучающие инфракрасное излучение для одежды

В последние годы благодаря развитию нанотехнологий функциональная спортивная одежда приобрела множество свойств, повышающих эффективность занятий спортом, эффективность и комфорт. Например, спортивная одежда должна позволять владельцу оставаться в тепле в холодную погоду и сохранять прохладу в жаркую погоду за счет отвода пота от кожи. В общем, механизм действия материалов, излучающих ИК-излучение, заключается в преобразовании тепловой энергии тела (конвекция и проводимость) в излучение в диапазоне длин волн ИК-излучения от 3 до 20 мкм, чтобы вызвать гомеостаз и фотобиомодуляцию за счет более глубокого проникновения ИК-излучения и молекулы воды. абсорбция в коже [25].Использование материалов, генерирующих ИК-излучение, возможно, полезно для улучшения кровообращения и обмена веществ в организме человека.

Предыдущие исследования показали, что эффекты IR могут активировать фибробласты, увеличивать синтез коллагена и экспрессию трансформирующего фактора роста-бета1 (TGF-beta1) в ранах крыс [31]. Предыдущие исследования показали, что включение наноразмерных частиц германия (Ge) и диоксида кремния (SiO ₂ ) в композитные волокна дает нановолокна из поливинилового спирта (ПВС).Длина волны излучения этих мембран из нановолокна находилась в диапазоне 5–20 мкм при 37 ° C и демонстрировала значение коэффициента излучения 0,891 (идеальное черное тело имеет максимальный коэффициент излучения 1) и мощность излучения 3,44 × 102 Вт · м ^{— 2} с плотностью перегородки 5,55 г / м2 ⁻² . Антимикробные свойства, вызванные дальним инфракрасным излучением, могут быть эффективными для уменьшения количества бактерий как против Staphylococcus aureus , так и против Escherichia coli на 99,9%, и показали снижение Klebsiella pneumoniae на 34.8% [32].

Футболисты использовали одежду, излучающую FIR (плотность 225 г. ^-2 , 88% излучающее дальнее ИК-излучение волокно из полиамида 66 Emana (PA66), 12% спандекс, коэффициент излучения 0,88 и излучаемая мощность 341 Вт / м ² при 37 ° C в диапазоне длин волн 5–20 мкм). Эта одежда использовалась в течение 10 часов в качестве одежды для сна в течение трех ночей подряд, чтобы уменьшить болезненность мышц с отсроченным началом через 48 часов после интенсивной плиометрической тренировки [33].

Пластырь, излучающий в дальнем инфракрасном диапазоне, применялся для терапевтического лечения остеоартрита коленного сустава.На заднюю поверхность колена пациента накладывали пластырь на 12 часов в день и 5 дней в неделю в течение 4 недель. Пластырь был изготовлен компанией Chongqing Kaifeng Medical Instrument Co. Ltd, Китай, которая предоставила пластину, покрытую запатентованным минеральным образованием, состоящим из 33 элементов, предназначенных для генерации дальнего инфракрасного излучения за счет действия радиатора. В исследовании контролировали продольное ультразвуковое сканирование переднего отдела коленного сустава.Он показал, что у пациентов из группы FIR было меньше суставного выпота (40%) по сравнению с исходным уровнем (80%) [34].

Тинг-Кай Леунг и др. использовали керамический порошок (производства Bioenergy Development Ltd, Таоюань, Тайвань) для исследований in vitro и in vivo. Его средняя излучательная способность составляла 0,98 на длинах волн 6–14 мкм с нетепловыми эффектами при комнатной температуре. Экспериментальные мишени включали клетки рака молочной железы MCF-7, клетки макрофагов, клетки меланомы, клетки миобластов, линию клеток хондросаркомы, клетки эпителия груди человека MCF-10A и колени кроликов [35].Важнейшим результатом исследований было то, что этот биокерамический препарат может снимать воспалительный артрит коленных суставов кролика [36]. Кроликам вводили внутрисуставные инъекции липополисахарида (ЛПС) для индукции стерильного воспаления, а затем помещали в клетки, окруженные слоем, содержащим биокерамику, в группе лечения. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) показала, что биокерамика способна снимать воспаление в суставах через 7 дней после инъекции ЛПС.

2.2. Инфракрасные сауны и Waon Therapy

Использование сауны в дальнем инфракрасном диапазоне для лечения основано на глубоком проникновении излучения в кожу для восстановления гомеостаза терморегуляции. У малоподвижных пациентов, страдающих остеоартритом или сердечно-сосудистыми респираторными проблемами, сауны в дальнем инфракрасном диапазоне могут быть использованы в качестве альтернативы умеренным упражнениям. Они оказывают терапевтическое действие без каких-либо побочных эффектов на застойную сердечную недостаточность, преждевременные сокращения желудочков, уровни натрийуретического пептида мозга, функцию эндотелия сосудов, потерю веса, окислительный стресс или хроническую усталость [37].

Терапия Waon означает, что тело предупреждается в инфракрасной камере в течение 15 минут при 60 ° C, затем его заворачивают в тепловые одеяла и кладут для поддержания тепла в течение дополнительных 40 минут, и, наконец, пациент пьет воду, чтобы восполнить потерю влаги. потоотделением. Он может улучшить сердечную функцию и полезен при реабилитации [38].

Терапия Waon проводилась один раз в день 5 дней в неделю в течение 2 недель. Всего в 19 центрах обследовали 76 пациентов, получавших терапию Waon, и 73 пациента из контрольной группы [39].Значения натрийуретического пептида B-типа в плазме, классификация болезней «New York Heart Association», 6-минутная ходьба и кардиоторакальный коэффициент были значительно улучшены в группе терапии Waon по сравнению с контрольной группой. Испытание продемонстрировало безопасность и эффективность для лечения этой целевой группы пациентов с хронической сердечной недостаточностью.

Терапия Waon оказывает адъювантный эффект при хронической обструктивной болезни легких. Группа Waon показала большую жизненную емкость и пиковую скорость выдоха, чем контрольная группа.Необходимы дальнейшие исследования для изучения механизма действия, в частности, может ли терапия Waon быть связана с увеличением потока NO через дыхательные пути [40].

Хроническая сердечная недостаточность вызывает дисфункцию эндотелия сосудов. Было продемонстрировано, что терапия сауной с инфракрасным излучением улучшает сосудистую эндотелиальную дисфункцию у хомяков с экспериментальной кардиомиопатией, которых лечили ежедневно с помощью экспериментальной системы сауны с дальним инфракрасным излучением в течение 15 минут. Через 4 недели мРНК артериальной эндотелиальной синтазы оксида азота (NO) (eNOS) (а также экспрессия белка) и продукция NO были значительно увеличены по сравнению с нормальным контролем [41].

3. Новые исследования инфракрасной терапии

3.1. Нейронная стимуляция

Инфракрасная нервная стимуляция (ИНС) имеет более высокое пространственное разрешение без электрохимической связи между источником и целевой тканью. Кроме того, инфракрасное излучение можно точно настроить для отражения входящего сигнала; однако потенциальными недостатками INS являются риски теплового повреждения тканей из-за передозировки энергии и ограниченная глубина стимуляции, зависящая от свойств поглощения ИК-излучения тканью [42].

Многие исследователи обнаружили, что применение непрерывного или импульсного света приводит к различным результатам в исследованиях заживления ран и регенерации тканей [43]. Низкочастотный импульсный ИК-лазер значительно стимулировал образование костных узлов в клетках свода черепа крысы in vitro с помощью низкоэнергетического Ga-Al-As-лазера (2 Гц, 830 нм, 500 мВт, 0,48 3,84 Дж / см ² ) [44 ]. Что касается INS, считается, что порог безопасности включает недопущение нагрева ткани в зависимости от нейронных целей, длины волны, частоты импульсов, мощности и т. Д. [45, 46].ИНС для кохлеарного имплантата сравнима с электростимуляцией, в то время как другие нейронные мишени могут иметь более низкие пороги безопасности для ИНС. Импульсный диодный лазер с длиной волны 1,844 1,873 мкм м, длительностью импульса 35 ~ 1000 мкс, частотой повторения 2 Гц был использован для выявления составных потенциалов действия. Результаты показали, что длительность импульса 35 мкс была достаточной для выявления сложных потенциалов действия из улитки. Для проведения составного потенциала действия 50 мкм пиковая мощность была постоянной для длительностей импульсов 100 мкс ~ 1000 мкс, но показывала более высокую пиковую мощность при длительности импульса 35 мкс [47].

Одним из возможных механизмов ИНС являются фототермические эффекты, вызванные поглощением энергии водой, а не фотохимическими реакциями, которые могут происходить с излучением, обладающим большей энергией фотонов (более короткой длиной волны), или фотомеханическими волнами давления [48]. Термочувствительный ионный канал, называемый «временный рецепторный потенциал ваниллоида 1» (TRPV1), является возможным рецептором, который стимулируется во время INS. TRPV1 может активироваться термически за счет лучистой энергии, поглощаемой водой, присутствующей в нервной ткани.Поскольку у большинства мышей с нокаутом TRPV1 не было ответа на ИК-оптическую стимуляцию улитки, о чем свидетельствует отсутствие какого-либо потенциала действия, передаваемого в слуховом нерве во время ИК-воздействия (λ = 1,85, 1,86 мкм), это наблюдение подтвердило гипотезу о вовлечении TRPV1. в генерации потенциала действия с помощью ИК-излучения [49]. Кроме того, изолированные клетки сетчатки и вестибулярного ганглия грызунов были использованы для наблюдения реакции, вызванной ИК-лазером. Добавляя блокаторы каналов TRPV1 и TRPV4 для идентификации первичных эффекторов, исследование пришло к выводу, что каналы TRPV4 вызывают сенсорный нейрональный ответ, запускаемый ИК-лазерным излучением (λ = 1.87 мкм) [50].

Внутриклеточный Ca ²⁺ является важным вторичным посредником для различных биологических процессов, таких как сокращение гладких мышц, высвобождение нейромедиаторов и регуляция сигнальных путей [51]. После воздействия ИК-излучения (1862 нм) в кардиомиоцитах желудочков новорожденных крыс наблюдалось быстрое повышение уровня внутриклеточного кальция до частоты пульсации в клетках [52]. Используя флуоресцентный анализ, ИК-импульсы 1862 нм (0,2-1 Гц) могут стимулировать как вызванные ИК-излучением, так и спонтанные кальциевые события.ИР-вызванные кальциевые события имели меньшую амплитуду и более короткие временные константы по сравнению со спонтанными кальциевыми событиями. Был использован митохондриальный ингибитор Ca ²⁺ , который подтвердил гипотезу о том, что импульсное ИК-излучение регулирует Ca ²⁺ в митохондриях через митохондриальный обменник Na ⁺ / Ca ²⁺ и митохондриальный унипортер Ca ²⁺ .

В 2016 году Ken Zhao et al. рассмотрели применение INS, сосредоточив внимание на его способности стимулировать различные типы нейронов оптическим излучением, включая лицевой нерв, улитку, вестибулярную систему и кору [53].Они пришли к выводу, что ИК-излучение в основном поглощается водой ».

Периодическое инфракрасное фемтосекундное лазерное излучение (780 нм) было замечено для синхронизации отдельных или небольших групп кардиомиоцитов в качестве «оптического водителя ритма» [54]. В этом исследовании мощность ИК-лазера была адекватно отрегулирована, чтобы вызвать периодическое высвобождение кальция и избежать перепроизводства кальция в цитозоле. Лазер применялся со средней общей мощностью от 15 до 25 мВт. Кальциевый ответ с синхронизацией в изолированных кардиомиоцитах (или конкретной клетке в группе кардиомиоцитов) зависел от средней мощности лазера на целевой клетке.

Предыдущие исследования показали, что импульсное ИК-излучение с длиной волны 1860 нм или 790 ~ 850 нм стимулировало потенциалы действия во многих различных типах нервных клеток, таких как седалищные клетки, слуховые нервы и кардиомиоциты [52, 55, 56]. Полукружный канал crista ampullaris жабы (который функционирует как орган баланса внутреннего уха) был чувствителен к ИК-излучению (1862 нм) [57]. При облучении сенсорного эпителия различными типами ИК-импульсов наблюдалась активация фазовых тормозных и возбуждающих афферентных ответов.Однако при тепловой стимуляции сенсорного эпителия не наблюдалось синхронизированных по фазе потенциалов действия афферентного нерва.

Кроме того, ИК-лазер (λ = 1450 нм и 1860 нм) может временно подавлять распространение потенциалов действия в эндогенных немиелинизированных и миелинизированных аксонах. ИК-лазер, подаваемый с помощью оптического волокна 200 мкм, подавался между электростимуляцией, производимой микропипеткой, и нервом. регистратор сигналов. Данные показали, что потенциал действия, индуцированный электростимуляцией, блокируется инфракрасным излучением, включая сокращение мышц при аплизии и проведение у крыс седалищного нерва.

Кроме того, для оценки пространственной селективности остро поврежденной улитки у морской свинки применялся импульсный ИК-лазер (1,86 мкм). Нейронный ответ нижнего холмика был преобразован в кривые пространственной настройки, чтобы сравнить различия между акустически вызванными ответами и реакциями, вызванными ИК-импульсом [58]. Большинство кривых пространственной настройки указывают на то, что оптическая стимуляция может активировать селективные популяции нейронов таким же образом, как и акустическая стимуляция; только 10% профилей невозможно было проанализировать или сопоставить.

Основным недостатком INS является отложение тепла в тканях, что может стать препятствием для разработки имплантируемых устройств для таких применений, как искусственная улитка. Недавно был разработан гибридный метод электрооптической стимуляции, сочетающий ИНС с электростимуляцией [59, 60]. Седалищный нерв задней конечности крысы облучали импульсным диодным лазером (λ = 1875 нм) во время электростимуляции. Кроме того, было обнаружено, что повышение температуры нервной ткани, вызванное оптической стимуляцией, может усиливать гибридную электрооптическую стимуляционную реакцию нервов.

3.2. Воздействие инфракрасного излучения на кожу: фотостарение против фотоомоложения

В последние годы фотодерматологические исследования достигли огромного прогресса в понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе положительных и отрицательных эффектов, которым кожа человека может подвергаться в ответ на воздействие инфракрасного излучения. В большинстве исследований для освещения ИРА использовались искусственные источники света. Это позволяет определить наиболее эффективную длину волны, мощность и плотность потока энергии для облучения объектов, чем при использовании окружающего инфракрасного излучения солнца, содержащего несколько длин волн, которое может вызывать тепловую индукцию MMP-1 и индуцированную фотозащиту кожи человека [61] .

Поскольку кожа человека постоянно подвергается воздействию инфракрасного излучения окружающей среды, эта энергия может косвенно или прямо стимулировать выработку свободных радикалов или АФК. Многие исследователи обнаружили, что кратковременная вспышка ИК-индуцированных АФК может быть полезной для фотоомоложения. ИК-излучение (8 ~ 12 мкм м), используемое для заживления ран на всю толщину кожи у крыс, показало увеличение высвобождения фактора роста и противовоспалительного цитокинового трансформирующего фактора роста-β1 (TGF-β1), который приводит к активации фибробластов для лучшего заживления ран [31].Кроме того, инфракрасное излучение (λ = 950 нм) использовалось для прямой стимуляции пролиферации фибробластов, что привело к увеличению пролиферации фибробластов in vitro [62].

Предполагается, что молекулярный механизм NIR-излучения (λ = 810 нм) для генерации митохондриальной передачи сигналов в клетках млекопитающих обусловлен активацией фотоакцептора, называемого цитохром с оксидазой (CCO). Световая активация CCO стимулирует митохондриальную респираторную цепную реакцию с образованием ROS и приводит к активации NF-κB в эмбриональных фибробластах [13, 63].Кроме того, поглощение ИК-излучения PBM структурированной внутриклеточной водой может вызывать дополнительные изменения в колебательной энергии молекул и влиять на третичную конформацию ферментов, ионных каналов и других белков. Эти относительно небольшие изменения в структуре белка могут активировать сигнальные пути (например, за счет инозитолфосфатов), что приводит к активации факторов транскрипции и изменениям в экспрессии генов [64, 65].

Кроме того, первичные дермальные фибробласты человека анализировали с помощью микроматричного анализа после облучения ИРА in vitro.Анализ микроматрицы показал, что 599 IRA-регулируемых генов дифференциально экспрессируются в первичных дермальных фибробластах человека, которые имеют отношение к метаболическим процессам во внеклеточном матриксе, гомеостазу кальция, передаче сигналов стресса и регуляции апоптоза [17]. Это исследование также показало, что IRA приводит к генерации АФК как внутри, так и вне митохондрий. Авторы предположили, что для активации экспрессии генов могут быть задействованы три основных сигнальных пути, включая митоген-активируемые протеинкиназы (MAPKs), кальций и интерлейкин 6 / сигнальный трансдуктор и активатор пути транскрипции 3 (STAT3).Кроме того, гены, индуцированные IRA, значительно отличались от генов, индуцированных УФ-излучением. Это открытие означает, что разные длины волн света могут приводить к определенным сигнальным путям в дермальных фибробластах человека.

Однако свободные радикалы и АФК, индуцированные ИК-излучением, могут быть обоюдоострым мечом: в низких дозах они могут активировать защитные реакции, но в высоких дозах АФК могут повреждать органеллы и клетки кожи, что приводит к фотостарению. Многие исследования показали, что ИК-излучение в диапазоне от 760 до 1000 нм участвует в фотостарении и фотоканцерогенезе кожи человека [66].Механизм ИК-излучения, повреждающего кожу, основан на активации матричной металлопротеиназы-1 (MMP-1), которая опосредуется стимуляцией пути p38-MAPK и сигнальных путей киназы 1/2 (ERK1 / 2), регулируемой внеклеточными сигналами. ответ на облучение ИРА. Когда кожа человека облучается однократным или многократным нанесением (один раз в неделю в течение 4 недель) ИК-излучения, это может привести к различной экспрессии проколлагена типа I и более высокой экспрессии TGF-β1, -β2 и -β3 [67, 68].

Кроме того, для облучения кожи человека использовалась инфракрасная лампа с максимальным излучением при 1100 ~ 1120 нм.Кровеносные сосуды, окрашенные маркером эндотелиальных клеток CD31, были увеличены инфракрасным излучением, вероятно, за счет повышения регуляции фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и подавления антиангиогенного фактора тромбоспондина-2 (TSP-2) в эпидермисе кожи [69 ].

IRA радиационно-индуцированные свободные радикалы могут в разной степени снижать содержание антиоксидантов, таких как каротиноиды, в коже человека. Особенно каротиноид, ликопин быстро снижается по сравнению с бета-каротином [70]. Для исследования образования свободных радикалов в коже человека во время воздействия ИК-излучения использовались многие неинвазивные измерения, такие как резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния, спектроскопия отражения и измерение цвета кожи [71, 72].

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса основана на резонансном поглощении микроволнового излучения путем согласования разности энергий спинов свободного неспаренного электрона в магнитном поле, и можно измерить обращение спина и поглощение микроволновой энергии [73]. Следует учитывать эффект вращения в тканевой воде со значительным демпфированием, вызванным резонансным поглощением микроволнового излучения, чтобы избежать последствий высокого импеданса на этом частотном уровне (10 ⁹ Гц).В предыдущих исследованиях на коже 17 добровольцев параллельно использовались резонансная рамановская спектроскопия и спектроскопия электронного парамагнитного резонанса. Нитроксид-радикалы (со свободным неспаренным электроном на атоме азота) использовали для определения антиоксидантной способности кожи in vivo. Результаты показали, что скорость уменьшения нитроксида коррелирует с концентрацией кожных каротиноидов [74].

Антиоксидантный механизм каротиноидов заключается в подавлении синглетного кислорода его системой двойных связей сопряженного углерода.Концентрация каротиноидов может указывать на полный уровень антиоксидантов в коже человека [75]. Резонансная рамановская спектроскопия — это неинвазивный оптический метод для устранения влияния неоднородностей и измерения концентрации каротиноидов в коже [76].

Кроме того, IRA-индуцированное истощение каротиноидов у десяти добровольцев было проанализировано с помощью резонансной рамановской спектроскопии, а распределение концентрации каротиноидов по глубине на ладонной части предплечья было определено с помощью конфокальной рамановской микроскопии [77].Результаты показали, что после воздействия IRA-излучения концентрация каротиноидов сразу же снижалась и сохранялась до 60 минут после воздействия. Первоначальный уровень исходной концентрации антиоксиданта восстановился через 24 часа после воздействия.

АФК, вызванные высокими дозами ИРА, могут значительно снизить уровень антиоксидантов in vivo. Это следует учитывать, и кожу следует подвергать воздействию только низких и умеренных доз IRA-излучения, чтобы избежать повреждения тканей и фотостарения. Баролет и др. В статье, озаглавленной (Инфракрасное излучение и кожа: друг или враг?) [3], подчеркнули выраженное двухфазное дозовое воздействие ИК на кожу.Благоприятные эффекты низких доз ИК на кожу включали фотозащиту от повреждений, вызванных УФ-излучением, фотоомоложение, уменьшение пигментных поражений и уменьшение количества тонких линий и морщин. Таким образом, данные в целом подтверждают вывод о том, что оптимальные параметры света имеют решающее значение для различного применения НИЛИ и ПБМ, особенно на коже, но также и на других системах органов [78].

Тепловое воздействие, вызванное инфракрасным излучением, может быть патологическим для кожи. Когда температура кожи превышает 39 ° C во время ИК-облучения, это может вызвать образование АФК и патологические эффекты из-за изменений структурной целостности, вызванных индукцией ферментов в коже [79].Кроме того, регуляция экспрессии белка аквапорина 3 участвует в функциональных механизмах интенсивного импульсного света на длине волны 560 нм, который играет важную роль в гомеостазе кожи для транспортировки отходов и малых молекул растворенных веществ [80].

Как упоминалось выше, высокие температуры кожи могут активировать термочувствительные ионные каналы семейства TRPV1, увеличивая концентрацию внутриклеточного Ca ²⁺ внутри клетки и последующую активацию сигнальных путей [81, 82].

3.3. Противоопухолевое действие

За последнее десятилетие в ряде исследований было обнаружено, что ИК-излучение может вызывать некоторые повреждения ДНК в раковых клетках [83–85]. Предлагаемый механизм связан с окислительным стрессом. ИК влияет на цепь переноса электронов, генерируя АФК, которые не только стимулируют передачу сигнала на умеренных уровнях, но также могут напрямую повреждать клеточные органеллы при их чрезмерном генерировании. Сообщалось, что индуцированные IR митохондриальные АФК способны повреждать митохондриальную ДНК человека (мтДНК), которая принимает форму кольцевой двухцепочечной молекулы длиной 16 559 п.н., содержащей 37 генов, что приводит к изменению функции дыхательной цепи [86].Кроме того, мутации мтДНК играют важную роль в патологических аномалиях. К настоящему времени обнаружено более 100 точечных мутаций в мтДНК [87].

Частота мутаций мтДНК значительно выше, чем у ядерной ДНК. Это связано с тем, что механизмы репарации ДНК против вызванного окислительным стрессом повреждения ДНК не так эффективны в митохондриях, как в ядре клетки. Это относится к объемным повреждениям ДНК или фотопродуктам, таким как фотопродукты пиримидин (6–4) пиримидона или димеры циклопиримидина [88].Кроме того, мтДНК расположена в непосредственной близости от цепи переноса электронов, которая имеет наибольшее количество индуцированных ИК-излучением АФК на стороне клетки. Следовательно, высока вероятность того, что АФК вызывают повреждение мтДНК и запускают каскад апоптоза и гибели клеток.

Чтобы уточнить внутриклеточное расположение IRA-индуцированных АФК, для предварительной обработки человеческих фибробластов использовали антиоксиданты [17]. Антиоксидант N-ацетил-цистеин может повышать уровень внутриклеточного глутатиона [89], улавливать активные формы кислорода во всех различных клеточных компартментах и, следовательно, способен подавлять все изменения в экспрессии генов, индуцированных IRA.Однако IRA по-прежнему активирует гены, связанные с ROS, если MitoQ используется в качестве антиоксиданта, который был разработан для удаления ROS, специфически возникающих внутри митохондрий [90]. Это означает, что другие хромофоры, активируемые IRA в различных клеточных компартментах, могут участвовать в индуцированном IRA образовании ROS, и не ограничиваются исключительно митохондриями. Более того, индуцированная IRA экспрессия фермента MMP-1 в первичных фибробластах кожи человека может быть снижена антиоксидантами, такими как аскорбиновая кислота, (α) -токоферол, эпигаллокатехингаллат, (-) — эпикатехин или фенилпропионовая кислота [91].Вдобавок было предложено, что фермент MMP-1 ведет себя как «храповик броуновского движения», управляемый динамикой воды, которая может стимулироваться инфракрасным светом. Например, активированная коллагеназа (MMP-1) действует как молекулярный храповик, участвуя в ремоделировании тканей и взаимодействиях с клеточным матриксом [92]. Следовательно, можно применять соответствующие антиоксиданты для защиты от преждевременного старения кожи, вызванного излучением IRA. Клеточные линии рака молочной железы человека MDA-MB-231, MCF7, T47D и нормальные эпителиальные клетки молочной железы (184B5) были облучены MIR (λ = 3.0 ~ 5,0 мкм). Количественный протеомный анализ был использован для изучения MIR-регулируемых физиологических реакций клеток рака молочной железы, включая остановку клеточного цикла G ₂ / M, ремоделирование сети микротрубочек до расположения астрального полюса, изменение цитоскелета актина и уменьшение количества клеток. миграционная активность [85].

Chang et al. продемонстрировали, что ИК-излучение (3 ~ 5 мкм) может вызывать набухание и остановку клеточного цикла в фазе G ₂ / M в клетках рака легкого A549 [84].ИК-излучение также может ингибировать фосфорилирование циклин-зависимой киназы 1 (CDK1) и циклина B1, что приводит к остановке прогрессирования клеточного цикла. Кроме того, перинуклеарное распределение актиновых филаментов в клетках рака легкого предполагает, что окислительный стресс, вызванный ИК-излучением, влияет на остановку клеточного цикла, реорганизацию цитоскелета и влияет на баланс антиоксидантов [93]. Это исследование также показало, что ИК-излучение запускает ось ATM / ATR-p53-p21 в ответ на повреждение ДНК, что приводит к образованию ядерных фокусов 53BP1 и c-h3AX и активации пути ATM / ATR-p53-p21, участвующего в Ремонт ДНК.Эти данные предполагают, что ИК-излучение индуцировало систему репарации ДНК в ответ на повреждение ДНК.

FIR (4 ~ 1000 мкм) излучение вызывает молекулярные колебания, приводящие к повышению температуры внутри клеток, и может вызвать локальный тепловой стресс в окружающей среде. Индукция белка теплового шока (HSP) 70 может ингибировать высвобождение цитохрома с из митохондрий, что является предшествующей стадией апоптоза [94]. Предыдущая литература показала, что низкая базальная экспрессия HSP70 и изменения клеточной морфологии наблюдались в FIR-чувствительных клеточных линиях HSC3, Sa3 и A549 [95].

Кроме того, FIR индуцировал клеточную гипертрофию и подавлял пролиферацию раковых клеток A549 (легкие), HSC3 (язык) и Sa3 (десна) за счет остановки клеточного цикла G ₂ / M за счет сверхэкспрессии гена ATF3 [96]. Ген ATF3 участвует в реакции на изменения внеклеточного или внутриклеточного микросреды, клеточного гомеостаза, клеточного цикла и гибели клеток [97]. Однако ИК-излучение не влияло на экспрессию гена ATF3 и гипертрофию клеток в раковых клетках A431 (вульва) или MCF7 (груди).Эти результаты показывают, что FIR-излучение подавляет пролиферацию раковых клеток в зависимости от конкретного типа клеток и может быть эффективным средством лечения некоторых видов рака.

Предыдущие исследования показали, что ионизирующая лучевая терапия в сочетании с паклитакселом может усиливать терапевтический эффект [98]. Паклитаксел стабилизирует микротрубочки и приводит к гибели клеток, ингибируя сегрегацию хромосом, нарушая сборку веретена во время деления клеток и вызывая остановку клеточного цикла в фазе G ₂ / M.Кроме того, паклитаксел также активирует несколько путей митохондриальной цитотоксичности, изменяя проницаемость пор в митохондриях, рассеивая потенциал митохондриальной мембраны, высвобождая цитохром с из межмембранного пространства и формируя АФК [99]. Клетки рака шейки матки человека HeLa, обработанные паклитакселом в сочетании с облучением MIR (3,6, 4,1 и 5,0 мкм), показали улучшенный противоопухолевый эффект [100]. IR может снизить дозировку паклитаксела при клинической противоопухолевой химиотерапии, чтобы избежать тяжелых побочных эффектов, вызванных паклитакселом, таких как снижение количества лейкоцитов, выпадение волос, диарея, язвы во рту и реакции гиперчувствительности.

3.4. Нервная и жировая регенерация

Транскраниальная стимуляция мозга инфракрасным излучением — это использование когерентного или некогерентного света для реабилитации нейродегенеративных заболеваний мозга или черепно-мозговых травм, а также для модуляции нейробиологической функции за счет нетеплового эффекта; однако молекулярный механизм ИК-стимуляции мозга до сих пор неясен.

Чтобы прояснить клеточный механизм лечения NIR-лазером у пациентов с острым ишемическим инсультом, модель эмболического инсульта кроличьего тромба была использована для оценки содержания кортикального АТФ после лечения лазером 808 нм [101].БИК-лазер в импульсном или непрерывном режиме может повысить содержание АТФ в коре головного мозга кроликов по сравнению с имитацией эмболии кроликов, особенно импульсный волновой режим дал значительно большее увеличение содержания АТФ в кортикальном слое.

Диодный лазер на основе Ga-Al-As с длиной волны 810 нм, импульсный с частотой 10 Гц, 100 Гц и непрерывный режим, с плотностью мощности 50 мВт / см ² в течение 12 минут, использовался для освещения головы мыши с экспериментальной черепно-мозговой травмой (ЧМТ). Мышей умерщвляли и анализировали через 2, 15 и 28 дней после TBI.Так же, как размер поражения и количество продукции АТФ, частота импульсов 10 Гц лучше всего влияла на неврологические функции [102]. Это исследование показало, что ритм 4 ~ 10 Гц, возникающий в области гиппокампа в нормальном мозге мышей, может войти в положительный резонанс с частотой лазерного импульса 10 Гц для улучшения нейрореабилитации мышей с ЧМТ.

Лазер с длиной волны 808 нм может также способствовать мозговому кровотоку и повышать уровень оксида азота у мышей [103]. Было высказано предположение, что инфракрасный лазер может стимулировать мозговое кровообращение за счет высвобождения NO, а также активировать нейропротективные пути для уменьшения количества апоптотических клеток в гиппокампе.

Существует множество гипотез, объясняющих дегенерацию нейронных процессов при болезни Паркинсона, включая снижение уровней дофаминергических нейронов в черной субстанции, присутствие цитоплазматических включений и аномальное увеличение альфа-синуклеин-положительных аксонов в выживших нейронах [104].

В попытке исследовать снижение аксонального транспорта, вызванное болезнью Паркинсона, скорость митохондриального движения в трансмиссионно-цибридных нейрональных клетках человека была измерена во время лечения диодным лазером с длиной волны 810 нм [105].Кибриды — это нейроны, в которых собственные митохондрии заменены больными митохондриями, полученными из других клеток (например, полученных от пациентов с болезнью Паркинсона). Скорость митохондриального движения в цибридных нейритах при болезни Паркинсона была значительно увеличена после воздействия ИК-излучения в течение двух часов. Было высказано предположение, что лечение ИК-лазером может подавлять нейродегенеративные симптомы у пациентов с болезнью Паркинсона.

Кроме того, трансгенных мышей-предшественников белка амилоида-β (мышиная модель болезни Альцгеймера) лечили 3 раза в неделю различными дозами ИК-лазера с длиной волны 808 нм [106].Уровни пептида амилоида-β головного мозга, пептида β амилоида-β в плазме и пептида β-амилоида-β спинномозговой жидкости, а также количество бляшек β-амилоида в головном мозге были снижены путем обработки ИК-лазером в зависимости от дозы. Кроме того, индуцированная ИК-лазером генерация АТФ может также улучшить сохранение нейронов и ингибировать образование амилоидных бляшек.

Эти данные, вместе взятые, показывают, что ИК-излучение может стимулировать рост жизнеспособности клеток и факторы роста, которые вызывают потенциальные терапевтические эффекты при повреждении или дегенеративном заболевании головного мозга.Заболеваниям головного мозга, включая ЧМТ, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и инсульт, могут улучшаться за счет индуцированного ИР синтеза АТФ, продукции фактора роста, противовоспалительных эффектов и антиапоптоза. [107]. Более того, недавнее исследование также указывает на то, что пролиферация и дифференцировка стволовых клеток, полученных из жировой ткани, регулируются инфракрасным излучением 980 нм, которое, как предполагается, воздействует на каналы ионов кальция с регулируемой температурой, в то время как ИК-излучение 810 нм стимулирует выработку АТФ за счет поглощения фотонов CCO [ 108].

Следует отметить, что ИК-излучение 810 нм не только поглощается CCO, но также на малых уровнях поглощается водой. Хотя ИК-спектр с длиной волны 980 нм не сильно поглощается CCO, он в основном поглощается водой [25].

обобщает отчеты об использовании ИК-излучения для взаимодействия с клетками и тканями. В нем также освещаются некоторые медицинские применения ИК-излучения. Предполагается, что длины волн источников света соответствуют спектру поглощения молекул CCO или воды.

Таблица 1

Различные медицинские применения ИК-излучения для различных клеток и тканей.

Нейронная регенерация

Медицинское применение	Автор, ссылка	Цель	Источник света или материал	Длина волны	Результаты
Заживление ран	Toyokawa et al. [31]	Кожная рана у крысы	Лист с керамическим покрытием	5,6 ~ 25 мкм (максимальная интенсивность 8 ~ 12 мкм)	Способствует заживлению ран и экспрессии TGF-β1
Заживление ран	Гупта и другие.[109]	Кожные ссадины у мышей	Диодный лазер	810 нм	Повышенное накопление коллагена и эффекты заживления
Заживление ран	Santana-Blank et al. [110, 111]	Мягкие ткани крысы	Диодный лазер	904 нм	Способствует заживлению ран и росту зоны исключения (EZ) (1H-ЯМР 1 / T2)
Заживление ран	Santana-Blank et al. al. [111] Rodríguez-Santana et al.[112]	Мягкие ткани у крысы	Диодный лазер	904 нм	Способствует заживлению ран, мембранный эффект измерен с помощью тау 1H-ЯМР (c)
Нейронная стимуляция	Wells et al. [55]	Седалищный нерв крысы	Лазер на свободных электронах	2,1, 3,0, 4,0, 4,5, 5,0 и 6,1 мкм	Создает пространственно-селективный ответ в небольших пучках седалищного нерва
Нейральная стимуляция	Jenkins et al.[113]	Сердце взрослого кролика	Диодный лазер	1,851 мкм	Индуцированная оптическая стимуляция сердца взрослого кролика
Нейронная стимуляция	Izzo et al. [56]	Слуховой нерв песчанок	Гольмий: YA G-лазер	2,12 мкм	Оптическое излучение стимулировало амплитуды ответа улитки
Нейронная стимуляция	Duke et al. [60]	Седалищный нерв крысы	Диодный лазер	1.875 мкм	Гибридная электрооптическая стимуляция вызвала устойчивые сокращения мышц и снизила требования к мощности лазера
Нейронная стимуляция	Shapiro et al. [19]	Клетки HEK-293T	Диодный лазер	1,889 мкм	Временное изменение электрической емкости мембраны во время оптической стимуляции
Фотостарение	Darvin et al. [76]	Кожа человека	Радиатор с фильтром для воды	600 ~ 1500 нм	Образованные свободные радикалы и пониженное содержание антиоксидантов β-каротина
Фотостарение	Schroeder et al.[91]	Кожные фибробласты человека	Фильтрованный водой источник ИК-излучения	760 ~ 14 40 нм	Повышенная экспрессия MMP-1 в дерме
Antitum or Action	Tsai et al. [100]	Клетка рака шейки матки HeLa	Тепловой излучатель с волноводом	3,6, 4,1 или 5,0 мкм	Вызвал коллапс мембранного потенциала митохондрий и повышение окислительного стресса.
Antitum or Action	Chang et al.[84]	Клетки рака груди и нормальные эпителиальные клетки груди.	Источник черного тела с фильтром 3 ~ 5 мкм	3 ~ 5 мкм	Вызвал остановку цикла раковых клеток G 2 / M, реконструировал сеть микротрубочек и изменил образование актиновых филаментов
Antitum or Action	Tanaka et al. [83]	Клетки аденокарциномы легкого A549	БИК-излучатель, снабженный фильтром для воды	1,1 ~ 1,8 мкм	Активировал путь ответа на повреждение ДНК
Antitum or Action	Yamashita et al.[96]	Раковые клетки A431 (вульва), A549 (легкие), HSC3 (язык), MCF7 (грудь) и Sa3 (десна)	Инкубатор излучающей панели FIR путем покрытия углеродом / диоксидом кремния / оксидом алюминия / титаном оксидная керамика	4 ~ 20 мкм (максимум от 7 до 12 мкм)	Подавляет пролиферацию раковых клеток за счет усиления экспрессии гена ATF3
Antitum or Action	Santana-Blank et al. [114]	Солидная опухоль Клиническое испытание	Диодный лазер	904 нм	88% противоопухолевый эффект.Десять лет наблюдения
Antitum or Action	Santana-Blank et al. [115]	Цитоморфология солидных опухолей	Диодный лазер	904 нм	Избирательный апоптоз, некроз, аноикис в опухолевых тканях онкологических больных
Antitum or Action	Santana-Blank et al. [116]	Солидная опухоль T 2w МРТ-микродезитометрия	Диодный лазер	904 нм	Доказательства наличия межфазной водоизоляционной зоны (EZ) как предиктора противоопухолевого ответа у онкологических больных
Antit Акция	Santana-Blanket al.[117]	Уровни цитокинов субпопуляций периферических лейкоцитов в сыворотке крови твердых опухолей	Диодный лазер	904 нм	Иммуномодуляция TNF-α sIL-2R и CD4 + CD45 RA + и CD25 + активированных
Naeser et al. [118]	Легкая черепно-мозговая травма	NIR-диоды	870 нм	Улучшение когнитивных функций, улучшение сна и симптомы посттравматического стрессового расстройства
Регенерация нейронов мозга	Lapchak et al.[101]	Инсульты у эмболизированных кроликов	Лазерный источник	808 нм	Повышенное содержание кортикального АТФ
Регенерация жировой ткани	Wang, Y., et al. [108]	стволовые клетки, полученные из жировой ткани человека	Диодный лазер	810 нм 980 нм	Стимулирование пролиферации и дифференцировки

4 Обсуждение

LLLT и / или PBM были использованы для широкого диапазона различных медицинских показаний в последние годы, а клеточные и молекулярные механизмы действия НИЛИ в настоящее время изучены лучше, чем в прошлые десятилетия.

Большинство исследований предполагают, что хромофоры, ответственные за эффекты PBM, можно в первую очередь классифицировать как митохондриальные хромофоры, такие как CCO.

Предыдущие исследования определили, что хромофор PBM с использованием длин волн красного или ближнего инфракрасного диапазона является митохондриальным CCO. CCO является одним из четырех белковых комплексов (единица IV), составляющих цепь переноса электронов, которая осуществляет транспорт электронов на внутренней митохондриальной мембране, в конечном итоге создавая электрохимический протонный градиент для конечного фермента АТФ-синтазы (единица V) для преобразования АДФ (аденозиндифосфата). ) для производства АТФ [119, 120].LLLT может увеличивать активность фермента CCO для облегчения транспорта электронов и увеличения производства АТФ [121]. Более того, было обнаружено, что спектр действия биологической реакции в ближнем ИК-диапазоне соответствует спектрам поглощения CCO в ближнем ИК-диапазоне, относящимся к митохондриальным хромофорам [63, 122–124]. Поглощение цитохром с оксидазы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра хорошо согласуется со спектром действия по увеличению синтеза ДНК в клетках млекопитающих. CCO имеет два медных центра Cu _A и Cu _B и два гемовых центра, гем _A и гем _B .Каждый из этих металлических центров может находиться в окисленном или восстановленном состоянии, что дает в общей сложности 16 возможностей. Различные фотоакцепторы были отнесены к разным окислительно-восстановительным состояниям CCO, полоса 820 нм была отнесена к окисленной форме хромофора Cu _A CCO, полоса 760 нм к восстановленной пене Cu _B , полоса 680 нм к окисленному Cu _B и полосе 620 нм к восстановленному Cu _A [13, 63].

С другой стороны, несколько других исследований показали, что другим возможным механизмом PBM, особенно на длинах волн FIR и MIR, является поглощение излучения молекулами воды.Pollack et al. продемонстрировали, что лучистая энергия может генерировать зону отчуждения (EZ) на границе раздела воды, которая обладает правильным типом гидрофильного / гидрофобного баланса [65, 125]. Вода EZ может накапливать электрические заряды и выделять до 70% потребляемой энергии.

Клеточные мембраны характеризуются наличием тонкого (нанометрового) слоя воды, которая накапливается на гидрофобных поверхностях [126]. Очень небольшое количество ненагревающего ИК-излучения может передавать относительно небольшие количества колебательной энергии наноструктурированным слоям воды и может нарушать ее структуру и структуру соседних молекул, не вызывая какого-либо эффекта объемного нагрева (т.е.е. не вызывая заметного повышения температуры) [127]. Градиенты вязкости внутримитохондриальной воды идентифицированы методом наноиндентирования [128]. Синтез АТФ может уменьшаться и увеличиваться в ответ на модуляцию уровней активных форм кислорода, вызванную нетепловыми уровнями NIR. Возможный механизм управления этим «митохондриальным наномотором» заключается в том, что NIR может увеличивать оборот АТФ за счет снижения вязкости межфазных слоев воды. Недавно Сантана-Бланк и др.предположили, что внешняя электромагнитная (световая) энергия может активировать кислород-зависимые и кислородно-независимые пути, основанные на взаимодействиях воды и света [129]. В результате взаимодействия воды и света и механизмов передачи энергии ИК-излучение создает межфазную EZ-воду в качестве селективной перезаряжаемой электролитической биобатареи [130]. Световая энергия в кислородзависимых путях генерирует высокоэнергетические молекулы, называемые нуклеотид-фосфатами, включая АТФ и ГТФ. Взаимодействие с водой и светом в кислородно-независимом пути приводит к фотоиндуцированным нелинейным колебаниям в воде, которые могут обеспечивать энергией клеточные реакции, включая метаболизм, передачу сигналов и транскрипцию генов.

Недавно Ван и др. Показали [108], что две разные длины волн ближнего ИК-диапазона влияют на стволовые клетки, полученные из жировой ткани, посредством совершенно разных механизмов действия. Лазер с длиной волны 810 нм был предложен для активации CCO, приводящей к продукции АТФ и кратковременной вспышке ROS, но не влиял на внутриклеточный кальций. Напротив, лазер с длиной волны 980 нм также увеличивал АТФ и АФК, но при гораздо более низких плотностях потока (от одной десятой до одной сотой), и увеличивал цитозольный кальций, в то же время снижая митохондриальный кальций. Действия NIR 980 нм, но не действия NIR 810 нм, могут быть отменены ингибиторами кальциевых ионных каналов, такими как TRPV.Нагревание клеток или охлаждение клеток аннулировали эффекты 980 нм, но не 810 нм. Это исследование показало, что 980 нм может работать, воздействуя на наноструктурированные слои воды в ионных каналах TRPV, в то время как 810 может напрямую активировать активность фермента CCO. графически суммирует два наиболее важных предполагаемых биологических механизма действия ИР.

Предлагаемые механизмы действия ИР на молекулярном и клеточном уровне. TRPV = временный рецепторный потенциал ваниллоида; ROS = активные формы кислорода; АТФ = аденозинтрифосфат.

Помимо понимания фотобиологических механизмов LLLT / PBM с использованием длин волн FIR / MIR и NIR, важно разработать параметры света с учетом клинического опыта и желаемой терапевтической цели для достижения оптимальных медицинских и биологических эффектов, как показано на. В клинической практике эффект двухфазной реакции на дозу критически важен для получения оптимальных клинических результатов [30]. Другой руководящий принцип заключается в том, что повторение лечения ежедневно (или даже более или менее часто) до тех пор, пока рана не заживет или не наступит ремиссия заболевания, лучше, чем однократное применение НИЛИ.НИЛИ можно сравнить с питательной пищей для человеческого организма; адекватное ежедневное потребление лучше всего.

Обзор детерминант и факторов, которые следует учитывать при инфракрасной терапии

Вся материя в конечном итоге состоит из заряженных частиц, таких как субатомные частицы, электроны, протоны и т. Д. Когда электромагнитное излучение падает на вещество, заряженные частицы поглощают энергию, что приводит к колебания в зависимости от энергии отдельных фотонов (длины волны). Видимый свет обычно поглощается электронами на молекулярных орбиталях, тогда как ИК-энергия обычно поглощается связями внутри молекул, что приводит к усилению колебательных мод, таких как скручивание, растяжение и изгиб.Оба вида энергии могут трансформироваться и рассеиваться в другие молекулярные колебания в виде повышенной тепловой энергии (температуры).

Как нам различать поглощение NIR и FIR, которое взаимодействует с различными элементами структуры ткани (вода, белки, аминокислоты, липиды и т. Д.). Это интересный вопрос, потому что мы не можем предположить, что оптические характеристики излучения останутся прежними, потому что NIR и FIR могут быть поглощены и переизлучены как разные длины электромагнитных волн хромофорами ткани в течение очень короткого периода времени.Возможно, что конечный фотобиологический результат происходит из множества источников, включая исходное поглощение фотонов падающего света, различные переизлученные электромагнитные волны, возникающие из структурных молекул клетки, и индукцию электромагнитных полей, которые влияют на энергетический метаболизм внутри клеток.

Тканевая оптика описывает подходы к математическому моделированию для анализа того, как фотоны с разной длиной волны взаимодействуют с тканью. Фотоны могут либо поглощаться, либо рассеиваться (неупруго или упруго).В макроскопическом масштабе инструмент моделирования Монте-Карло применялся для изучения проникновения и поглощения света в коже человека во время НИЛИ. Насури и др. моделировало распространение лазера через трехслойную модель кожи человека в спектральном диапазоне от 1000 до 1900 нм [131]. Этот тип анализа необходим для разработки параметров, позволяющих максимально увеличить глубину проникновения света в ткань без какого-либо риска термического повреждения верхних слоев кожи. Кроме того, профиль луча лазерного пятна, который может быть однородным или гауссовым, может увеличивать локальную объемную дозировку и важен при выборе длины волны и мощности лазера в LLLT.

В целом механизмы действия ИК-излучения можно разделить на две большие группы, перечисленные в. Совершенно очевидно, что необходимы дополнительные исследования для изучения механизмов ИК-излучения в медицинской и биохимической областях.

Таблица 2

Различные аспекты механизмов ИК-излучения

Механизм передачи энергии

Механизм прохождения сигнала

Электрическая емкость клеток, регулируемая IR Клеточные структуры (вода, белки, аминокислоты, липиды и т. Д.)) Зона отчуждения, образующаяся в воде, действует как перезаряжаемая биологическая батарея Взаимодействие между ИК-излучением и молекулами воды ИК-излучение поглощается и повторно излучается хромофорами тканей в виде электромагнитных волн различной длины.

IR влияет на окислительно-восстановительное состояние клеток в митохондриях и модулирует активные формы кислорода и производство АТФ. Стимуляция оксида азота, цитохром с оксидазы, факторов транскрипции, цитокинов, факторов роста, медиаторов воспаления и т. Д. Передача сигналов через светочувствительные ионные каналы (ионные насосы и молекулярные двигатели) [132] Передача сигналов через циклические AMP / GMP и рецепторы, связанные с G-белком, и инозитолфосфат [132] IR вызывает в объемной воде высвобождение и транспорт протонов, активируя мембранные сигнальные пути и эффекты трансмембранного ионного канала [133].

Снижение вредного воздействия инфракрасного излучения на кожу с помощью бикосом, содержащих β-каротин — FullText — Skin Pharmacology and Physiology 2016, Vol.29, № 4

Аннотация

Цель: В данной работе изучается влияние инфракрасного (ИК) излучения при температуре от 25 до 30 ° C на образование свободных радикалов (FR) в коже. Дополнительно оценивается влияние инфракрасного излучения при высоких температурах на деградацию коллагена кожи. В обоих экспериментах также оценивается защитный эффект от инфракрасного излучения фосфолипидных наноструктур (бикосом), включающих β-каротин (Bcb). Методы: Формирование FR на коже под воздействием ИК-излучения измерялось вблизи физиологических температур (25-30 ° C) с использованием спиновой ловушки 5,5-диметил-1-пирролин-N-оксида и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). спектроскопия. Исследование структуры коллагена проводили методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей с использованием синхротронного излучения. Результаты: Результаты ЭПР показали увеличение гидроксильного радикала в облученной коже по сравнению с нативной кожей. Коллаген кожи разлагался под воздействием инфракрасного излучения при высоких температурах примерно 65 ° C.Обработка Bcb уменьшила образование FR и сохранила структуру коллагена. Выводы: Формирование FR под действием ИК-излучения не зависит от повышения температуры кожи. Уменьшение FR и сохранение коллагеновых волокон в коже, обработанной Bcb, указывают на потенциал этой липидной системы для защиты кожи от воздействия инфракрасного излучения.

© 2016 S. Karger AG, Базель

---

Введение

Кожа предназначена для защиты организма от травм и действует как физический барьер против внешней среды.Солнечный свет повреждает кожу человека, что приводит к образованию свободных радикалов (FR), которые частично ответственны за эритему / отек, воспаление, фотостарение и кожные заболевания [1,2,3,4]. Негативное воздействие солнечного излучения на кожу обычно связано с воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения [1,2,3]. UVB-излучение в основном отвечает за повреждение ДНК в клетках, и путь, по которому происходит это повреждение ДНК, обсуждается во многих работах [5].

Однако кожа также подвергается воздействию инфракрасного (ИК) излучения.ИК-излучение может генерировать FR в коже, которые, в зависимости от дозы, способны инициировать каскад различных сигнальных путей, вызывая терапевтические или патологические эффекты [4,5,6,7,8,9]. FR, образованные инфракрасным излучением, могут составлять четверть количества FR, созданных дозой UVB / UVA в точке эритемы [10]. Некоторые исследования связывают образование FR с повышением температуры под действием ИК-излучения [4,7,8,10]. Вопрос о том, вызывает ли ИК-излучение образование СО напрямую или это результат теплового шока, индуцированного ИК-излучением, все еще остается открытым.Этот вопрос актуален, поскольку кожа ежедневно подвергается воздействию инфракрасного излучения солнечного света при физиологической температуре кожи. Точное измерение FR, индуцированных во время воздействия ИК-излучения при поддержании образца при физиологических температурах, может предоставить интересную информацию о прямом действии этого излучения, избегая температурного эффекта.

ИК-излучение проникает в эпидермальный и дермальный слои кожи и проникает глубже, чем УФ; следовательно, он может повредить оба отдела кожи.Эпидермис содержит роговой слой, который является физическим барьером для тела [11]. Дерма является вторым внутренним слоем и содержит структурные белки, такие как коллаген и эластин. Коллаген составляет около 75% от общей сухой массы кожи и обеспечивает прочность и целостность тканей [12]. Этот белок может быть поврежден действием ИК-излучения за счет сверхэкспрессии матриксных металлопротеиназ (ММП), которая активируется FR [4,5,13]. Изменения в структуре или организации коллагена ответственны за изменения морфологии кожи, такие как обесцвечивание, потеря эластичности, морщины или нарушение барьерной функции [12,14,15].Регулярно ступенчатая структура коллагена вызывает периодические изменения электронной плотности, видимые при рассеянии рентгеновских лучей в виде острых пиков Брэгга. Профиль рентгеновского излучения здоровой кожи показывает характерный d-интервал около 65 нм и несколько отражений, связанных с этим расстоянием [12,15]. Положение, интенсивность и количество отражений типичной осевой периодичности кожного коллагена меняются в зависимости от физиологии ткани или физических условий. Эти изменения указывают на макромолекулярную дезорганизацию коллагена и, следовательно, могут указывать на деградацию белка.Следовательно, изучение организации кожного коллагена после ИК-излучения также может помочь определить потенциальные эффекты ИК-воздействия на кожу.

В данной работе образование FR в коже под воздействием ИК-излучения вблизи физиологических температур оценивалось с использованием спиновой ловушки 5,5-диметил-1-пирролин-N-оксида (ДМПО) и спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Максимальная температура кожи, достигнутая во время эксперимента, составила 30 ° C. Поэтому исследовалось образование FR только под действием ИК-излучения и без повышения температуры.Структурные изменения кожи до и после ИК-воздействия также изучались методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (МУРР) с использованием синхротронного излучения. Кроме того, была проведена обработка кожи бикосомами, включающими β-каротин (Bcb), чтобы оценить их защитный эффект на образование FR и структуру коллагена кожи от воздействия инфракрасного излучения.

Бикосомы представляют собой фосфолипидные сборки, образованные сферическими пузырьками размером примерно 150-250 нм и дискоидными структурами размером от 15 до 25 нм (онлайн-приложение.инжир. 1; для всех онлайн-дополнений. материал см. www. karger.com/doi/10.1159/000447015) [16,17]. Комбинация липидного состава и небольшого размера, а также их морфологическая универсальность делают их очень полезными для различного использования кожи в качестве носителей [17,18]. И бикосомы, и β-каротин продемонстрировали способность уменьшать образование FR в коже [9,17,19,20,21].

Материалы и методы

Химические вещества

Химические вещества, использованные в этом исследовании, подробно описаны в дополнительном онлайн-материале.

Приготовление Bcb

Приготовление бикосом объясняется в дополнительном онлайн-материале. Концентрация каждого ингредиента в Bcb была следующей (мас. / Об.%):

DPPC 4,25%, DHPC 0,75%, β-каротин 0,01%, PC: 8% и CHOL 2%.

Динамическое рассеяние света

Гидродинамические диаметры Bcb определяли динамическим светорассеянием с использованием Zetasizer Nano ZS90 (Malvern Instruments, UK). Детали этого метода включены в дополнительный онлайн-материал [см. Также [22]].

Обработка кожи бикосомами

Обработка кожи с помощью Bcb описана в дополнительном онлайн-материале.

Электронный парамагнитный резонанс

Образцы нативной и обработанной кожи помещали в кварцевую тканевую ячейку спектрометра ЭПР (спектрометр EMX-Plus 10/12 Brucker BioSpin) с микроволновым мостом X-диапазона (~ 9 ГГц; EMX Premium X ) и 10-дюймовый магнит (ER073) с блоком питания 12 кВт (ER083). Более подробная информация об этой методике и о лечении ДМПО включена в дополнительный онлайн-материал [см. Также [23]].

Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей

Эксперименты по дифракции проводились на канале NACD, синхротронном источнике света ALBA (Cerdanyola del Vallès, Испания) с монохроматическим пучком 12,4 кэВ. Картины рассеяния регистрировали с помощью детектора SAXS 2D ADSC 210r (ADSC, Poway, Калифорния, США) с временами однократного экспонирования около 3 с. Расстояние от образца до детектора составляло 6,4 м. Более подробная информация об этой технике содержится в дополнительном онлайн-материале [см. Также [24]].

ИК-облучение

Образцы кожи подвергали воздействию ИК-излучения с использованием ИК-лампы 250 Вт (Philips Infrared BR I 25). ИК-диапазон, излучаемый лампой, составляет 800–1500 нм (IR-A; см. Онлайн-приложение рис. 2). Подробная информация об облучении кожи включена в дополнительный онлайн-материал.

Результаты

Размер бикосом

Гидродинамические диаметры, полученные с использованием динамического рассеяния света при 25 ° C для Bcb, показаны в таблице 1. Для целей сравнения также показан исходный размер бикосом без какой-либо встроенной молекулы.

Таблица 1

Гидродинамические диаметры различных бикосомных систем и доля популяции частиц, анализируемая по интенсивности светорассеяния при 25 ° C

Размер бикосом без β-каротина составлял приблизительно 180 нм с учетом доли света разбросано примерно 85%. Включение β-каротина привело к увеличению размера частиц примерно до 250 нм и к 85% рассеянного света.

Увеличение размера Bcb могло быть связано с расположением этой липофильной молекулы в структуре бикосомы [18].Учитывая низкую растворимость этого антиоксиданта в воде, ожидается, что эта молекула будет расположена в липофильной области бислоя бикосом. Следовательно, включение этой липофильной молекулы внутрь липидного бислоя бикосом будет способствовать небольшому увеличению размера наноструктур.

Образование FR под воздействием ИК-излучения

Генерацию FR в образцах кожи свиньи исследовали методом ЭПР с использованием зонда DMPO, поскольку он улавливает FR, образующиеся в ткани.На рис. 1 представлены спектры нативной свиной кожи до и после 120 мин ИК-излучения. Оба спектра представляют собой симметричную спектральную модель гидроксильного спинового аддукта ДМПО (ДМПО-ОН), и в целом в настоящей работе спектры, которые были получены для всех образцов кожи, показали аналогичные картины аддукта ДМПО-ОН [25,26].

Рис. 1

Спектры ЭПР кожи до (черная линия; цвет только в онлайн-версии) и после (красная линия) ИК-воздействия. Доза: 777,6 Дж / см ² .

Интенсивность спектра кожи после ИК-воздействия была выше, чем интенсивность спектра до ИК-излучения (рис.1). Этот факт был следствием образования FR в коже под воздействием ИК-излучения и продемонстрировал образование FR вблизи физиологических температур.

Известно, что второе интегральное значение спектра ЭПР пропорционально концентрации ФР [23,27]. Следовательно, для количественного определения FR в коже после ИК-излучения были рассчитаны вторые значения интегрирования спектров при разном времени облучения (рис. 2). На этом рисунке представлена ​​кинетическая эволюция концентрации FR на нативной и облученной инфракрасным излучением коже вблизи физиологических температур при воздействии инфракрасного излучения.Стандартное отклонение этих данных составляет от 1 до 2,5. На нативной коже концентрация FR со временем снижалась. Этот распад является типичной тенденцией для этих видов и является следствием разрушения радикалов [28,29]. Концентрация FR в коже, облученной ИК-излучением, была постоянной в течение первых минут, но примерно через 50 минут концентрация FR увеличилась, что привело к заключению, что образуются новые FR. Наконец, примерно через 80 мин облучения концентрация FR поддерживалась.Этот факт продемонстрировал способность ИК-излучения образовывать FR в коже при температуре кожи около 25-30 ° C.

Рис. 2

Концентрация FR для нативной и облученной кожи в разное время. Интенсивность излучения: 0,108 Вт / см ² .

Разница между начальными значениями FR может быть связана с тем, что кожа является биологическим образцом. Таким образом, даже если все куски кожи принадлежат одному и тому же животному и имеют одинаковые размеры и обработку, эти различия вполне ожидаемы.

Результаты, полученные на образцах кожи, обработанных Bcb, показаны на рис. 3. Стандартное отклонение этих данных составляет от 1 до 2,5. В целом концентрация FR была ниже в коже, обработанной Bcb. Фактически, концентрация FR в коже, обработанной Bcb, поддерживалась в течение 120 мин. После 75-80 мин ИК-излучения наблюдалась четкая разница в концентрации FR между кожей, облученной ИК-излучением, и кожей, обработанной Bcb, что указывает на эффект удаления этой липидной системы.Кроме того, важно отметить, что до облучения (время 0 мин) концентрация FR была также ниже в коже, обработанной Bcb, что указывает на нейтрализацию FR даже в отсутствие облучения.

Рис. 3

Концентрация FR при разном времени облучения для облученной кожи и для кожи, обработанной Bcb. Интенсивность излучения: 0,108 Вт / см ² .

Деградация коллагена под воздействием ИК-излучения

Установление необходимой дозы, вызывающей деградацию кожного коллагена

Известно, что высокие дозы ИК-излучения разрушают коллаген кожи, но на сегодняшний день необходимая доза ИК-излучения, вызывающая это разрушение, четко не определена [4,5,13].Следовательно, чтобы оценить возможный эффект защиты или восстановления Bcb от негативных воздействий на коллаген кожи, вызванных ИК-излучением, необходимо установить ИК-условия для разложения белка (см. Материалы и методы).

Регулярная шахматная структура коллагена вызывает периодические изменения электронной плотности, видимые при рассеянии рентгеновских лучей в виде острых пиков Брэгга [12,15]. Изучение этих пиков можно использовать для оценки организации коллагена кожи.

На рис. 4 показан результирующий профиль SAXS коллагена, когда образцы подвергались облучению с регулировкой инфракрасной лампы на различных расстояниях от образца (10, 15 и 30 см) и облучению в течение 30 минут каждый раз.Интенсивности облучения для каждого расстояния соответствуют 0,91, 0,48 и 0,16 Вт / см ² соответственно.

Рис. 4

Профили SAXS нативной кожи и кожи, облученной ИК-излучением в течение 30 мин на расстоянии 30 см (фиолетовая линия; цвет только в онлайн-версии), 15 см (зеленая линия) и 10 см (красная линия) от источник. Спектры были смещены по вертикальной оси для визуального сравнения. ИК: 800–1500 нм.

Когда кожа облучается на расстоянии от кожи до лампы 30 и 15 см, четко присутствуют пики коллагена, в то время как на 10 см потеря характерных пиков коллагена указывает на нарушение молекулярной дезорганизации белка.Температура кожи составляла 44 ° C, когда расстояние кожа-лампа было установлено равным 30 см, 68 ° C, когда расстояние кожа-лампа составляло 15 см, и 75 ° C, когда расстояние кожа-лампа составляло 10 см. Поэтому, чтобы оценить возможное защитное действие Bcb на кожу, расстояние кожа-лампа было зафиксировано на уровне 10 см. Затем, сохраняя фиксированное расстояние между инфракрасной лампой и образцом на уровне 10 см, на кожу наносили разное время облучения при регистрации профилей SAXS.

На рис. 5 показано постепенное разложение коллагена нативной кожи, подвергнутой ИК-излучению на фиксированном расстоянии между кожей и лампой (10 см) в разные периоды времени.На этом расстоянии интенсивность облучения кожи составляла 0,91 Вт / см ² , а дозы, соответствующие этим временам облучения, составляли 273, 546 и 819 Дж / см ² соответственно. После 5 и 10 минут облучения пики коллагена все еще наблюдались, но эти пики были короче по сравнению с пиками, полученными на нативной коже. Этот факт мог быть связан с дезорганизацией коллагена, которая была следствием деградации белка в это время облучения. Температура кожи при применении этих доз находилась в пределах 60-65 ° С.После 15 мин ИК-воздействия пиков коллагена не наблюдалось, что указывает на полную деградацию белка. Температура кожи при этой дозе составляла примерно 70 ° C.

Рис. 5

Профиль SAXS нативной кожи и кожи, облученной ИК-излучением на расстоянии кожа-лампа 10 см в течение 5 мин (фиолетовая линия; цвет только в онлайн-версии), 10 мин (красная линия) и 15 мин. (зеленая линия) показывает постепенную деградацию коллагена. Спектры были смещены по вертикальной оси для визуального сравнения.ИК: 800–1500 нм.

С этими результатами и для оценки возможного эффекта Bcb для защиты коллагена кожи расстояние между кожей и лампой было зафиксировано на уровне 10 см, а время облучения было зафиксировано на уровне 10 минут.

Защита коллагена с помощью Bcb

Образцы кожи обрабатывали системой Bcb, чтобы оценить ее защитный эффект на коллаген кожи от воздействия инфракрасного излучения. На рис. 6 показано постепенное разложение коллагена нативной кожи и кожи, обработанной Bcb, под воздействием инфракрасного излучения на фиксированном расстоянии кожа-лампа (10 см) в течение 10 мин.Характерные пики коллагена в профилях рентгеновского излучения указывают на изменение молекулярной организации коллагена в образцах кожи, подвергнутых воздействию инфракрасного света, по сравнению с нативной кожей, что демонстрирует повреждение, вызванное этим белком в это время облучения. Образцы кожи, предварительно обработанные Bcb и подвергнутые ИК-излучению, сохранили рентгеновский профиль с характерными чертами коллагена. Этот факт свидетельствовал бы о сохранении коллагеновых волокон кожи, обработанной этой системой, под воздействием инфракрасного излучения, указывая на мощную эффективность Bcb в сохранении коллагена.Температура кожи при этой дозе составляла примерно 60-65 ° C.

Рис. 6

Профили SAXS различных образцов кожи с соответствующими отражениями коллагена. Родная кожа (черный; цвет только в онлайн-версии), кожа, облученная инфракрасным излучением (красная) и кожа, обработанная Bcb (синий). Спектры были смещены по вертикальной оси для визуального сравнения. ИК: 800–1500 нм.

Обсуждение

Влияние ИК-излучения, формирующего FR в коже

Наиболее известным патологическим действием ИК-излучения на кожу (особенно IR-A) является сверхэкспрессия молекул ММП, которые оказывают разрушающее действие на коллаген кожи [4 , 10,13,30,31].До настоящего времени образование FR под действием ИК-излучения объяснялось в основном повышением температуры кожи, вызванным этим излучением [7,8,9,10,31], которое могло повысить температуру поверхности кожи до 43 ° C. Однако вопрос о том, вызывает ли ИК-излучение образование FR в коже напрямую или это результат теплового шока, вызванного ИК-излучением, на сегодняшний день не ясен. Недавнее исследование показало, что прямое тепловое воздействие на кожу не увеличивает экспрессию ММП так же, как это наблюдается с ИК-излучением [4].Это исследование демонстрирует, что воздействие тепла, производимого водяной баней, не вызывает тот же процесс, что и инфракрасное излучение [4]. Следовательно, важно оценивать эффект ИК-излучения независимо от тепла, производимого этим типом излучения, и, следовательно, потенциал этого эффекта для инициирования терапевтического или патологического воздействия на кожу. Самодельное устройство, используемое в этом исследовании, обеспечивает оптимальные условия для измерения образования FR in situ вблизи физиологических температур.Аппарат ИВЛ отводил тепло, исходящее от инфракрасной лампы, поэтому температура кожи поддерживалась в пределах 25-30 ° C, что позволяло нам оценить влияние инфракрасного излучения на кожу.

В некоторых исследованиях утверждается, что эти FR могут вызывать терапевтические или патологические эффекты на кожу в зависимости от применяемой дозы облучения. В низких дозах (1-10 Дж / см ² ) ИК-излучение стимулирует терапевтические эффекты, а в высоких дозах (> 120 Дж / см ² ) оно стимулирует патологические эффекты (примерно 1.5 часов под прямыми солнечными лучами в летнее время в Мюнхене, Германия) [4]. В наших экспериментах интенсивность облучения составила 0,108 Вт / см ² ; таким образом, для достижения дозы 120 Дж / см ² необходимо 18 мин ИК-воздействия. Как показано в этом исследовании, концентрация FR вблизи физиологических температур аналогична концентрации FR до воздействия ИК в это время облучения (рис. 2, 3). Следовательно, возможность того, что эта концентрация FR вызывает патологические эффекты, может не приниматься во внимание.Вероятно, что в той дозе, которая была использована при поддержании температуры от 25 до 30 ° C, энергии ИК-излучения недостаточно, чтобы вызвать негативное воздействие на кожу. Повышение концентрации FR вблизи физиологических температур достигается примерно через 50 мин воздействия ИК-излучения, то есть когда доза составляет около 324 Дж / см ² .

Дозы, используемые в этой работе, значительно выше, чем в других работах, в которых формируются FR. Например, Zastrow et al. [10] регистрировали FR с использованием меньших доз, чем в нашей работе, но в этих условиях температура кожи была выше 40 ° C.Учитывая важную роль температуры в формировании FR и температуры кожи ниже 30 ° C в наших экспериментах, нам потребовалось увеличить дозу IR для создания FR в коже.

Кроме того, важно учитывать, что минимальная доза для увеличения концентрации FR выше при использовании ИК-излучения, чем при использовании УФ-излучения. Предыдущее исследование показало образование FR на коже, подвергшейся воздействию УФ-излучения в дозах около 25-30 Дж / см ² [17], что заметно ниже, чем доза ИК-излучения, использованная в этом исследовании.Это связано с разницей в значениях энергии инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Энергия УФ-излучения выше, чем ИК-излучения; таким образом, для увеличения концентрации FR в коже могут потребоваться высокие дозы ИК-излучения.

Таким образом, образование FR возможно при близких к физиологическим температурам во время воздействия ИК-излучения и не обязательно происходит при высоких температурах. Следовательно, можно рассматривать инициирование различных сигнальных путей, вызывающих терапевтические или патологические эффекты вблизи физиологических температур.

Стабильность кожного коллагена под действием инфракрасного излучения

Кожный коллаген составляет 75% от сухой массы ткани. Этот белок обеспечивает эластичность кожи и отвечает за целостность тканей [12]. Молекулы коллагена образованы тремя α-полипептидными цепями, сложенными вместе, чтобы сформировать тройную спиральную структуру. Сборка между этими тройными спиральными молекулами образует фибриллярные группы в кожном коллагене, а сборка между этими фибриллярными группами формирует коллагеновые волокна [12].Этот белок может быть поврежден действием ИК-излучения за счет сверхэкспрессии ММП, которая активируется FR [4,13,31]. Нарушения молекулярной структуры коллагена влияют на упаковку коллагеновых волокон в различных тканях (коже, кости, груди или сухожилиях), что связано с патологическим состоянием ткани [12,32]. Следовательно, состояние коллагена кожи можно оценить, изучая высоту пиков Брэгга, полученных с помощью метода SAXS.

Разрушение кожного коллагена происходит при минимальной дозе 273 Дж / см ² , когда температура кожи составляет около 60 ° C.Полная деградация происходит при дозе 820 Дж / см ² , когда температура кожи достигает 70 ° C. Следовательно, чтобы вызвать деградацию коллагена кожи, необходимы жесткие условия окружающей среды, которые обычно не являются частью повседневной жизни. Тем не менее, оптимизация условий для разрушения коллагена кожи помогает оценить эффективность различных агентов, направленных на защиту структуры белка.

В данной работе деградация коллагена инфракрасным излучением при физиологических температурах не оценивалась.Фактически, учитывая, что коллаген имеет прочную структуру, нам необходимо ускорить деградацию этого белка с помощью инфракрасного излучения при высоких температурах. Дарвин и др. [13] показали деградацию коллагена in vivo, поддерживая физиологическое состояние кожи, используя измерения генерации второй гармоники. В этом исследовании добровольцы подвергались воздействию как минимум 2 часа каждый день в течение 4 недель. Эти условия не воспроизводятся для наших экспериментов in vitro. Состояние кусков кожи in vitro не могло сохраняться в течение 4 недель, и, учитывая отсутствие гомеостатического процесса, кожа могла быть повреждена (обезвоживание и возможные сигналы жжения).

В нашем исследовании отражения, полученные на расстоянии 30 см в течение 30 мин облучения, указывают на отсутствие деградации белка (рис. 4), хотя в этих условиях температура кожи составляла 44 ° C. Следовательно, можно предположить сохранение коллагена ниже этой температуры (включая физиологическую температуру) и при этой дозе (288 Дж / см ² ). В общем, деградация коллагена кожи при физиологической температуре и под действием ИК-излучения будет интересным исследованием в будущем.

Защита кожи от ИК-излучения с помощью Bcb

Нанесение Bcb на кожу снижает образование FR и деградацию коллагена, вызванную ИК-излучением. Этот защитный эффект, обеспечиваемый Bcb, может быть связан со свойствами β-каротина и характеристиками бикосомной системы.

β-Каротин, как было продемонстрировано, является эффективным антиоксидантом в липидной среде, улавливая FR или подавляя радикалы синглетного кислорода и защищая структуру коллагена [9,13,17,33,34].Этот антиоксидант может действовать как восстанавливающий агент образования FR, вызванного ИК-излучением, и, следовательно, можно избежать деградации коллагена.

В бикосомах липидные молекулы, образующие эту систему, также могут нести ответственность за снижение FR в коже. Молекулы липидов поглощают инфракрасный свет на разных длинах волн [35], а бикосомы образованы исключительно липидами. Таким образом, различные структуры бикосом (дискоидные структуры и сферические пузырьки) поглощают ИК-излучение.Кроме того, в предыдущей работе мы продемонстрировали антирадикальный эффект этой системы без антиоксидантов на коже, подвергшейся воздействию УФ-видимого излучения, как следствие рассеивания света, вызванного липидами, образующими бикосомы [17]. Поэтому мы хотим упомянуть о возможном защитном эффекте бикосом. Вероятно, что синергетический эффект между β-каротином и структурой бикосом может быть ответственным за защитный эффект системы Bcb.

Чтобы понять защитный эффект бикосом, важно понять взаимодействие этой липидной системы с кожей.Внешние везикулы размером примерно 200 нм не могут проникать через поверхностный слой кожи, роговой слой, и, следовательно, они остаются на поверхности кожи так же, как описано для других липидных везикул [36 ]. При контакте с кожей двойной слой внешнего пузырька бикосом лопается, и инкапсулированные диски (называемые бицеллами) высвобождаются. Благодаря небольшому размеру и толщине бицеллы способны проникать в кожу [37]. После включения в роговой слой бицеллы увеличиваются в размере в результате содержания воды внутри ткани и, наконец, они удерживаются в ткани [18,37,38].Это увеличение включает переход от бицелл к везикулам, и, следовательно, бицеллы удерживаются в ткани (а также β-каротин) [18,37,38]. Фактически, есть некоторые исследования, связанные с проникновением двуцелл в кожу, которые показывают проникновение этих систем глубже, чем роговой слой (около 30-40 мкм) [37,39]. Следовательно, бикосомы взаимодействуют с кожей на поверхности (с помощью внешнего пузырька) и внутри ткани (с помощью внутренних бицелл), и, таким образом, липиды и β-каротин могут оставаться на поверхности и внутри. кожа как резервуар ткани.

Интенсивность инфракрасного излучения, которое проникает в кожу, будет уменьшена из-за свойств системы Bcb, что уменьшит образование FR. Кроме того, учитывая, что ИК-излучение может проникать до дермы [4,5,13], проникновение этого излучения, вероятно, будет глубже, чем проникновение бикосом. Тем не менее, компоненты бикосом остаются в коже. Затем, благодаря свойствам поглощения инфракрасного излучения липидов, образующих бикосомы, и антиоксидантным свойствам β-каротина, радиация, которая достигает дермы, будет уменьшена, что может способствовать сохранению кожного коллагена.Таким образом, защитный эффект Bcb на глубоко расположенный коллаген основан на снижении интенсивности ИК-излучения, что позволяет обрабатывать дерму кожи бикосомами.

Выводы

ИК-устройство, присоединенное к спектрометру ЭПР, обеспечивает адекватные условия для выполнения измерений FR в образцах кожи. Образование FR под воздействием инфракрасного излучения не обязательно происходит при высоких температурах кожи — оно также возникает при температурах, близких к физиологическим. Следовательно, инициирование различных сигнальных путей, вызывающих терапевтические или патологические эффекты вблизи физиологических температур, может быть исследовано дополнительно.Для разложения коллагена кожи необходимы высокие температуры примерно 65 ° C, которые обычно не являются частью повседневной жизни.

Обработка Bcb уменьшает образование FR в коже, подвергнутой ИК-излучению, и сохраняет структуру коллагена. Этот факт демонстрирует высокую эффективность бикосомных систем в защите кожи от инфракрасного излучения.

Благодарность

Эта работа поддержана фондами CTQ 2013-44998-P.

Заявление об этике

Кожа, использованная в этом исследовании, была получена от свиньи, принесенной в жертву для медицинских экспериментов в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных , опубликованным Национальным институтом здравоохранения США (восьмое издание, 2011 г.).

Заявление о раскрытии информации

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Биниек К., Леви К., Даускардт Р. Х. Солнечное УФ-излучение снижает барьерную функцию кожи человека. Proc Natl Acad Sci USA 2012; 109: 17111-17116.
2. Холик М.Ф .: Солнечный свет, УФ-излучение, витамин D и рак кожи: сколько солнечного света нам нужно? Adv Exp Med Biol 2008; 624: 1-15.
3. Ичихаши М., Уэда М., Будиянто А., Бито Т., Ока М., Фукунага М., Цуру К., Хорикава Т.: повреждение кожи, вызванное ультрафиолетом.Токсикология 2003; 189: 21-39.
4. Ахалая М.Ю., Максимов Г., Рубин А., Ладеманн Дж., Дарвин М.: Молекулярные механизмы действия солнечного инфракрасного излучения и тепла на кожу человека. Aging Res Rev 2014; 16: 1-11.
5. Крутманн Дж., Морита А., Чанг Дж. Х .: Воздействие солнца: что молекулярная фотодерматология говорит нам о его хороших и плохих сторонах.Дж. Инвест Дерматол 2012; 132: 976-984.
6. Чо С., Шин М.Х., Ким Ю.К., Со Дж-Э, Ли Ю.М., Пак С.-Х, Чунг Дж. Х .: Влияние инфракрасного излучения и тепла на старение кожи человека in vivo. J Investigation Dermatol Symp Proc 2009; 14: 15-19.
7. Дарвин М.Э., Хааг С.Ф., Ладеманн Дж., Застров Л., Стерри В., Майнке М.С.: Образование свободных радикалов в коже человека во время облучения инфракрасным светом.Дж. Инвест Дерматол 2010; 130: 629-631.
8. Дарвин М., Хааг С., Мейнке М., Застров Л., Стерри В., Ладеманн Дж .: Производство радикалов с помощью инфракрасного излучения А в тканях человека. Кожа Pharmacol Physiol 2010; 23: 40-46.
9. Дарвин М.Э., Флур Дж. В., Мейнке М.К., Застров Л., Стерри В., Ладеманн Дж .: Актуальный β-каротин защищает от свободных радикалов, индуцируемых инфракрасным светом.Эксперимент Дерматол 2011; 20: 125-129.
10. Застров Л., Грот Н., Кляйн Ф., Кокотт Д., Ладеманн Дж., Реннеберг Р., Ферреро Л. Недостающее звено — индуцированное светом (280–1600 нм) образование свободных радикалов в коже человека. Кожа Pharmacol Physiol 2008; 22: 31-44.
11. Элиас П.М., Фейнгольд К.Р.: Кожный барьер.Нью-Йорк, Тейлор и Фрэнсис, 2006.
12. Коста М., Бенсени-Кейз Н., Кочера М., Тейшейра С.В., Альсина М., Кладера Дж., Лопес О., Фернандес М., Сабес М.: Диагностика применения некристаллической дифракции коллагеновых волокон: рак груди и кожные заболевания; in Ezquerra TA, Garcia-Gutierrez MC, Nogales A, Gomez M (eds): Применение синхротронного света к рассеянию и дифракции в материалах и науках о жизни.Берлин / Гейдельберг, Springer, 2009, стр. 265-280.
13. Darvin ME, Richter H, Ahlberg S, Haag SF, Meinke MC, Le Quintrec D, Doucet O, Lademann J: Влияние солнечного света на кожные коллагеновые / эластиновые волокна и каротиноиды: негативные эффекты можно уменьшить с помощью солнцезащитного крема.Журнал Биофотоника 2014; 7: 735-743.
14. Nam JJ, Lee KE, Kim YJ: ПММА или тальк, покрывающий оксид металла, в качестве нового блокатора IR ингибирует вызванное IR уменьшение коллагенов в дермальных фибробластах человека. Int J Cosmet Sci 2015; 37: 433-437.
15. Cocera M, Rodrıguez G, Rubio L, Barbosa-Barros L, Benseny-Cases N, Cladera J, Sabes M, Fauth F, de la Maza A, Lopez O: Характеристика состояний кожи с помощью некристаллической дифракции.Мягкое вещество 2011; 7: 8605-8611.
16. Родригес Г., Рубио Л., Косера М., Эстельрих Дж., Понс Р., де ла Маза А., Лопес О.: Применение бицеллярных систем на коже: эффекты диффузии и молекулярной организации. Ленгмюр 2010; 26: 10578-10584.
17. Фернандес Э., Фахари Л., Родригес Г., Лопес-Иглесиас С., Кочера М., Барбоса-Баррос Л., де ла Маса А., Лопес О.: Бицеллы и бикосомы как поглотители свободных радикалов в коже.RSC Adv 2014; 4: 53109-53121.
18. Fernández E, Rodríguez G, Cócera M, Barbosa-Barros L, Alonso C, López-Iglesias C, Jawhari T., de la Maza A, López O: Продвинутые липидные системы, содержащие β-каротин: стабильность при УФ-видимом излучении и нанесение на свиная кожа in vitro. Phys Chem Chem Phys 2015; 17: 18710-18721.
19. Дарвин М., Застров Л., Стерри В., Ладеманн Дж .: Влияние добавок и местно применяемых антиоксидантных веществ на ткани человека. Кожа Pharmacol Physiol 2006; 19: 238-247.
20. Ладеманн Дж., Шанцер С., Мейнке М., Стерри В., Дарвин М.: Взаимодействие между каротиноидами и свободными радикалами в коже человека.Кожа Pharmacol Physiol 2011; 24: 238-244.
21. Lademann J, Patzelt A, Schanzer S, Richter H, Meinke M, Sterry W, Zastrow L, Doucet O, Vergou T., Darvin M: Поглощение антиоксидантов естественным питанием и добавками: плюсы и минусы с дерматологической точки зрения. Кожа Pharmacol Physiol 2011; 24: 269-273.
22. Шмитц К.С.: Введение в динамическое рассеяние света макромолекулами. Сан-Диего, Academic Press, 1990.
23. Станковский Дж., Хильцер В. Введение в магнитно-резонансную спектроскопию.Варшава, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005.
24. Bouwstra JA, Gooris GS, Bras W, Talsma H: Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей: возможности и ограничения в характеристике пузырьков. Chem Phys Lipids 1993; 64: 83-98.
25. Buettner GR: Спиновый захват: параметры ESR спиновых аддуктов.Free Radic Biol Med 1987; 3: 259-303.
26. Haywood R, Rogge F, Lee M: Белковые, липидные и ДНК-радикалы для измерения повреждения кожи UVA и модуляции меланином. Free Radic Biol Med 2008; 44: 990-1000.
27. Итон Г.Р., Итон С.С., Барр Д.П., Вебер Р.Т.: Количественный ЭПР.Берлин, Springer Science & Business Media, 2010.
28. Herrling T, Jung K, Fuchs J: Роль меланина как защитника от свободных радикалов в коже и его роль как индикатора свободных радикалов в волосах. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc 2008; 69: 1429-1435.
29. Плонка П.М.: Электронный парамагнитный резонанс как уникальный инструмент для исследования кожи и волос.Exp Dermatol 2009; 18: 472-484.
30. Cho S, Lee MJ, Kim MS, Lee S, Kim YK, Lee DH, Lee CW, Cho KH, Chung JH: Инфракрасное излучение плюс видимый свет и тепло от естественного солнечного света участвуют в экспрессии MMP и проколлагена I типа, а также в инфильтрации. воспалительной клетки в коже человека in vivo.J Dermatol Sci 2008; 50: 123-133.
31. Schieke SM, Stege H, Kürten V, Grether-Beck S, Sies H, Krutmann J: Экспрессия матричной металлопротеиназы 1, индуцированная инфракрасным излучением A, опосредуется активацией киназы 1/2, регулируемой внеклеточными сигналами, в дермальных фибробластах человека. Дж. Инвест Дерматол 2002; 119: 1323-1329.
32. Proksch E, Segger D, Degwert J, Schunck M, Zague V, Oesser S: Пероральный прием определенных пептидов коллагена оказывает благотворное влияние на физиологию кожи человека: двойное слепое плацебо-контролируемое исследование. Кожа Pharmacol Physiol 2014; 27: 47-55.
33. Tsuchihashi H, Kigoshi M, Iwatsuki M, Niki E: Действие β-каротина как антиоксиданта против перекисного окисления липидов.Arch Biochem Biophys 1995; 323: 137-147.
34. Мюллер Л., Бем В.: Антиоксидантная активность соединений β-каротина в различных анализах in vitro. Молекулы 2011; 16: 1055-1069.
35. Тамм Л.К., Татулян С.А.: Инфракрасная спектроскопия белков и пептидов в липидных бислоях.Quart Rev Biophys 1997; 30: 365-429.
36. Muller RH, Petersen RD, Hommoss A, Pardeike J: Наноструктурированные липидные носители (NLC) в косметических дермальных продуктах. Adv Drug Deliv Rev 2007; 59: 522-530.
37. Родригес Дж., Барбоса-Баррос Л., Рубио Л., Кочера М., Фернандес-Кампос Ф., Кальпена А., Фернандес Е., Де Ла Маза А., Лопес О. Бицеллы: новые липидные наносистемы для дерматологических применений.Дж. Биомед Нанотех 2015; 11: 282-290.
38. Родригес Дж., Барбоса-Баррос Л., Рубио Л., Косера М., Лопес-Иглесиас С., де ла Маза А., Лопес О. Бицеллярные системы как модификаторы липидной структуры кожи. Colloids Surf B Biointerfaces 2011; 84: 390-394.
39. Fernández E, Rodríguez G, Hostachy S, Clède S, Cócera M, Sandt C, Lambert F, de la Maza A, Policar C, López O: производное трис-карбонила рения в качестве модельной молекулы для включения в фосфолипидные сборки для кожных аппликаций. .Colloids Surf B Biointerfaces 2015; 131: 102-107.

---

Автор Контакты

Эстибалиц Фернандес

Институт современной химии Каталонии (IQAC-CSIC)

Хорди Жирона 18-26

ES-08034 Барселона (Испания)

Электронная почта [email protected]

---

Подробности статьи / публикации

Предварительный просмотр первой страницы

Поступила: 13 января 2016 г.
Принята к публикации: 19 мая 2016 г.
Опубликована онлайн: 6 июля 2016 г.
Дата выпуска: сентябрь 2016 г.

Количество страниц для печати: 9
Количество рисунков: 6
Количество столов: 1

ISSN: 1660-5527 (печатный)
eISSN: 1660-5535 (онлайн)

Для дополнительной информации: https: // www.karger.com/SPP

---

Авторские права / Дозировка препарата / Заявление об ограничении ответственности

Авторские права: Все права защищены. Никакая часть данной публикации не может быть переведена на другие языки, воспроизведена или использована в любой форме и любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись, микрокопирование, или с помощью какой-либо системы хранения и поиска информации, без письменного разрешения издателя. .
Дозировка лекарств: авторы и издатель приложили все усилия, чтобы гарантировать, что выбор и дозировка лекарств, указанные в этом тексте, соответствуют текущим рекомендациям и практике на момент публикации.Тем не менее, ввиду продолжающихся исследований, изменений в правительственных постановлениях и постоянного потока информации, касающейся лекарственной терапии и реакций на них, читателю рекомендуется проверять листок-вкладыш для каждого препарата на предмет любых изменений показаний и дозировки, а также дополнительных предупреждений. и меры предосторожности. Это особенно важно, когда рекомендованным агентом является новое и / или редко применяемое лекарство.
Отказ от ответственности: утверждения, мнения и данные, содержащиеся в этой публикации, принадлежат исключительно отдельным авторам и соавторам, а не издателям и редакторам.Появление в публикации рекламы и / или ссылок на продукты не является гарантией, одобрением или одобрением рекламируемых продуктов или услуг или их эффективности, качества или безопасности. Издатель и редактор (-ы) не несут ответственности за любой ущерб, причиненный людям или имуществу в результате любых идей, методов, инструкций или продуктов, упомянутых в контенте или рекламе.

Испускают ли люди радиацию?

Категория: Здоровье Опубликовано: 17 июля 2013 г.

Люди светятся в основном в инфракрасной части электромагнитного спектра.Изображение общественного достояния, источник: NIST.

Да, люди испускают радиацию. Люди испускают в основном инфракрасное излучение, то есть электромагнитное излучение с частотой ниже, чем видимый свет. Этот эффект не уникален для людей. Все объекты с ненулевой температурой испускают тепловое излучение. А поскольку температура, равная абсолютному нулю, физически невозможна, все объекты испускают тепловое излучение. Здесь нужно быть осторожным. Тепловое излучение — это не то же самое, что инфракрасное излучение.«Тепловое излучение» — это все электромагнитные волны, испускаемые объектом из-за его температуры, включая радиоволны, инфракрасные волны и даже видимый свет. Инфракрасные волны — только одна часть теплового излучения. Их часто путают, потому что большая часть теплового излучения — это инфракрасное излучение для температур, комфортных для человека. По мере того, как объект нагревается, пик его теплового излучения смещается в сторону более высоких частот. Солнце достаточно горячее, поэтому большая часть его теплового излучения испускается в виде видимого света и волн ближнего инфракрасного диапазона.

Тепловое излучение переносит только тепло и указывает температуру его источника. Разные люди в разное время испускают разное количество радиации. Но эти различия просто показывают, кто горячее, а не кто толще, выше, печальнее или праведнее. Тепловые изображения человека, снятые с помощью инфракрасной камеры, просто показывают температуру кожи человека и не могут использоваться для диагностики заболеваний, происходящих под кожей. Одежда, как правило, блокирует инфракрасное излучение, поэтому мужчина без рубашки излучает больше излучения, чем когда она надета.Этот факт может подтвердить всякий, кто хоть раз повозился с инфракрасной камерой.

Инфракрасное излучение неионизирует и поэтому не может вызвать рак. Это хорошо, потому что камни, деревья, стулья, столы и стены вокруг нас постоянно наводняют нас потоком инфракрасного излучения. По большей части люди не излучают другие формы излучения, кроме теплового. Люди часто едят следы радиоактивных минералов, которые встречаются в природе, и поэтому испускают крошечные количества других видов излучения.Например, бразильские орехи и бананы содержат больше радиоактивных элементов. Но количества слишком малы, чтобы быть заметными или повлиять на их здоровье. Если человеку сделали медицинское сканирование, требующее питья радиоактивного контрастного вещества, он будет излучать больше излучения, чем обычно, в течение нескольких часов, пока контраст не исчезнет, ​​но количества все еще слишком малы, чтобы повлиять на повседневную жизнь и здоровье.

Темы: тепло тела, инфракрасный, свет, излучение, температура, тепловидение, тепловое излучение

Полезен или вреден инфракрасный свет для кожи?

Хорошо известно, что инфракрасный (ИК) свет, который по сути представляет собой тепловое излучение, применяемый с правильной интенсивностью, обычно используется в различных терапиях и, как известно, обладает лечебными свойствами.Однако новые научные данные показывают, что, хотя в некоторых случаях инфракрасный свет полезен, он также вреден для кожи, тем более, что новые исследования показывают, что кожа потенциально подвергается воздействию инфракрасной энергии в шесть раз больше, чем ультрафиолета от солнечного света.

Что составляет солнечный свет?

Излучение солнца, достигающее поверхности Земли, подразделяется на:

1. Ультрафиолетовый свет	Составляет 5-10% энергии излучения
2.Видимый свет	Составляет 40% энергии излучения
3. Инфракрасный свет	Составляет примерно 50% энергии излучения

УФ-излучение считается наиболее опасным для кожи. УФ-А увеличивает риск фотостарения, а УФ-В может вызвать болезненные солнечные ожоги, а также повысить риск рака кожи. Большое внимание уделяется защите от солнца от излучения UVB, но свет UVB составляет только 5% энергии излучения, которое доходит до нас от солнца.Остальное состоит из видимого света и инфракрасного излучения.

Новое научное исследование показало, что треть инфракрасного (ИК) света может проникать в более глубокие слои кожи, вызывая тепловые реакции, такие как воспаление, потеря гидратации и разрушение коллагена и эластина. Это, в сочетании с увеличением количества свободных радикалов, значительно увеличивает риск фотостарения. Фактически, теперь научно доказано, что инфракрасное излучение усиливает разрушающее воздействие УФ-излучения на вашу кожу.

Сейчас как никогда важно выбрать безопасную и эффективную защиту от солнца, которая предлагает широкий спектр UVA и UVB, а также инфракрасную защиту, чтобы дать коже (особенно фототипам темной кожи) наилучшую защиту от солнечных ожогов, фотостарения и рак кожи. Защита от солнца должна стать частью вашего повседневного ухода за кожей, чтобы она выглядела здоровой и красивой.

Новый минеральный солнцезащитный крем

Environ RAD SHIELD ^® был научно разработан с использованием мощных минеральных солнцезащитных отражателей (цинк и титан), основных антиоксидантов, а также научно продвинутого, адаптирующегося к температуре ингредиента под названием Venuceane ^® , обеспечивающего полную ежедневную защиту от повреждающее действие ультрафиолетового и инфракрасного излучения.