Введение

Лазерная терапия широко известна как неинвазивный метод лечения, который обеспечивает уменьшение болевых ощущений и воспаления, улучшает процессы заживления и восстановления тканей [1]. Эффективность применения этого метода была показана при лечении разных заболеваний и состояний в травматологии и ортопедии [2, 3], эндокринологии [4], неврологии [5], ревматологии [6], дерматологии [7], стоматологии [8]. Терапевтические эффекты достигаются путем генерации фотобиомодуляции (ФБМ), которая в свою очередь воздействует на клетки и ткани, вызывая в них ряд физиологических изменений и запуская тем самым процессы восстановления [8]. Несмотря на обилие исследований и статей по указанной теме, механизмы действия остаются не до конца изученными [5].

Цель исследования — провести анализ опубликованных результатов исследований низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ), описать физические принципы ФБМ, ее механизмы действия на разные клетки и ткани, терапевтическое воздействие и эффективность метода.

Материал и методы

Проведен анализ статей, представленных в базе данных PubMed, за период с 2014 по 2022 г., преимущество отдавали статьям за последние 5 лет. Поиск осуществляли по ключевым словам: низкоинтенсивная лазерная терапия, фотобиомодуляция, экзосомы, моноциты, макрофаги.

Результаты

Механизм действия и эффекты фотобиомодуляции

Согласно одной из теорий, ФБМ, также известная как НИЛИ, воздействует на клетки фотохимически: хромофоры митохондрий, а именно цитохром-c-оксидаза, расположенная в IV блоке дыхательной цепи переноса электронов, поглощает фотоны ФБМ, тем самым активируя процессы гликолиза и синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) в клетках [9]. В условиях высокой концентрации АТФ происходит метаболическое «переключение» от гликолиза к окислительному фосфорилированию, в результате чего, в частности, увеличивается остеогенная дифференцировка стволовых клеток [10—13]. Другая теория механизма действия ФБМ состоит в том, что фотонное излучение прямо или косвенно воздействует на ДНК и геном клеток [8]. Также известно, что НИЛИ способствует проникновению в клетку Ca²⁺ через светочувствительные ионные каналы, взаимодействию ионов с активными формами кислорода, NO и циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ), а впоследствии — к повышению активности факторов транскрипции [8].

Воздействие ФБМ приводит к образованию свободных радикалов, в том числе активных форм кислорода (АФК) [14]. АФК играют большую роль в жизненном цикле клеток: поддержание гомеостаза АТФ, синтез и последующая регуляция белков, подверженных окислительно-восстановительным изменениям и участвующих в пролиферации и дифференцировке клеток, активация миграции миогенных клеток-предшественниц в зону повреждения, регуляция клеточного цикла и сигнальных путей [15]. При нормальной метаболической активности АФК производятся, трансформируются и расходуются в тканях [16]. Однако чрезмерное увеличение количества АФК в клетках оказывает цитотоксичное действие, приводит к нарушению передачи сигнальных каскадов и является предиктором ряда заболеваний [14].

По мере увеличения синтеза АФК улучшается микробицидная активность фагоцитов (нейтрофилов, моноцитов, макрофагов), в основном за счет увеличения продукции перекиси водорода, которая затем преобразуется в высокореактивное соединение под действием фермента миелопероксидазы [17]. Таким образом, можно говорить о том, что ФБМ стимулирует иммунный ответ против микроогранизмов. Это было подтверждено результатами исследования, в котором после воздействия НИЛИ увеличились продукция АФК макрофагами и моноцитами и их микробицидная активность [18]. В исследовании M. de Castro и соавт. [19] ФБМ (длина волн 660 и 780 нм) увеличивала генерацию АФК и NO моноцитами и повышала их фунгицидное действие против Candida albicans.

В многочисленных исследованиях представлены данные, свидетельствующие об усилении пролиферации стволовых клеток после воздействия на них НИЛИ, а также об улучшении миграции и выживаемости клеток [8], однако в то время как в одних публикациях авторы сообщали об улучшении дифференцировки стволовых клеток [20], в других исследованиях не было выявлено значимых различий по сравнению с контрольной группой [10].

Таким образом, к терапевтическим эффектам ФБМ относятся: усиление ангиогенеза [21] и микробицидной активности фагоцитов [19], активация синтеза АФК [22] и коллагена [3], а также корреляция воспалительной реакции [3, 18].

Влияние фотобиомодуляции на клетки иммунной системы

Макрофаги играют важную роль в широком спектре физиологических и патологических процессов: начиная от тканевого гомеостаза и заканчивая процессом репарации [23]. M₁-макрофаги осуществляют защитную функцию иммунной системы и активируются воспалительными цитокинами, продуцируемыми Th₁-клетками или микробными продуктами; M₂-макрофаги, напротив, активируются при воздействии интерлейкинов (IL) IL-4/IL-13/IL-10 и обладают преимущественно иммуносупрессорной активностью [24]. В процессе восстановления тканей происходит постоянный динамический процесс — активация разных фенотипов макрофагов [18]. Непосредственно после травмы большинство макрофагов приобретают M₁-фенотип и секретируют провоспалительные цитокины, такие как IL-1b, IL-6 и фактор некроза опухоли-a (TNF-a), а также хемокины CCL3, CCL4 и CXCL2, стимулирующие развитие острой фазы воспаления [2]. Так, CCL3 способствует рекрутированию нейтрофилов и моноцитов, а также стимулирует дополнительную продукцию IL-1, IL-6 и TNF-a, тем самым усиливая воспалительный ответ [24]. CXCL2 относится к цитокинам начальной фазы воспаления, однако является еще и активным компонентом стадии заживлении тканей путем стимуляции миграции клеток и активации ангиогенеза [23]. Далее макрофаги приобретают M₂-фенотип и продуцируют сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF), трансформирующий фактор роста-b1 (TGF-b1) и инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1) [24]. Тем самым M₂-макрофаги способствуют формированию грануляционной ткани, экспрессии генов, необходимых для репарации тканей, синтезу коллагена и ремоделированию тканей [23]. Соотношение M₁- и M₂-макрофагов строго регулируется при восстановлении тканей, поскольку дисбаланс цитокинов приводит либо к обширному повреждению тканей (M₁-ассоциированный процесс), либо к избыточному фиброзу (M₂-ассоциированный процесс) [18]. Таким образом, терапевтическое вмешательство в виде регуляции дифференцировки макрофагов в M₁- и M₂-фенотип может оказать положительное влияние на процесс восстановления тканей и позволит избежать нежелательных эффектов, связанных с нарушением функциональной активности макрофагов [25]. В исследованиях было показано, что ФБМ при длине волны 780 нм уменьшает экспрессию мРНК IL-1a, IL-1b и IL-6, а также синтез белков IL-1b, TNF-a и CCL2; в то время как ФБМ при длине волны 660 нм ингибирует экспрессию мРНК CXCL2 и синтез IL-8, индуцибельной NO-синтазы (iNOS), циклооксигеназы (ЦОГ) и TNF-a [2, 26]. K. de Brito Sousa и соавт. [18] оценивали влияние НИЛИ (длина волн 660 и 780 нм) на экспрессию цитокинов и хемокинов M₁- и M₂-макрофагами. Были предоставлены данные, что ФБМ при длине волны 660 нм снизила экспрессию мРНК CCL3, CXCL2 и TNF-a в M₁-макрофагах через 4 ч, уменьшила экспрессию мРНК CXCL2 в M₂-макрофагах и увеличила экспрессию мРНК CXCL2 и TNF-a в M₁-макрофагах через 24 ч; ФБМ при длине волны 780 нм повысила экспрессию мРНК TGFb1 в M₂-макрофагах через 4 ч и снизила — через 24 ч, а также уменьшила экспрессию мРНК CCL3 и IL-6 в M₁-макрофагах через 24 ч [18]. Исходя из результатов исследования, можно сделать вывод, что НИЛИ оказывает определенное влияние на экспрессию M-ассоциированных цитокинов, однако этот эффект непостоянен и зависит от времени и характера излучения. Вышесказанное подтверждает тот факт, что для использования противовоспалительного эффекта лазерной терапии в терапевтических целях необходимы дальнейшие исследования для определения четких дозиметрических параметров излучения [8].

Циркулирующие в крови моноциты при развитии воспаления способны мигрировать в патологический очаг, дифференцироваться там в макрофаги, усиливая тем самым повреждение тканей [27]. Ингибирование этого рекрутинга способно уменьшить сверхфизиологическую травматизацию, именно поэтому моноциты являются привлекательной терапевтической мишенью [28]. J. Song и соавт. [29] опубликовали результаты исследования, изучающего влияние НИЛИ на культуру клеток моноцитов человека (THP-1). Облучение производили красным светом (длина волны 630 нм). Авторы выявили, что лазерное воздействие значительно снизило уровень TNF-a и IL-1b по сравнению с контрольной группой, отметили уменьшение уровня мРНК TNF-a, IL-6 и IL-1b, а при 5-кратном воздействии лазера — сокращение внутриклеточной продукции АФК [16]. Кроме того, в облученных клетках было обнаружено повышение экспрессии Nrf2. Nrf2 — это чувствительный к окислительно-восстановительным процессам транскрипционный фактор, регулирующий уровень АФК в клетках [30]. Он не только регулирует реакцию клеток на оксидативный стресс, но и подавляет воспаление путем регуляции синтеза цитокинов и взаимодействия с сигнальным путем NF-kB [31]. NF-kB также является фактором транскрипции, в свою очередь регулирующим клеточную пролиферацию, апоптоз и экспрессию генов, отвечающих за воспаление и иммунный ответ. Уровень экспрессии NF-kB уменьшился после НИЛИ. В свою очередь, было отмечено снижение жизнеспособности клеток после светодиодного облучения с плотностью потока энергии (ППЭ) более 30,6 Дж/см² [16]. C. Chen и соавт. [26] в своей работе использовали 2 источника света (660 и 880 нм) с разной ППЭ (1—3 Дж/см²) и изучали влияние ФБМ на поляризацию моноцитов THP-1 в M₁-макрофаги. На первом этапе авторы рассматривали влияние НИЛИ на экспрессию хемокинов и цитокинов в THP-1. Экспрессия хемокина CCL-2, ассоциированного с M₁-макрофагами, была усилена при воздействии лазерного облучения с ППЭ 1—2 Дж/см² и снижена при 3 Дж/см²; экспрессия мРНК CXCL-10 была увеличена в группе воздействия 660 нм и снижена при 880 нм; аналогичные результаты наблюдались в отношении TNF-a. Известно, что эпигенетическая регуляция является одним из важнейших механизмов изменения экспрессии TNF-a [32]. В ходе исследования были обнаружены значительные модификации гистона в локусе гена TNF-a в обработанной лазером группе моноцитов, что связано с повышением уровня ацетилирования гистона, а также триметилирования H3K4 в проксимальном промоторном субрегионе и в областях TNF-1, TNF-3 и TNF-4 гена TNF-a. Также при обработке лазером с ППЭ 1 Дж/см² было обнаружено увеличение количества митохондриальных копий, комплексов I—V дыхательной цепи и термогенина [26]. Результаты приведенных исследований свидетельствуют о том, что НИЛИ оказывает влияние на поляризацию моноцитов, в том числе путем клеточной регуляции — дифференциальной модификации гистона и изменением активности сигнальных путей [16, 26].

Влияние фотобиомодуляции на регенерацию аксонов после травмы спинного мозга

Макрофаги играют ключевую роль в стадии вторичной травмы спинного мозга: доминирующие M₁-макрофаги секретируют большое количество провоспалительных цитокинов в месте повреждения и препятствуют восстановлению тканей, в то время как M₂-макрофаги подавляют воспаление, способствуют секреции нейротрофических факторов и улучшают аксональную регенерацию [29]. Было показано, что важную роль в синтезе нейротрофических факторов играет стимуляция определенных сигнальных путей, таких как ERK-cAMP (CREB) и PKA-CREB [33]. Коррекция поляризации макрофагов и их функциональной активности имеет решающее значение для регенерации нервных волокон [34]. В экспериментах на модели крыс с травмой спинного мозга было вявлено, что НИЛИ (длина волны 810 нм) улучшает восстановление опорно-двигательной функции, уменьшает образование рубцов и значительно улучшает выживаемость нейронов путем модуляции воспалительной микросреды, подавления секреции провоспалительных цитокинов и увеличения доли M₂-макрофагов [29, 32, 35] В исследовании J. Zhang и соавт. [36] была поставлена цель изучить эффекты ФБМ на поляризацию макрофагов, а также секрецию нейротрофических факторов. Было выявлено, что НИЛИ уменьшило экспрессию M₁-макрофаг-специфичных маркеров (iNOS) и увеличило экспрессию M₂-макрофаг-специфичных маркеров (ARG-1), способствовало секреции нейротрофических факторов путем активации и фосфорилирования PKA-CREB-сигнального пути и улучшило регенерацию аксонов. Результаты исследования подтверждают тот факт, что ФБМ является перспективным эффективным методом реабилитации пациентов с травмой спинного мозга [36].

В исследовании K. Li и соавт. [5] была произведена оценка влияния НИЛИ (длина волны 810 нм) на классически активированные макрофаги костного мозга (BMDM) на модели крыс с повреждением спинного мозга. В ходе эксперимента было обнаружено увеличение жизнеспособности клеток после воздействия ФБМ, выявлено уменьшение генерации АФК и экспрессии провоспалительных факторов, а также экспрессии и фосфорилирования транскрипционного фактора NF-kB p65, что соответствует результатам предыдущих исследований [5, 37]. Итогом научного труда стало заключение, что ФБМ обладает нейропротективным действием, влияет на поляризацию макрофагов, увеличивая процент M₂-клеток; а также способствует восстановлению утраченных функций, в результате чего исследователи сделали вывод, что НИЛИ обладает определенными положительными свойствами, подтверждающими теоретическую основу для дальнейшего использования этого метода при травмах спинного мозга [5].

Влияние фотобимодуляции на костную регенерацию

В настоящее время для лечения костных дефектов используют в основном аутологичные и аллогенные костные трансплантаты, однако, несмотря на активное развитие биотехнологий и регенеративной медицины, важной проблемой остаются раннее восстановление кровоснабжения донорской кости и стимуляция остеогенной дифференцировки клеток [38]. В физиологическом процессе ремоделирования костной ткани значительную роль играет именно скорость ангиогенеза, так как медленное восстановление васкуляризации, особенно больших трансплантатов, на ранней стадии приводит к их ишемии и последующему некрозу [39]. В трабекулярной и кортикальной части костей находится определенный H-тип кровеносных сосудов, характеризующийся высокой экспрессией CD31 и эндомуцинов (CD31^hiEMCN^hi), скорость формирования которых в большей степени влияет на эффективность остеогенеза [40]. При этом известно, что во время остеогенеза остеобласты и близлежащие эндотелиальные клетки синтезируют гипоксиальный фактор-1a (HIF-1a) — транскрипционный фактор, прямо зависящий от уровня гипоксии, который в свою очередь увеличивает экспрессию VEGF и синтез кровеносных сосудов H-типа [41]. Также известно и то, что в результате лазерного облучения происходит увеличение производства АФК в клетках, способствующих окислению ионов железа и ингибирующих активность пролин-гидроксилаз, которые отвечают за деградацию HIF-1a [42]. В ходе исследования J. Bai и соавт. [43], в котором изучали влияние НИЛИ (длина волны 808) на костную регенерацию, были продемонстрированы следующие эффекты: улучшение ангиогенеза, минерализации костной ткани, консолидации переломов и остеогенной дифференцировки клеток. Полученный результат авторы объяснили формированием большего количества новых кровеносных сосудов H-типа, коллагеновых волокон и костной ткани по сравнению с контрольной группой; увеличением экспрессии остеогенных маркеров ALP и RUNX2; АФК-зависимым приростом экспрессии HIF-1a, VEGF и TGF-b [43]. В предыдущих исследованиях были получены аналогичные результаты: АФК-зависимая активация TGF-b, индуктора остеогенной дифференцировки стволовых клеток [13], улучшение дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток [44] и ангиогенеза [21]. Таким образом, можно сделать следующий вывод: влияние АФК на HIF-1a и TGF-b играет ключевую роль в индукции ангиогенеза и остеогенной дифференцировки при воздействии НИЛИ, что обеспечивает научную основу и обоснование для применения этого физиотерапевтического метода в комплексной терапии костных дефектов [43].

Влияние фотобиомодуляции на восстановление кожных покровов

Кожные покровы являются наиболее восприимчивыми к лазерному излучению тканями. Лазеры красного спектра, часто применяемые в клинической практике, используют при лечении поверхностных повреждений благодаря их способности воздействовать на фибробласты на глубине до 6 мм, в то время как лазеры инфракрасного спектра — при более глубоких повреждениях [16, 45, 46]. В исследовании B. Rathnakar и соавт. [47], посвященном изучению эффективности НИЛИ в заживлении ожоговых ран на модели мышей, наилучшие результаты восстановления повреждений были выявлены в группе с лазерным воздействием (длина волны 830 нм, 3 Дж/см²). В другом исследовании, оценивающем влияние НИЛИ (длина волны 660 нм) на восстановление кожных покровов после ожоговых травм на модели крыс, было отмечено уменьшение области некроза, а также повышение экспрессии ЦОГ-2 и VEGF [26].

Было выяснено, что ФБМ положительно влияет на репарацию ран у пациентов с сахарным диабетом, улучшает тензиометрические свойства поврежденных кожных покровов, а также увеличивает количество макрофагов, фибробластов, тучных клеток и кровеносных сосудов [48, 49]. Известно, что тучные клетки вносят особый вклад в восстановительный процесс [50]. В своем исследовании M. Bagheri и соавт. [4] поставили цель — оценить влияние ФБМ на дегрануляцию тучных клеток на стадии ремоделирования. Авторы отметили значительное улучшение тензиометрических свойств кожи и значений крайней стрессовой нагрузки после лазерной терапии, увеличение количества T1MCs на 15-е сутки, снижение количества T2MCs на 4, 7 и 15-е сутки, увеличение количества T3MCs на 4, 7 и 15-е сутки по сравнению с контрольной группой. Исследователи пришли к выводу, что в ишемической среде дегранулированные тучные клетки способны выделять цитокины, уменьшающие объем гранулирующей ткани и содержание гидроксипролина (основного компонента коллагена) на стадии пролиферации. Следовательно, уменьшение их количества на стадии ремоделирования будет способствовать улучшению тензиометрических свойств восстанавливающейся ткани [4].

Имеются данные, демонстрирующие, что ФБМ повышает пролиферативную активность фибробластов [8]. Так, в одном из проведенных исследований было выявлено улучшение пролиферации фибробластов десен человека (HGF) и их прикрепления к титановым трансплантатам после воздействия НИЛИ (длина волны 809 нм) [3]. Гистологическое исследование образцов кожи, подверженных лазерному воздействию (длина волны 633 нм), показало увеличение количества дермальных фибробластов, митохондрий, промежуточного филамента виментина и содержания коллагена и эластина [51].

Заключение

Использование фотобиомодулируюшего эффекта лазерной терапии на данный момент не стандартизировано, а точный механизм его действия на клетки организма пока не до конца изучен. Однако, несмотря на это, нельзя не отметить определенный спектр преимуществ этого метода неинвазивность и дешевизну, длительный срок службы аппаратов, стабильную интенсивность светового излучения и возможность использования в разном диапазоне длин волн [8, 16, 26]. Важно также отметить, что использование в клинических исследованиях разных параметров лазерного воздействия и типов клеток способно объяснить порой противоречивые результаты исследований [5, 43] Для успешного применения положительных свойств лазерной терапии в клинической практике необходимы дополнительные исследования для определения наилучших дозиметрических параметров излучения, а также дальнейшее изучение механизмов действия на разные клетки и ткани организма [8, 18].

Участие авторов: обзор публикаций по теме статьи, анализ и интерпретация данных — А.И. Гребень; написание текста — А.И. Гребень, П.С. Еремин, Е.Ю. Костромина, П.А. Марков, Т.Н. Гребень; редактирование — А.И. Гребень, П.С. Еремин, Е.Ю. Костромина, П.А. Марков, Т.Н. Гребень; проверка критически важного содержания — А.И. Гребень, П.С. Еремин, Е.Ю. Костромина, П.А. Марков, Т.Н. Гребень, И.Р. Гильмутдинова, Т.В. Кончугова; утверждение рукописи для публикации — Т.Н. Гребень, И.Р. Гильмутдинова, Т.В. Кончугова.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.