БИОФИЗИКА, 2022, том 67, № 4, с. 749-754

БИОФИЗИКА CЛОЖНЫX CИCТЕМ

УДК 615.831.8, 616.12-008.3-073.96

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО

КРАСНОГО СВЕТА ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ ПОСТАРИТМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В СЕРДЦЕ КРЫС

Приволжский исследовательский медицинский университет,

603005, Нижний Новгород, пл. Минина и Пожарского, 10/1

E-mail: оlgadrugova@gmail.com

Поступила в редакцию 11.10.2021 г.

После доработки 24.12.2021 г.

Принята к публикации 07.04.2022 г.

Изучены изменения электрических характеристик сердца крыс, обусловленные адреналиновой

аритмией и эффекты их модуляции низкоинтенсивным красным светом. Работали с тремя

группами экспериментальных животных: в контрольной группе животных не подвергали никаким

воздействиям, в опытных группах моделировали адреналиновую аритмию. В первой опытной

группе регистрировали десятиминутную электрокардиограмму по истечении

5 мин после

моделирования адреналиновой аритмии, во второй опытной группе электрокардиограмму

регистрировали при одновременном облучении проекционной зоны сердца светом красного

светодиода (650 нм, интенсивность излучения 5 мВт/см²). Сравнительный анализ вариабельности

сердечного ритма после адреналинстимулируемой аритмии в двух опытных группах показал

нормализацию красным светом моды и QT-интервала на фоне незначимо измененной частоты

сердечных сокращений. Однако световое воздействие способствовало значительному снижению

вариационного размаха; это позволяет предположить, что синоатриальный узел является наиболее

чувствительной мишенью для красного света.

Ключевые слова: фотобиомодуляция, красный свет, аритмия, сердечный ритм.

DOI: 10.31857/S0006302922040135, EDN: IUAKZQ

Одной из общепризнанных является фотобиоло-

В настоящее время светотерапия получила

гическая концепция, суть которой состоит в су-

широкое применение в медицине. Фотобиомоду-

ществовании акцептора светового излучения,

ляция, или низкоуровневая лазерная терапия, по-

максимум поглощения которого совпадает с мак-

казывает широкий спектр возможностей для кор-

симумом излучения источника. Дальнейшие эф-

рекции многих патологий [1, 2]. В частности, ряд

фекты, обусловленные активацией акцептора,

исследований свидетельствует о модуляции элек-

связывают с инициацией новых сигнальных

трических характеристик кардиомиоцитов крас-

путей, характерных для прикладываемого излу-

ным светом [3-7]. Преимущество терапевтиче-

чения.

ского использования низкоэнергетического све-

тового излучения в диапазоне видимого красного

Большинство современных исследователей

и ближнего инфракрасного света заключается в

ключевую роль в изменении физиологического

том, что оно достаточно глубоко проникает в

состояния облученных красным светом объектов

ткань и не вызывает каких-либо повреждений.

отводят митохондриям [8]. Считается, что конеч-

Однако первичные фотохимические и фотофизи-

ный элемент дыхательной цепи цитохром с-окси-

ческие превращения, вызванные поглощением

даза способен поглощать излучение в красной об-

световой энергии, до сих пор изучены крайне ма-

ласти спектра и изменять работу электронтранс-

ло. К настоящему времени сформулировано не-

портной цепи, запуская тем самым каскад

сколько гипотез касательно первичного действия

реакций, приводящих в первую очередь к измене-

низкоуровневой лазерной терапии на организм.

нию уровня АТФ. Изменения уровня АТФ могут

существенно влиять на клеточный метаболизм, в

Сокращения: ЭКГ - электрокардиограмма, Мо — мода,

том числе увеличивать возможности экзогенных

ЧСС - частота сердечных сокращений, ВР — вариацион-

ный размах, ВПР — вегетативный показатель ритма, СР -

и эндогенных АТФаз, что может отражаться на

саркоплазматический ретикулум.

ионных токах [9]. Низкоинтенсивное излучение

749

750

ДРУГОВА и др.

красного спектра способно активировать такие

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

антиоксидантные системы клетки, как суперок-

Эксперименты выполнены на самцах аутбред-

сиддисмутаза и каталаза, что, в свою очередь, так-

ных наркотизированных (золетил 100, 35 мг/кг,

же способствует более тесному сопряжению ды-

внутрибрюшинно) белых крыс с массой тела 150-

хания с фосфорилированием [10]. Неопровержи-

200 г. Животные случайным образом были рас-

мые доказательства в пользу активации

пределены на три группы: контрольную (n = 10) и

антиоксидантных систем приведены в работах

две опытные (n = 40). В контрольной группе жи-

[11, 12]. В качестве первичных реакций рассмат-

вотных не подвергали никаким воздействиям, в

риваются также уменьшение количества NO, свя-

опытных группах моделировали адреналиновую

занного в каталитическом центре цитохром с-ок-

аритмию путем введения в подвздошную вену

сидазы, и увеличение содержания активных форм

10%-го раствора адреналина гидрохлорида в ко-

кислорода [13]. Кроме того, было показано, что

личестве 0.15 мл. Регистрацию электрических па-

воздействие низкоэнергетическим излучением с

раметров сердца осуществляли с помощью вете-

длиной волны 650 и 808 нм способно вызывать

ринарного электрокардиографа

«Поли-Спектр

повышение концентрации внутриклеточного

8В» (ООО «Нейрософт», Иваново) в течение

Са²⁺ в различных типах клеток [14-16]. В целом

10 мин. В первой опытной группе, условно на-

такие фотоиндуцированные колебания концен-

званной «Аритмия» (n = 25) регистрировали ЭКГ

трации Са²⁺ связываются с возможностью свето-

по истечении 5 мин после моделирования адрена-

вой энергии специфически воздействовать на два

линовой аритмии (после прекращения желудоч-

ковых экстрасистол, вызванных адреналином),

основных пути регуляции концентрации Са²⁺,

световое воздействие отсутствовало. Во второй

независимо от типа клеток: приток экзогенного

опытной группе, условно названной «Красный

Са²⁺ в клетку и высвобождение эндогенного Са²⁺

свет» (n = 15) через 5 мин после введения адрена-

из эндоплазматического ретикулума [14, 16]. По-

лина проводили облучение проекционной зоны

казана возможность низкоинтенсивного красно-

сердца светом красного светодиода (спектраль-

го света изменять некоторые электрофизиологи-

ный центр 650 нм), интенсивность излучения

ческие параметры. В частности, ряд исследова-

5 мВт/см², плотность энергии 0.9 Дж/см², пло-

ний свидетельствует о модуляции электрических

характеристик кардиомиоцитов красным светом

щадь светового воздействия 2 см². ЭКГ регистри-

[3-7].

ровали при одновременном облучении по той же

схеме.

Обобщением всего накопленного экспе-

Статистическую обработку результатов прово-

риментального материала являются три фотохи-

дили с использованием пакета программы SPSS

мических

механизма,

сформулированные

Statistic v. 21. Соответствие опытных данных нор-

Ю.А. Владимировым: 1) фотодинамическое дей-

мальному распределению проверяли по крите-

ствие лазерного излучения; 2) фотоактивация су-

рию Колмогорова-Смирнова. Данные представ-

пероксиддисмутазы; 3) фотолиз соединений, со-

лены в виде медианы (Ме) и интерквартильного

держащих NO [17, 18]. С.В. Москвиным была

диапазона (25%; 75%). Так как не все экспери-

предложена термодинамическая модель действия

ментальные группы удовлетворяли нормальному

низкоуровневой лазерной терапии, согласно ко-

закону распределения, для оценки межгрупповых

торой пусковым механизмом фотоиндуцирован-

различий использовали непараметрический кри-

ных эффектов не является фотобиологическая

терий Манна-Уитни. Различия считались стати-

реакция как таковая. Основной причиной он рас-

стически значимыми при значении уровня зна-

сматривает кратковременный локальный термо-

чимости р < 0.05.

динамический градиент на мембране, приводя-

щий к выходу ионов Са²⁺ в цитозоль [10].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Учитывая имеющиеся к настоящему времени

Анализ ЭКГ крыс через 5 мин после внутри-

работы, свидетельствующие об изменении

венного введения адреналина в обеих опытных

энергетического потенциала и мембранного по-

группах не показал каких-либо изменений ам-

тенциала клеток при фотобиомодуляции, мы

плитудных характеристик относительно кон-

предположили возможным обнаружить наличие

трольных значений. Статистически значимые из-

подобных эффектов в сердце после аритмий, вы-

менения были найдены только для временных

званных адреналином.

показателей. Значения этих показателей приве-

В данном исследовании анализировались из-

дены в таблице. Адреналиновая аритмия характе-

менения параметров электрокардиограммы

ризовалась статистически значимым снижением

(ЭКГ) сердца крыс, обусловленные адреналино-

интервала QT в сравнении с контролем. При этом

вой аритмией и эффекты их модуляции низкоин-

было показано снижение Мо (наиболее часто

тенсивным красным светом.

встречающегося значения R-R-интервала). Это

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО КРАСНОГО СВЕТА

751

Временные показатели ЭКГ крыс после адреналиновой аритмии

Межквартильный диапазон

Группа

Показатель

Медиана

25%

75%

ЧСС, уд/мин

380

332

407

QT, мс

63.8

59.5

65.9

Qtc, мс

155.8

136.9

172.2

Контроль, n = 10

Мо, с

0.157

0.1485

0.1845

ВР

1.135

0.62275

2.3375

ВПР

3.88

2.465

12.09

ЧСС, уд/мин

399.5

316

425.5

QT, мс

56 *

46.8

Qtc, мс

150.7

108.6

163.8

Аритмия, n = 25

Мо, с

0.1355 *

0.129

0.15275

ВР

0.805

0.44375

2.635

ВПР

8.805

3.45

17.575

ЧСС, уд/мин

412.5

310.75

448

QT, мс

66.7**

58.4

73.7

Qtc, мс

181.8

149.7

209.3

Красный свет, n = 15

Мо, с

0.144

0.13375

0.2035

ВР

0.5495 *

0.36925

0.943

ВПР

12.8 *, **

6.9825

19.975

Примечание. * - Статистически значимые отличия с контролем, р < 0.05; ** - статистически значимые отличия с аритмией,

p < 0.05.

может свидетельствовать о сдвиге сердечного

Мо (рис. 2 и 3). Показательные различия в случае

ритма в область тахикардии, однако статистиче-

облучения зоны сердца красным светом относят-

ски значимых отклонений частоты сердечных со-

ся к характеристикам вариабельности сердечного

кращений (ЧСС) от контрольных значений не

показано ни в одной из опытных групп (рис. 1).

Световое воздействие, в свою очередь, способ-

ствовало нормализации как QT-интервала, так и

Рис. 2. Изменение QT-интервала после адреналиновой

аритмии; * - статистически значимые отличия с

контролем, р < 0.05; ** - статистически значимые

Рис. 1. Изменение ЧСС после адреналиновой аритмии.

отличия с аритмией, p < 0.05.

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

752

ДРУГОВА и др.

Рис. 3. Изменение моды после адреналиновой аритмии;

Рис. 4. Изменение ВР после адреналиновой аритмии;

* - статистически значимые отличия с контролем,

р<0.05.

ритма. Так, было установлено значимое сниже-

не отличается от нормы, значит можно говорить о

ние такого показателя, как вариационный размах

нивелировании описанных реакций. Во второй

(ВР) (рис. 4). ВР характеризует разность между

опытной группе через 5 мин после адреналиново-

максимальным и минимальным R-R-интервала-

го фактора воздействия подается второй внеш-

ми, соответственно, это значение свидетельству-

ний фактор - красный свет, который, как видно

ет о вариативности сердечного ритма. Один из

из результатов исследования, никак не влияет на

показателей оценки вегетативной регуляции, а

ЧСС, однако значительно ограничивает вариа-

именно вегетативный показатель ритма,

бельность сердечного ритма.

ВПР = 1/(Mo·ВР) показал статистически значи-

Опираясь на описанные в литературе данные о

мое повышение в опыте, где проводился сеанс

возможности красного света повышать внутри-

воздействия красным светом (рис. 5). В первой

клеточную концентрацию Са²⁺, логично предпо-

опытной группе, где световое воздействие было

ложить влияние светового излучения на медлен-

ложным, хотя и наблюдается увеличение этого

показателя, но оно статистически не значимо.

ные Ca²⁺ токи Т- и L-типа. Очевидно, что I_f-токи

Предположительно, обусловленное светом повы-

не чувствительны к фотовоздействию, так как

шение ВПР объясняется значительным снижени-

ЧСС не отличается от контрольных значений на

ем в ходе облучения ВР. Так как ВР стремится

фоне «жесткого» ритма, что свидетельствует о

сузиться в результате приложения световой энер-

том, что фаза медленной диастолической деполя-

гии, можно говорить о мягком управляющем воз-

ризации, скорость которой определяется этим то-

действии красного света на основной водитель

ритма (синоатриальный узел). Как известно [19],

автоматизм синоатриального узла определяется

характером фазы медленной диастолической де-

поляризации, скорость которой может быть зна-

чительно изменена внешними факторами.

В нашем случае в качестве первого внешнего

фактора выступает адреналиновая симуляция

симпатического отдела вегетативной нервной си-

стемы в первой и второй опытных группах. Акти-

вация β-адренорецепторов в пейсмекерных клет-

ках через цАМФ-путь увеличивает входящий не-

селективный Na⁺-K⁺-ток, характеризующий

фазу медленной диастолической деполяризации

(I_f-ток), а также время открытого состояния

Са²⁺-каналов L-типа, что приводит к повыше-

Рис. 5. Изменение ВПР после адреналиновой аритмии;

нию скорости деполяризации, т. е. к положитель-

* - статистически значимые отличия с контролем,

ному хронотропному эффекту [20, 21]. Через

р<0.05;

- статистически значимые отличия с

5 мин после введения адреналина ЧСС значимо

аритмией, p < 0.05.

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО КРАСНОГО СВЕТА

753

ком, не претерпевает значимых изменений. Веро-

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

ятнее всего, свет способствует установлению осо-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

бого устойчивого колебательного режима в

интересов.

системе, известной как «Са-induced, Ca-release»,

которая представляет собой взаимодействие мем-

бранного входящего Са²⁺-тока и Са²⁺-осцилля-

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

тора, обеспечивающего пополнение Са²⁺ из сар-

Все манипуляции с животными проводили в

соответствии с нормативами, указанными в руко-

коплазматического ретикулума (СР) (Ca²⁺-

водстве «Guide for the Care and Use of Laboratory

clock). Центральным звеном этой системы можно

Animals» (National Research Council, 2011); а также

рассматривать крупное депо Са²⁺-СР. RYR-ре-

с национальным стандартом РФ ГОСТ 33044-

цепторы (Ca²⁺-каналы саркоплазматического ре-

2014

«Принципы надлежащей лабораторной

тикулума) чувствительны к изменениям концен-

практики» и с этическими принципами Европей-

трации внутриклеточного Са²⁺ и открываются

ской конвенции по защите позвоночных живот-

только при превышении ее порогового значения.

ных, используемых для экспериментальных и

Адренергическая и холинергическая стимуляция

других научных целей (Страсбург, 2006). Прото-

кол исследования одобрен Этическим комитетом

могут регулировать работу Ca²⁺-clock через

ПИМУ.

цАМФ-пути управления скоростью обратного за-

хвата Cа²⁺ через Са²⁺-АТФазы СР (SERCA) [19].

Логично предположить существование подобно-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

го адреналин-холинэргичекому эффекту регуля-

V. Heiskanen, M. Pfiffner, and T. Partonen, Ageing

ции эффекта «мягкого управления» Ca²⁺-осцил-

Res. Rev. 61, 101089 (2020).

лятора красным светом. Кроме того, световое

А. П. Бавpина, В. А. Монич и C. Л. Малиновcкая,

Биофизика 62 (5), 862 (2017).

воздействие, возможно, активирует Na⁺/Ca²⁺-

насосы, являющиеся системами мембранного то-

G. M. Dittami, S. M. Rajguru, R. A. Lasher, et al., J.

Physiol. 589 (6), 1295 (2011).

ка, повышающего внутриклеточный заряд. Нель-

N. Kipshidze, V. Nikolaychik, M. Muckerheidi, et al.,

зя не учитывать и активность store-operated Ca²⁺-

Circulation 104, 1850 (2001).

каналов на поверхности клеточных мембран.

J.C. Oishi, T.F. De Moraes, T.C. Buzinari, et al., Life

Скорее всего, красный свет, подстраивая «Са-in-

Sci. 178, 56 (2017).

duced, Ca-release»-систему под регулярный коле-

S. Wang, L. Wu, Y. Zhai, et al., J. Cardiovasc. Electro-

бательный режим функционирования, способен

physiol. 30, 1138 (2019).

снижать вариабельность ритма, не изменяя при

этом ЧСС.

G. Elbaz-Greener, M. Sud, O. Tzuman, et al., J. In-

tervent. Cardiol. 31, 711 (2018).

Таким образом, основные выявленные в ис-

T. Karu, Photomedicine and Laser Surgery 28 (2), 159

следовании эффекты модуляции электрических

(2010).

характеристик сердца красным светом обуслов-

C. Ferraresi, M. R. Hamblin, and N. A. Parizotto,

лены, вероятнее всего, изменением Ca²⁺-дина-

Photonics Lasers Med. 1 (4), 267 (2012).

мики кардиомиоцитов.

10.

В. С. Улащик, Здравоохранение (Минск) 6, 41

(2016).

11.

Т. В. Мачнева, Д. М. Пpотопопов, Ю. А. Влади-

ВЫВОДЫ

миpов и А. Н. Оcипов, Биофизика 53 (5), 894

(2008).

1. Воздействие красного света после аритмии

12.

Т. В. Мачнева, Источники и мишени свободных ра-

способно нормализовать продолжительность QT

дикалов в крови человека (ООО «МАКС Пресс»,

интервала и значение Мо.

М., 2017).

2. Синоатриальный узел, в пейсмейкерной ак-

13.

Т. Й. Кару, Успехи соврем. биологии 121 (1), 110

(2001).

тивности которого важную роль играют Ca²⁺-то-

14.

I. Golovynska, S. L. Golovynskyi, Y. V. Stepanov,

ки, предположительно является наиболее чув-

et al., J. Cell. Physiol. 234 (9), 15989 (2019).

ствительной к красному свету мишенью.

15.

G. B. Kharkwal, S. K. Sharma, Y.-Y. Huang, et al., in

Proc. of SPIE Conf. BiOS, Mechanisms for Low-Light

Therapy VI (2011) 7887.

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

16.

R. B. Oliveira, L. L. Petiz, R. Lim, et al., J. Neuro-

Работа выполнена в рамках государственного

chem. 149 (4), 471 (2019).

задания Министерства здравоохранения Россий-

17.

Ю. А. Владимиров, Соровский образоват. журн.

ской Федерации (РК 208.094.01 121130100281-9).

12, 2 (1999).

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

754

ДРУГОВА и др.

18. Ю. А. Владимиров, Г. И. Клебанов, Г. Г. Борисен-

20. Фундаментальная и клиническая физиология, под

ко и А. Н. Осипов, Биофизика 49 (2), 339 (2004).

ред. А. Г. Камкина и А. А. Каменского (Академия,

М., 2004).

19. A. R. Pérez-Riera, R. Barbosa-Barros, R. Daminello-

21. Е. И. Асташкин и М. Г. Глезер, Кардиоваскуляр-

Raimundo, et al., J. Electrocardiol. 57, 112 (2019).

ная терапия и профилактика 6 (8), 106 (2007).

Possibilities of Using Low-Intensity Red Light for Modulation of Post-Arrhythmia

Processes in the Rat Heart

O.V. Drugova, A.P. Bavrina, N.V. Tiunova, V.V. Borzikov, and S.L. Malinovskaya

Privolzhsky Research Medical University, pl. Minina i Pozharskogo 10/1, Nizhny Novgorod, 603950 Russia

The study investigated the changes in the electrical characteristics of the rat heart caused by adrenaline-in-

duced arrhythmia and the effects of their modulation by low-intensity red light. Three groups of experimental

animals were examined: a control group of animals in which animals were not subjected to any procedure,

and two groups of experimental animals in which animals were used as a model of adrenaline-induced ar-

rhythmia. In one group of experimental animals, the electrocardiogram (ECG) recordings were obtained in

animals for 10 minutes 5 min after simulation of adrenaline-induced arrhythmia. In the second experimental

group, the ECG recordings were obtained in animals the heart projection areas of which were simultaneously

exposed to red LED light (650 nm, the intensity of radiation 5 mW/cm²). Comparative analysis of heart

rhythm variability after adrenaline-induced arrhythmia in two experimental groups revealed normalization of

the modes and QT interval by red light against insignificant changes in the heart rate. However, light exposure

contributed to a significant decrease in the variation range, thus suggesting the SA node as the most sensitive

target for red light.

Keywords: photobiomodulation, red light, arrhythmia, heart rate

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022