Efekty biostymulacyjne w tkance związane są z absorpcją promieniowania laserowego o małej gęstości mocy i energii oraz o stosunkowo długich czasach naświetlania. Za efekty biostymulacyjne uważa się takie, którym wskutek naświetlania promieniowaniem laserowym towarzyszy miejscowy wzrost temperatury w tkance nie większy niż 0,5-1°C (obserwowane zmiany na poziomie komórki i tkanki nie mogą być zatem odpowiedzią na stres). W związku z tym zaleca się, aby w laseroterapii nie przekraczać mocy ciągłej lub średniej ok. 60 mW. Wraz ze wzrostem mocy promieniowania powyżej 60 mW następuje dalszy niewielki wzrost temperatury, a wraz z tym zjawisko biostymulacji termicznej.
    Zaabsorbowane promieniowanie jest czynnikiem inicjującym w tkance pewne procesy, które nie powodują destrukcji tkanki. Schematycznie, łańcuch reakcji zachodzących w tkankach pod wpływem promieniowania laserowego można przedstawić następująco:

Rys. 9. Uproszczony schemat reakcji zachodzących w tkance pod wpływem promieniowania laserowego małej lub średniej mocy

    Należy zdawać sobie sprawę, że akt absorpcji zachodzi w niezwykle krótkim czasie rzędu 10^-15 s, podczas gdy czasy reakcji biologicznych są rzędu sekund i godzin, a na zaobserwowanie rezultatów klinicznych potrzeba dni. Zatem między procesem absorpcji, a obserwowanymi pozytywnymi efektami klinicznymi zachodzi cała gama skomplikowanych procesów, które mają miejsce w pojedynczych cząsteczkach, na poziomie subkomórkowym, komórkowym i w tkankach. W wielu przypadkach mechanizm procesów, które prowadzą do określonych, obserwowanych efektów klinicznych nie jest jeszcze znany.

1. Oddziaływanie promieniowania laserowego na poziomie molekularnym

    Cząsteczka, która absorbuje promieniowanie laserowe o określonej długości fali, ulega tzw. "wzbudzeniu elektronowemu" i przechodzi na wyższy poziom energetyczny. Stan taki jest krótkotrwały i cząsteczka traci uzyskany w wyniku absorpcji nadmiar energii. Może to uczynić na kilka sposobów:

1. poprzez spontaniczną emisję fotonów w postaci fluorescencji lub fosforescencji,
2. poprzez oddanie nadmiaru energii w postaci ciepła do otoczenia,
3. poprzez bezpromieniste przekazanie elektronowej energii wzbudzenia E^* do biologicznie ważnych struktur i zapoczątkowanie w nich reakcji fotochemicznych.

    Z punktu widzenia laseroterapii niskoenergetycznej najistotniejszym i najbardziej pożądanym jest trzeci sposób. Badania wykazują, że w układach biologicznych energia wzbudzenia elektronowego przekazywana jest z bardzo dużą wydajnością (duża wartość stałej szybkości przenoszenia energii wzbudzenia elektronowego) w czasie rzędu 10^-12-10^-18 s.

2. Oddziaływanie promieniowania laserowego na komórkę i organelle komórkowe

   Za absorpcję (pochłanianie) odpowiedzialne są cząsteczki zwane ogólnie chromoforami, które znajdują się w komórkach i mitochondriach (tzw. cytochromy). Najważniejsze z nich to: aminokwasy, kwasy nukleinowe, melanina, hemoglobina, bilirubina, związki sterydowe, porfiryny, ryboflawina, chinony, NAD, B-karoten, cytochromy i inne. Większość z nich pochłania promieniowanie ultrafioletowe, część widzialne (np. melanina, hemoglobina, cytochromy), a niektóre np. flawoproteiny najsilniej absorbują promieniowanie podczerwone (ok. 900 nm). Cytochromy są składnikami łańcucha oddechowego, znajdującego się w mitochondriach. Uważa się, że podczas naświetlania promieniowaniem laserowym cytochromy w mitochondriach (np. okzydaza cytochromowa, NAD) bezpośrednio pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne, powodując aktywację łańcucha oddechowego oraz zapoczątkowując procesy biochemiczne powodujące wzrost produkcji ATP (będącego magazynem energii dla komórki) i wzrost metabolizmu komórkowego. Bardzo ważnym efektem biostymulacji laserowej zachodzącej na poziomie molekularnym, a mającym ogromny wpływ na procesy zachodzące wewnątrz, jest fotoaktywacja enzymów. Oddziaływanie promieniowania na enzym może spowodować: a) aktywację enzymu, b) inaktywację, c) reaktywację enzymów odwracalnie nieczynnych. Najistotniejszy jest efekt powodujący bezpośrednią aktywację enzymu oraz pobudzenie syntezy enzymu. Udowodniono, że pobudzenie aktywności określonej grupy enzymów z tzw. układu dopełniacza powoduje m.in.: wzrost przepuszczalności naczyń (C4, kinina C2), uwalnianie histaminy z granulocytów i serotoniny z płytek krwi (C3a), ułatwienie fagocytozy przez granulocyty obojętnochłonne i monocyty. Bardzo czułymi na promieniowanie laserowe są enzymy sterujące syntezą i utylizacją ATP a więc enzymy odpowiedzialne za przemiany energetyczne zachodzące wewnątrz komórki. Przytoczone tu tylko niektóre skutki oddziaływania promieniowania laserowego na poziomie molekularnym nie są oczywiście obojętne dla funkcjonowania pojedynczej komórki.

    Zauważono m. in., że zmiana szybkości podziałów komórkowych zależy od dł. fali promieniowania, gęstości powierzchniowej energii, czasu ekspozycji, a także stanu czynnościowego komórek. Stwierdzono wzmożoną syntezę DNA w komórkach czego konsekwencją jest zwiększona proliferacja komórek i wzmożona synteza białek. Komórki warstwy rozrodczej naskórka - keranocyty wykazują zwiększoną proliferację oraz wzrost ich ruchliwości czym można tłumaczyć korzystny wpływ działania promieniowania laserowego na gojenie się ran (np. owrzodzenia podudzi). Podobnie fibroblasty, które odgrywają główną rolę w procesach gojenia, są wrażliwe na promieniowanie lasera He-Ne. Pod jego wpływem dochodzi do zwiększonej syntezy kolagenu w fibroblastach oraz ich modyfikacji co może mieć istotny wpływ na kształtowanie się morfologii blizny, poprawienie jej wytrzymałości mechanicznej, zwłaszcza po zabiegach chirurgicznych. Ponadto obserwuje się przyspieszoną neoangiogenezę pod wpływem promieniowania o dł. fali 660 nm, który to proces ma podstawowe znaczenie w gojeniu tkanek. Podwyższoną zdolność granulocytów do fagocytozy potwierdza, obserwowane pod wpływem promieniowania laserowego, szybkie tworzenie się ziarniny i naskórkowanie ran. Wpływ promieniowania laserowego na ważniejsze procesy gojenia się ran przedstawia schematycznie rys. 10.

Rys. 10. Przebieg procesu gojenia się rany z uwzględnieniem wpływu promieniowania laserowego na poszczególne etapy przemian

   Należy wyraźnie podkreślić, że skuteczna stymulacja procesu gojenia się ran promieniowaniem laserowym zależy od odpowiedniego doboru dł. fali i gęstości energii do rodzaju rany i fazy procesu gojenia rany.
    Promieniowanie laserowe ma również wpływ na skład i właściwości błony komórkowej. Struktura błony i jej potencjał elektryczny mają podstawowe znaczenie dla procesów transportu przez błonę i aktywność pompy sodowej. Pod wpływem promieniowania normalizuje się potencjał elektryczny błony komórkowej (dla zdrowej komórki wynosi ok. 60-90 mV), zmienia się przewodność elektryczna i przenikalność błony oraz jej właściwości adhezyjne. Sprowadza się to np. do mniejszej agregacji erytrocytów, lepszego przenoszenia tlenu, zmiany potencjału czynnościowego neuronów. Mitochondria, które pełnią bardzo ważną rolę w fizjologii komórki, również odpowiadają na promieniowanie lasera (He-Ne). Dochodzi do znacznych zmian w budowie mitochondriów, ich właściwości optycznych (zmian widm absorpcyjnych i emisyjnych), uaktywnienie aparatu genetycznego mitochondriów co przejawia się w zwiększonej syntezie DNA i RNA, nasilonej syntezie białek, obserwuje się też wzrost produkcji ATP, co z kolei ma bezpośredni wpływ na metabolizm energetyczny komórki.
    Przykładem oddziaływania stymulującego promieniowania na komórkę, którego nie można pominąć, jest jego wpływ na limfocyty krwi. Obserwuje się m. in. odwracalny, wzmożony napływ jonów wapnia do komórki, przebudowę ultrastruktury jąderek, wzrost liczby mitochondriów.
    Wybrane, przedstawione wyżej, przykłady dowodzą, że promieniowanie laserowe może modyfikować właściwości biochemiczne i ultrastrukturę materiału biologicznego, powodując powstanie tzw. efektów pierwotnych (Rys.9), a w konsekwencji wpływać na funkcje komórki i tkanki.

3. Oddziaływanie promieniowania laserowego na poziomie tkanki

    Obserwowane zmiany w różnych rodzajach tkanek, możemy określić jako tzw. efekty wtórne działania promieniowania laserowego (Rys.9). Zaliczamy do nich: a) efekty biostymulacyjne, b) efekty przeciwbólowe, c) efekty przeciwzapalne.

Efekt przeciwbólowy wywołany promieniowaniem laserowym spowodowany jest:

• hyperpolaryzacją błon komórek nerwowych,
• wzmaganiem wydzielania endorfin,
• stymulowaniem regeneracji obwodowych aksonów po uszkodzeniu nerwów.

Efekt przeciwzapalny wywołany jest przez:

• rozszerzenie naczyń krwionośnych,
• ułatwienie wytworzenia krążenia obocznego,
• poprawę mikrokrążenia,
• przyspieszenie resorpcji obrzęków i wysięków,

• stymulowanie migracji makrofagów.

Efekt stymulujący wywołany jest poprawą krążenia, odżywiania i regeneracja komórek.

    Powyższe efekty znalazły potwierdzenie w licznych badaniach in vitro i in vivo Stwierdza się, że w napromieniowanych tkankach zwiększa się przepływ krwi, co umożliwia szybszą wymianę elektrolitów między komórkami, czemu sprzyja również obserwowana wzmożona angiogenaza. Promieniowanie laserowe w zakresie podczerwieni powoduje poszerzenie naczyń limfatycznych. Tym samym powoduje większy przepływ chłonki i przyspiesza ich regenerację po przecięciu. Obserwuje się uaktywnienie szpiku kostnego i zwiększenie liczby erytrocytów. Promieniowanie laserowe ma regulujący wpływ na układ odpornościowy. W określonych schorzeniach zaobserwowano działanie immunosupresyjne (spadek aktywności limfocytów, mniejsza produkcja przeciwciał). Z drugiej strony w innych schorzeniach np. przy gojeniu się ran można zaobserwować wzmożoną aktywność żerną monocytów i neutrofili, a pod wpływem promieniowania lasera He-Ne dochodzi do wzmożonej fagocytozy makrofagów. Obserwowane zmiany stężenia serotoniny i histaminy wiążą się ściśle z działaniem przeciwbólowym. Skutkiem działania promieniowania laserowego jest też wzmożenie zdolności regeneracyjnych głównie tkanki łącznej i nabłonka. Promieniowanie małej mocy modyfikuje stan czynnościowy zarówno zdrowej jak i uszkodzonej tkanki nerwowej. Stwierdzono, że promieniowanie to podwyższa potencjał czynnościowy nie uszkodzonych nerwów obwodowych oraz nerwów zmiażdżonych, a także przyspiesza wzrost włókien nerwowych i ich mielinizację w obrębie urazu.
    Są to tylko nieliczne obserwowane zmiany zachodzące w układach biologicznych pod wpływem promieniowania laserowego. Nie mniej dowodzą, że taki wpływ istnieje i nie jest obojętny dla tego układu, chociaż jak wspomniano wcześniej, nie wszystkie obserwowane w praktyce skutki napromieniowania laserami małej mocy znalazły dotychczas naukowe wytłumaczenie.
    Najlepsze efekty biostymulacyjne uzyskuje się dla promieniowania o gęstości mocy do 50 mW/cm², efekty przeciwbólowe dla gęstości mocy 50-200 mW/cm², natomiast efekty przeciwzapalne dla 300-400 mW/cm².

Literatura