Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Механизм биостимулирующего действия низкоэнергетических лазеров Механизм биостимулирующего действия низкоэнергетических лазеров Юрий Андреевич Владимиров Московский Государственный Универсистет 18 сентября 2011г. 10:00 – 10:25

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Глубокоуважаемый коллега: Используя данную презентацию, Вы должны соблюдать правила, оговоренные лицензией на сайте организации Сreative Сommons по адресу Согласно присвоенному каждому слайду данной презентации типу лицензии Attribution-NoDerivs ( Вы имеете право на использование слайдов данной презентации в учебных целях, коммерческом или не коммерческом, но только целиком, без всяких изменений и с указанием авторства, а также на распространение презентации на тех же условиях. Логотип Attribution-NoDerivs и указание автора размещены на каждом слайде и не могут быть оттуда удалены, равно как не допускасется какое-либо изменение самих слайдов. К читателю

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Yury A. Vladimirov Moscow State University, Russia Медицинский центр и Факультет Фундаментальной медицины МГУ

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет August 24, :00 a.m. – 10:20 a.m. 1.T.I. Karu, G.S. Kalendo, V.S. Letokhov, and V.V. Lobko, "Biostimulation of HeLa cells by low intensity visible light," Nuov. Cim. D 1 (828-40) (1982). 2.T.I. Karu, G.S. Kalendo, V.S. Letokhov, and V.V. Lobko, "Biostimulation of HeLa cells by low intensity visible light. II. Stimulation of DNA and RNA synthesis in a wide spectral range," Nuov. Cim. D 3, (1984). 3.T.I. Karu, G.S. Kalendo, V.S. Letokhov, and V.V. Lobko, "Biostimulation of HeLa cells by low intensity visible light. III. Stimulation of nucleic acid synthesis in plateau phase cells," Nuov. Cim. D 3 ( ) (1984). 4.T. I. Karu, "Molecular mechanism of the therapeuic effect of low-intensity laser radiation," Laser Life Sci 2, 53 (1988). 5.T. Karu, "Laser biostimulation: a photobiological phenomenon," J Photochem Photobiol B 3 (4), (1989). 6.T. I. Karu, T. P. Ryabykh, G. E. Fedoseyeva, and N. I. Puchkova, "Helium-neon laser-induced respiratory burst of phagocytic cells," Lasers Surg Med 9 (6), (1989). Early data about biostimulating effects of low intensity laser light

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет The effect of He-Ne Laser light on wound healing Control Laser 4.4 J/cm 2 Laser 1.5 J/cm Healing effect of ALA Healing effect of laser + ALA Ромм, А.Р., М.П. Шерстнев, В.В. Волков и Ю. А. Владимиров (1986). "Действие лазерного излучения на перекисную хемилюминесценцию раневого экссудата." Бюллетень Экспериментальной Биологии и Медицины 102(10): год Клиника детских болезней год Кафедра биофизики РГМУ Клебанов, Г. И., Н. Ю. Шураева, et al. (2005). "Сравнительное исследование действия лазерного и светодиодного излучения на заживление ран и функциональную активность клеток раневого экссудата." Биофизика 50(6):

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Wound exudate chemiluminescence in the presence of H 2 O 2 is a sensitive detector for LPL beneficial effect CL measurement PM 4 Paper filter 2 He-Ne laser Wound 1 Extraction 3 Ромм, А.Р., М.П. Шерстнев, В.В. Волков и Ю. А. Владимиров. Бюлл. Эксп. Биол. Мед., (10): p

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет 1986 Ромм, А.Р., М.П. Шерстнев, В.В. Волков и Ю. А. Владимиров. Бюлл. Эксп. Биол. Мед., (10): p Laser Effect on Wound Exudate Chemiluminescence ,11, ,5 Radiation dose (J) H 2 O 2 - CL (arb. un.) In course of wound healing, the CL intensity gradually decreased, showing an improvement of the tissue conditions. Laser illumination of the wound facilitated wound healing and, hence, decreased chemiluminescence of the exudate. The most interesting finding was, however, that laser illumination of wound exudate in vitro also decreased exudate chemiluminescence, as can be seen in this slide.

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Vladimirov, Y.A., Three hypotheses on the mechanism of action of laser irradiation on the cells and human body To the 70-th Anniversary of Academician Yury Lopukhin Moscow 1994 in Efferent Medicine, S. Chikin, Editor. 1994, Institute of Physical-Chemical Medicine. Moscow. p Abstract The biological action of laser radiation in the visible region of light and its clinical application is based on three reactions: 1. Photodynamic action on membranes accompanied by an increased amount of intracellular calcium and cell stimulation. 2. Photoreactivation of Cu-Zn- superoxide dismutase. 3. Photolysis of metal complexes of NO with the release of this vasodilator. EFFERENT MEDICINE Vladimirov, Y.A., A.N. Osipov, G.I. Klebanov, Photobiological Principles of Therapeutic Applications of Laser Radiation. Biochemistry (Moscow), (1): p

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Hypothesis 1. Photodynamic mechanism of laser light action Vladimirov, Y.A., [Three hypotheses on the mechanism of action of laser irradiation on the cells and human body], in Efferent Medicine, S. Chikin, Editor. 1994, Institute of Physical-Chemical Medicine. Moscow. p Increased intracellular calcium level Primary receptor Radicals Photoionization Singlet oxygen Triplet state Photon Priming of phagocytesCell proliferationBlast transformation of lymphocytes Membrane structures Blood plasma lipoproteins Lipid peroxidation

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Mechanizm 1. Photodynamic hypotheses Living cell 2 Chain lipid peroxidation 3 Ca 2+ influx into the cell Ca 2+ 1 LASER Photoionization Endogenous sensitizer 4 Cell activation Priming of phagocytes Cell division activation Blast transformation of lymphocytes

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет The laser-induced leukocyte priming may be the first step in general response of the whole organism Klebanov, G.I., et al., Low-power laser irradiation induces leukocyte priming. Gen Physiol Biophys, (4): p The illumination by laser light induces priming in leukocytes that gives rise to increased production of ROS and NO by the cells. 2.EDRF, formed from NO, brings about vasodilatation effect and improves local and systemic blood circulation while 3.Moderate increase in SOD formation may stimulate cell metabolism and increase antibacterial capacity of phagocytes. 69с 1998

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Experimental Design Laser Hours First blood analysis (Control) Injection of LPS (25 mg/kg) Second blood analysis Machneva, T.V., N.V. Kosmacheva, Y.A. Vladimirov, A.N. Osipov, Effects of low power laser radiation of blue, green and red ranges on free radical processes in rat blood in endotoxic shock. Biochemistry (Moscow), (in press).

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Effect of laser illumination of rat ear on isolated leukocytes respiratory burst Normal ratsLPS treated rats Machneva, T.V., N.V. Kosmacheva, Y.A. Vladimirov, A.N. Osipov, Effects of low power laser radiation of blue, green and red ranges on free radical processes in rat blood in endotoxic shock. Biochemistry (Moscow), (in press).

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Effect of wavelength of LED radiation on the leukocyte activity Machneva, T.V., N.V. Kosmacheva, Y.A. Vladimirov, A.N. Osipov, Effects of low power laser radiation of blue, green and red ranges on free radical processes in rat blood in endotoxic shock. Biochemistry (Moscow), (in press). Non-irradiated Laser

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Control 441 nm 532nm 632 nm 0.75 J/cm J/cm 2 LPS+ LPS LPS+ LPS Effect of laser illumination on lipid peroxidation in erythrocyte membranes estimated by fluorescent cis-parinaric acid assay Machneva, T.V., N.V. Kosmacheva, Y.A. Vladimirov, A.N. Osipov. Biochemistry (Moscow), (in press). LPO activity

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Effect of illumination on COD activity Machneva, T.V., N.V. Kosmacheva, Y.A. Vladimirov, A.N. Osipov, Effects of low power laser radiation of blue, green and red ranges on free radical processes in rat blood in endotoxic shock. Biochemistry (Moscow), (in press). Control 441 nm 532nm 632 nm 0.75 J/cm J/cm 2 LPS+ LPS LPS+ LPS Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет

Sensitive spectrofluorimeter (right) and the fluorescence spectra of rat blood plasma (left) +210 nM protoporphyrin Two rats plasmas 634 nm Sensitive spectrofluorimeter FS- 003V ( «Klaster» Limited, Russia) Fluorescence spectra of rat blood plasma Мачнева, Т.В., П.А. Ольховский, Д.М. Протопопов, Н.Н. Булгакова, Ю.А. Владимиров, А.Н. Осипов, Роль эндогенных порфиринов в лазерной терапии экспериментальных кожных ран. Биофизика, In press.

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет There is an optimal concentration of porphyrins for in vivo laser action Normal Rats

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет There is an optimal concentration of porphyrins for in vivo laser action SOD activity Initial level in the blood plasma (IL) 1 hour After irradiation (AR) AR/ IL LPS - treated Rats

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Not any effects occur without illumination (Control) The level 4 hours after first blood withdraw (AR) AR / IL Normal Rats

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Photodynamic hypothesis on the organism level Organism level 2008-now OO MPO SOD H2O2H2O2 RedOx signalling Cytokines LPO products SOD expression Priming Ca2+ NO Cellular level Gennady Klebanov 1994 Porphyrin Lipid Proxidation LPO products LaserLED Molecular level

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет The hypothesis 3 Photolysis of metal complexes of NO with the release of this vasodilator Vladimirov, Y.A., [Three hypotheses on the mechanism of action of laser irradiation on the cells and human body], in Efferent Medicine, S. Chikin, Editor. 1994, Institute of Physical- Chemical Medicine. Moscow. p Vladimirov, Y.A., A.N. Osipov, G.I. Klebanov, Photobiological Principles of Therapeutic Applications of Laser Radiation. Biochemistry (Moscow), (1): p Possible targets: 1.NO- hemoglobin 2.NO- cytochrome с 2+ and c 3+ 3.NO- cytochrome с (3+) – cardiolipin complex (CytCL) 4.NO- cytochrome oxidase

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет HbNO Photolysis under action of laser light 441 nm. (Low-temperature EPR) HbNO 0,45 mM. Irradiation power 170 W/m 2. Borisenko, G.G., Osipov, A.N., Kazarinov, K.D., and Vladimirov Yu, A. (1997) Biochemistry (Mosc) 62,

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Irradiation of HbNO Produces Free NO in hemolysate HbNO EPR hHbNO Hb + NO He-Cd laser (441 nm), 40 mW Mittermayr, R., Osipov, A., Piskernik, C., Haindl, S., Dungel, P., Weber, C., Vladimirov, Y.A., Redl, H., and Kozlov, A.V. (2007) Mol Med 13, Vladimirov, Y., Borisenko, G., Boriskina, N., Kazarinov, K., and Osipov, A. (2000) J Photochem Photobiol B 59, in erythrocytes NO electrode

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Effect of Laser Irradiation ( on Cyt c +2 NO Complex Effect of Laser Irradiation ( 441 nm) on Cyt c +2 NO Complex Cyt c + NO h Cyt c-NO Борисенко, Г.Г., С.С. Постнов, К.Д. Казаринов, А.Н. Осипов, Ю.А. Владимиров, Нитрознльные комплексы цитохромов митохондриальной цепи - первичные хромофоры в механизме фотоактивации дыхания. Биологические мембраны, (5): p

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Effect of Laser irradiation on the peroxidase activity of Cytochrome c/ TOCL A.N. Osipov, G.O. Stepanov 2006 A.N. Osipov, G.O. Stepanov, Y.A. Vladimirov, A.V. Kozlov, V.E. Kagan, Regulation of cytochrome C peroxidase activity by nitric oxide and laser irradiation. Biochemistry (Mosc), (10): p nm, 12 J /cm 2

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет THE EFFECTS OF VISIBLE LASER RADIATION ON MITOCHONDRIA 11 Zhidkova T.V., 2 Buravlev E.A, 2 Osipov A.N., 1 Vladimirov Yu. A. 1 - Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia. 2 - Russian State Medical University, Moscow, Russia. September, 17th, 2011

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет hνhν Isolation of mitochondria Study of respiration parameters of mitochondria NO Peroxynitrite (ONOO - ) Nitrosothiol (RSH) Nitrosyl copmlexs of heme (Osipov A., 2007) and non-heme compounds (Shumaev K., 2010) Blue Laser 441 nmGreen Laser 532 nmRed Diode 650 nm The scheme of experiments

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет The effect of radiation on the respiration rate in functional state 3 (V 3 ) in normal mitochondria Control – not irradiated sample of normal mitochondria Normal ratsEndotoxic shock

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет The effect of nitric oxide (NO) on the synthesis of ATP in mitochondria Brown, G., Nitric oxide and mitochondrial respiration. Biochim Biophys Acta, (2-3): p Complex I Complex III Complex II Complex IV ATP-synthase Inner membrane NADHNAD+ SuccFum O2O2 H2OH2O ATP Intermembrane space Matrix Q Cyt c Q ADP NONO electron Will mitochondria inhibited by low exogenous NO amounts be sensitive to irradiation?

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет The effect of radiation on the respiration rate in functional state 3 (V 3 ) in mitochondria exposed to nitric oxide The addition of 300 nm nitric oxide (NO) inhibited the rate of oxidative phosphorylation (V 3 ) by 50% Blue laser reduced the respiration rate of NO- inhibited mitochondria in state 3 by 30% Red diode and green laser did not reduce the rate of oxidative phosphorylation of NO- inhibited mitochondria Control – not irradiated sample of normal mitochondria

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет The effect of radiation on the activity of cytochrome с oxidase (A IV ) in mitochondria pre-incubated with NO Control – not irradiated sample of normal mitochondria * * * * Initial NO 442 nm + NO + NO + light 532 nm 650 nm Cyt c peroxidase activity

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Общее заключение Все известные нам достоверные данные литературы и наши опыты с модельными системами, клетками и организмом животных по биостимулирующему (благоприятному) действию лазерного излучения могут быть объяснены протеканием одной из двух (или обеих) первичных фотохимических реакций: 1.Перекисным окислением липидов в результате фотосенсибилизированных эндогенными порфиринами фотохимических процессов. 2.Фотолизом комплексов гемопротеинов с NO. красное излучение ближнем ИК-диапазоне Вследствие экранирующего действия гемоглобина крови (длины волн короче 600 нм) эффективными при лазерной терапии оказывается в большинстве случаев красное излучение с длиной волны более 600 нм, которое может вызывать обе реакции, либо излучение в ближнем ИК-диапазоне ( нм), где может происходить фотолиз комплекса NO с цитохромоксидазой.

Владимиров Ю. А. Московский Государственный Университет Thanks to the staff of the Medical Biophysics Department, Moscow State University (left) and Biophysics Department, Russian State Medical University (right) for assistance and fruitful cooperation. Thank You