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Experimente
In diesem Kapitel wird einiges darüber erklärt, was in Zellen und Geweben vor sich geht und warum diese Reaktionen nur dann eintreten, wenn Laserlicht verwendet wird. Dass die biologischen Effekte laserspezifisch sind, geht teils aus der Forschung hervor, teils aus den unten beschriebenen Experimenten, die zeigen, dass die Eigenschaften des Laserlichtes nicht verschwinden, wenn sich das Licht im Gewebe verbreitet.
Es gibt viele Untersuchungen, die an Versuchstieren gemacht wurden, wo man den biologischen Effekt von kohärentem Licht von einem Laser mit Licht von z.B. Leuchtdioden oder anderen inkohärenten Lichtquellen verglichen hat. Man hat dabei einen deutlichen Effekt vom Laser erhalten, aber keinerlei Effekt - oder eine wesentlich geringere Wirkung - von der nicht-kohärenten Lichtquelle. Dies zeigt klar, dass Laserlicht eine spezielle Wirkung auf Zellen und Gewebe ausübt.
Speckler
Wenn man ein Papier oder eine andere matte Oberfläche mit sichtbarem Laserlicht beleuchtet, sieht man eine merkwürdige Körnigkeit im Licht. Diese Körner oder Punktmuster werden Laserspeckler genannt und entstehen - aufgrund der Kohärenz des Laserlichtes - durch Interferenz zwischen verschiedenen Strahlen. Die Speckler können von zweierlei Art sein: virtuelle (entstehen im Auge des Betrachters, sehen aber aus, als ob sie sich auf dem oben erwähnten Papier befänden), oder reelle (können auf eine Filmplatte im Raum projiziert werden).
Experiment 1
Zweck dieses Experimentes ist es zu zeigen, dass die typischste Eigenschaft des Laserlichts - die Kohärenz - bei diffuser Streuung nicht verschwindet. Es dreht sich also um die Laserspezifität, d.h. wenn man in einem Gewebe dasselbe Lichtverhältnis mit einem Laser wie mit einer gewöhnlichen Lampe mit Farbfilter erhält. Man lässt einen schmalen Strahl von einem HeNe-Laser einen Apfel treffen. Rund um den intensiven Treffpunkt ist ein Lichthof mit 1-2 cm Durchmesser sichtbar. Dieser Lichthof entsteht dadurch, dass sich das Laserlicht in alle Richtungen im Gewebe des Apfels verbreitet und reflektiert und zu einem gewissen Teil wieder zurückkehrt. Wenn man den Lichthof betrachtet, sieht man (virtuelle) Laserspeckler, was zeigt, dass das Laserlicht nach der Passage durch das Apfelgewebe immer noch kohärent ist. Die Lichtverteilung innerhalb des beleuchteten Volumens im Apfel ist nicht homogen, sondern aufgrund der Interferenz körnig, d.h., sie besteht aus einer dreidimensionalen Specklerstruktur (reelle Speckler).
Professor Nils Abrahamsson an der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm betrachtete in den achtziger Jahren diese Speckler in einem Mikroskop und war wahrscheinlich der erste Beobachter, der feststellte, dass sich die Speckler an der Oberfläche eines Apfels bewegen. Er konnte diese Specklerbewegungen zu den Bewegungen in den Apfelzellen in Beziehung setzen. Das Phänomen wurde später von französischen Forschern weiter untersucht, die auf diese Weise zwei verschiedene Partikelbewegungen im Zellinneren studieren und unterscheiden konnten. Die dreidimensionale Struktur entsteht durch die Interferenz zwischen verschiedenen Strahlen mit zufälliger Richtung, Amplitude und Phase. In den Laserspecklern, wo man eine höhere Intensität als in der nächsten Umgebung findet, ist das Licht ganz oder partiell linearpolarisiert, da die genannte höhere Intensität durch konstruktive Interferenz entstanden ist. Diese geschieht nur dann, wenn die interferierenden Wellen dieselbe Polarisation haben. Dadurch entstehen also Inseln von polarisiertem Licht im Gewebe. Die durchschnittliche Größe dieser Inseln beträgt einen bis mehrere Zehntelmillimeter, d.h. ist in der Regel wesentlich größer als die Zellen, die sie umschließen. Interessant ist, dass diese Inseln von polarisiertem Licht unabhängig davon entstehen, ob der beleuchtende Laser polarisiertes oder unpolarisiertes Licht abgibt.
Experiment 2
Um zu zeigen, dass die Kohärenz des Laserlichtes nicht nur im Gewebe eines Apfels beibehalten wird, wurde folgendes Experiment ausgeführt (gezeigt von L. Hode bei einem Kongress in Los Angeles [The Nineth Congress of the International Society for Laser Surgery and Medicine, Los Angeles, 2.-6. November 1991]). Dieses Experiment wurde auch in der Fachpresse referiert.
1. Frischgemahlenes Hackfleisch wird zwischen zwei planen Glasplatten so zusammengepresst, dass eine 5-10 mm dicke Scheibe Hackfleisch entsteht. Das Ganze wird daraufhin vertikal gestellt.
2. Das Licht von einem 3-5 mW HeNe-Laser (rotes sichtbares Licht mit der Wellenlänge 633 nm) wird im rechten Winkel gegen die Glasplatten gerichtet. Man sieht dann auf der Hinterseite der Hackfleischscheibe einen roten Fleck von dem Licht, das durch das Fleisch
hindurchpassierte.
3. Eine kleine Penlight-Taschenlampe wird neben dem Laser so platziert, dass sie - ganz nahe an der Glasoberfläche - gegen das Glas gerichtet ist. Die Penlight-Taschenlampe leuchtet mit gewöhnlichem weißem Licht. Auch hier passiert Licht durch die Hackfleischscheibe und bildet einen Lichtfleck auf der Rückseite der Scheibe neben dem Laserlichtfleck.
4. Die beiden Lichtflecke werden aus einigen Metern Abstand miteinander verglichen.
Folgende Schlusssätze können nun gezogen werden:
A. Beide Lichtflecken sind nach der Passage durch das Hackfleisch rot. Dies zeigt, dass rotes Licht die beste Penetration unter den sichtbaren Lichtwellenlängen hat (kürzere Wellenlängen werden absorbiert). Messungen mit Messinstrumenten zeigen, dass infrarote Strahlung noch besser penetriert.
B. Der Laserlichtfleck zeigt Laserspeckler, die deutlich sichtbar sind, wenn man den Kopf langsam bewegt. Dagegen zeigt der Lampenlichtfleck keine Laserspeckler. Es ist offenbar, dass nach der Passage durch Hackfleisch ein Unterschied zwischen Laserlicht und dem Licht von einer Taschenlampe besteht. Die Kohärenz des Laserlichtes verschwindet also nicht.
Ist es denn nicht möglich, polarisiertes gewöhnliches Licht zur Beleuchtung zu benutzen, falls Polarisation wirklich so wichtig ist? Nein, dies ist nicht möglich. Die Polarisation bei inkohärentem Licht, das diffus gestreut wird, geht schon nach weniger als einem Millimeter verloren. Wenn man das Licht einer Lampe polarisiert und es die Haut beleuchten lässt, ist die Polarisation verschwunden, bevor das Licht die tieferen Hautlager erreicht hat. Bei offenen Wunden kann man jedoch einen Effekt mit polarisiertem gewöhnlichem Licht erzielen, da Zellen in der offenen Wunde, die am Heilungsprozess teilnehmen, direkt vom Licht getroffen werden, ohne dass die darüber liegende Haut die Polarisation eliminiert.
Endre Meister präsentierte auf der lasermedizinischen Konferenz Laser-Opto 1981 in München eine Untersuchung an Lymphozyten in vitro, wo er zeigte, dass diese gegen sowohl kohärentes polarisiertes Licht (auf das Niveau 100% gesetzt) als auch gegen inkohärentes polarisiertes Licht (75%) empfindlich sind, dagegen aber fast völlig unempfindlich gegen unpolarisiertes Licht.
Eine mögliche Erklärung
Es ist bekannt, dass positionsfeste chromophore Moleküle (z.B. die Porphyrine des Körpers) Absorptionsdipole aufweisen und linearpolarisiertes Licht mit bestimmter Polarisationsrichtung sowohl aufnehmen als auch abgeben (z.B. bei Fluoreszenz). Porphyrine finden sich u.a. in der Respiratorkette der Mitochondrien und sind diejenigen Moleküle, die vor allem für die Lichtabsorption verantwortlich sind. Hier hat also die Polarisation in den vom Laserlicht geschaffenen Specklerinseln Bedeutung, und dies könnte eine der Erklärungen dafür sein, dass man in einer Anzahl von Studien verschiedene Effekte mit Laser und inkohärenten Lichtquellen erhalten hat.
Eine weitere mögliche Erklärung
Der Unterschied in der Lichtintensität verschiedener Punkte im beleuchteten Gewebe aufgrund der Laserspeckler gibt Anlass zu lokalen Temperaturveränderungen. Diese wurden von Horvath und Donko für kohärentes Licht berechnet. Temperaturveränderungen führen zu lokalen Gradienten in gewissen Stoffkonzentrationen. Solche Konzentrationsgradienten sind ihrerseits wiederum der Anlass zu Materialtransporten im Gewebe auf die Art und Weise, wie sie von Ficks Gleichungen beschrieben werden. Bei Beleuchtung von Gewebe mit Laserlicht kann es sich also so verhalten, dass diese lokalen Temperaturgradienten einen Mikrokreislauf erzwingen, was bei Beleuchtung mit nicht-kohärenten Lichtquellen, z.B. Leuchtdioden, nicht der Fall ist. Spanner hat z.B. gezeigt, dass ein Temperaturunterschied über einer Zellmembran von 0,01*C einen Druckunterschied von 1,32 Atmosphären verursacht, was bewirken kann, dass das Verteilungsmuster von Na+ und K+ greifbar verändert wird.
Experiment 3
Man drückt die Hand gegen das Glas einer eingeschalteten Taschenlampe. Man sieht, dass das Licht durch die Finger dringt. Licht dringt also ziemlich tief in den Körper ein. Man sieht aber, dass nur der rote Teil des Spektrums passiert und also tief eindringt. Es ist auch bekannt, dass Licht in Knochengewebe eindringt. Im übrigen ist es durchaus nicht sicher, dass die Eindringungstiefe für zumindest gewisse der biologischen Effekte, die bei Lasertherapie entstehen, so entscheidend ist. Es gibt an die zehn Untersuchungen, bei denen man CO2-Laser als Lichtquelle zum Zweck der Biostimulierung verwendete und dabei tiefgehende Effekte feststellte, in gewissen Fällen bis zu 4-5 cm tief ins Gewebe hinein. Der CO2-Laser hat eine Wellenlänge (10 600 nm), bei der eine vollständige Absorption (99,9%) innerhalb von
0,3 mm geschieht.
Verschiedene Mechanismen
Andererseits hat die Zellforscherin Tiina Karu gezeigt, dass man in Zellkulturen stimulierende biologische Effekte auch von monochromatischem inkohärentem Licht erhalten kann [34]. Außerdem hat sie gezeigt, dass bei Zellkulturen, die zuerst mit Laserlicht beleuchtet wurden und dabei einen biologischen Effekt zeigten, und die daraufhin mit breitbandigem (nicht-monochromatischem und inkohärentem) Licht beleuchtet werden, der vom Laserlicht hervorgerufene biologische Effekt auf fast Null reduziert wird. Diese Versuche deuten darauf hin, dass es mehr Mechanismen als die oben beschriebene Anregung polarisationsempfindlicher Chromophoren gibt.
Es ist auch wichtig, den rein optischen Unterschied zu verstehen, wenn ein stark lichtverbreitendes Gewebe bzw. eine dünne, transparente Zellschicht in einer Zellkultur beleuchtet wird. Wenn eine dünne Schicht von gezüchteten Zellen mit polarisiertem Licht beleuchtet wird, wird die Polarisation des Lichtes durch die ganze Schicht hindurch beibehalten, ganz unabhängig davon, ob das Licht kohärent ist oder nicht. Dagegen entstehen die genannten Laserspeckler in einem Gewebe durch Interferenzen. Effekte auf Zellkulturen brauchen deshalb nicht laserspezifisch zu sein, während man bei Untersuchungen an Zellen derselben Art und desselben Typs, wenn diese Teil eines Gewebes sind, feststellen kann, dass der Effekt laserspezifisch ist. Es ist seit langem bekannt, dass kleine Mengen einer Substanz, die Singlettsauerstoff genannt ist, gebildet werden, wenn Gewebe mit Laserlicht beleuchtet wird. Rochkind und Lubart in Israel haben dies mit Hilfe von NMR-Technik (Nuclear Magnetic Resonance) gezeigt. Singlettsauerstoff ist ein freies Radikal, das seinerseits u.a. die Bildung von ATP beeinflusst, das den Brennstoff und Energievorrat der Zellen ausmacht. Man hat auch festgestellt, dass das Kalzium-Ionengleichgewicht in den Zellen beeinflusst wird. Weiter beeinflusst Laserlicht die oxydativen Prozesse, was von Karu nachgewiesen wurde.
Diese Prozesse führen ihrerseits zu einer langen Reihe von Sekundäreffekten: erhöhter Zellenmetabolismus und Kollagensynthese bei Fibroblasten, gesteigertes Aktionspotential bei Nervenzellen, Stimulierung der Bildung von DNA und RNA im Zellkern, lokale Beeinflussung der Immunabwehr, erhöhte Neubildung von Kapillargefässen durch Aktivierung von Wachstumsfaktoren, gesteigerte Aktivität bei Leukozyten, Verwandlung von Fibroblasten zu Myofibroblasten u.a.m.
Die Zellmembran
Die elektrische Feldstärke des linearpolarisierten Lichts verändert die Konformität des doppelten Lipidlagers in der Zellmembran durch Elektronenpolarisation der elektrischen Dipole der Lipide. Dies führt u.a. zu einer Veränderung der Ladungsverteilung auf der Oberfläche der Zellmembran, was Änderungen in den Lipid-Protein-Bindungen mit sich führen kann. Da die Zellmembran die Rolle des biologischen Verstärkers spielt, können die Veränderungen in der Membran jeden Prozess beeinflussen, der mit der Zellmembran zu tun hat: Energieproduktion, immunologische Prozesse, Enzymreaktionen, Transportfaktoren u.a.m. Diese Änderung in der Membranstruktur bei beispielsweise Leukozyten aktiviert zyklisches Adenosinmonophosphat (3'5'-cAMP) und steigert die Rezeptoraktivität auf der Zellmembran. Dies kann unter gewissen Umständen eine immunologische Kettenreaktion auslösen, was auch folgendes mit sich führt: Bildung von monozytischen, neutrophilen und eosinophilen chemotaktischen Faktoren und dergleichen Faktoren, die die Bewegung von Makrophagen hemmen, sowie Steigerung des Hautreaktorfaktors, der die Permeabilität bei Kapillaren beeinflusst. Beim Studium verschiedener Immunabwehrkomponenten, durch Messungen vor und nach der Laserbeleuchtung, hat es sich gezeigt, dass der Gehalt an Alpha-I-Lipoprotein in Wundflüssigkeit nach Einfluss von Laserlicht mit 120% stieg.
Walker hat gezeigt, dass nach Behandlung von Neuralgien mit HeNe-Laserlicht Serotonin ausgeschieden wurde. (Die Serotonin-Precursorsubstanz 5-HIAA im Urin von Patienten vor und nach der Laserbehandlung wurde gemessen.) Die Substanz zirkuliert im Blut und verursacht Systemeffekte, d.h. entfaltete Wirkung auch in anderen Körperteilen als dem behandelten. Auch andere Forscher haben Systemeffekte untersucht, u.a. die Gruppe von Rochkind. Montesinos hat gezeigt, dass Laserlicht die Endorphinproduktion beeinflusst. Honmura hat durch die Blockade von Opiaten mit Naloxon festgestellt, dass der schmerzstillende Effekt nicht nur auf Endorphinen beruht.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Effekte von Laserlicht in lebendem Gewebe äußerst kompliziert sind. Es handelt sich um verschiedene photochemische Prozesse, die ihrerseits eine große Anzahl biochemischer Reaktion in Gang bringen. Manche dieser Prozesse sind laserspezifisch, während andere vor allem auf der Photonenergie beruhen. Es bedarf weiterer Forschung, bevor wir diese Vorgänge völlig verstehen können.
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