Фототерапия, митохондрии и мозг

Фототерапия, митохондрия и мозг

Фототерапия или биофотомодуляция или low level laser therapy (LLLT) – это терапия красными и ближними инфракрасными (БИК) спектрами света. Альтернативный и неинвазивный способ вмешательства в свое здоровье. Тема огромная, поэтому она будет в виде тезисов.

Чего-то антинаучного фототерапия из себя не представляет. Львиная часть публикаций ниже – команда Майкла Хэмблина из профильной лаборатории Гарварда/МТИ. Одна из самых необычных статей (про модуляции БИК структуры воды в митохондриях) напечатана в Nature [8], самом престижном в Мире научном журнале.

Фотобиология. База

Настоятельно рекомендую к просмотру лекции Александра Вунша [1, 2]. Тут в доступной форме вы услышите про роль света в биологии. Почему и как наши белки реагирует на спектры солнечного света.

Фототерапия. Технические моменты

Красный и ближний инфракрасный спектр лучше всего проникают в кожу.

  • В митохондриях есть фотодетекторы, белки реагирующие на определенные спектры света [7];
  • БИК свет (810 нм и 910 нм) проникают в мозг (тест на кадавре) до 3 см [4];
  • При этом даже при блокировке света шапочкой из фольги (в буквальном смысле, не шутка), эффекты терапии получаются системными [4];

Для меня это говорит о том, что мы (или даже лично я) пока не понимаем, как сигналы из фоторецепторов кожи передаются в митохондрии. Я лишь фиксирую то, что системный эффект есть. А почему это так – буду со временем спрашивать у компетентных биофизиков. Некоторые инсайты можно получить в китайском исследовании по доставке БИК света до белков клеток [8].

Несмотря на то, что лишь от 0,45% до 2,9% БИК излучения проникает на 3 см в скальп, череп, ткани мозги – мы можем говорить о системном воздействии на митохондрии и клетки тканей (те же нейроны).

Фототерапия имеет бифазный эффект, тем самым следуя правилу Арндта-Шульца [Arndt-Schultz law].

Принцип Арндта-Шульца:

  • небольшое количество стимулирует и дает положительный эффект;
  • большое количество подавляет и имеет негативный эффект;
  • чрезмерное количество смертельно.

Этот принципе применим, как видите, не только к лекарствам, но к свету. Количество кДж интересующиеся могут посмотреть в работах Хэмблина [7 и другие].

Фототерапия и митохондрии

Активация цитохром С (цэ) оксидазы (комплекса IV)

Пожалуй, самый известный эффект фототерапии. Под действием УФ-излучения и в принципе оксид азота NO проникает в цитохром цэ оксидазу, ковалентно связываясь (прочно) с железо-содержащими гемами и медью, и в итоге мешая работе дыхательной цепи переноса электронов [4, 5, 6, 7].

Фототерапия ближним инфракрасным светом высвобождает оксид азота NO из комплекса IV, цитохром С оксидазы, тем самым улучшая эффективность дыхательной цепи переноса электронов. Высвобождение NO в тканях также может иметь ряд положительных эффектов (сосудорасширяющих).

Увеличение скорости вращения АТФ-синтазы

Фототерапия БИК-спектром снижает вязкость воды, тем самым увеличивая скорость вращения АТФ-синтазы и выработку АТФ в целом [8].

TRP-рецепторы и высвобождение кальция

Transient receptor potential – это супер-семья рецепторов, куда входят ионные каналы. БИК излучение открывает кальциевые каналы. Точно механизм пока не ясен, но предположительно БИК спектр воздействует на воды в ионных каналах, что приводит к их открытию.

Снижение оксидативного стресса

Фотобиомодуляция активирует супероксиддисмутазу, снижает количество реактивных видов кислорода [7]. Технически там более сложная схема. Из серии генерация ROS – активация антиоксидативных транскрипторных факторов (странно, что Nrf2 еще не исследовали в этом плане) – подавление уровня ROS. Но как я писал в самом начале, эффект бифазный. Фотобиомодуляция может создать и слишком много реактивных видов кислорода.

Другие эффекты [7]

Активация гипоксичного транскрипторного фактора (HIF-1α). Напрашивается синергия с гипоксичной терапии для снижения митохондриальной гетероплазмии (количества подвержденных митохондрий).

Активация PGC-1α и PPARγ, что говорит о возможности влиять на липидный и гликолитический метаболизм.

Активация Akt, mTOR и снижение апоптоза клеток.

Хэмблин предполагал синергию биофотомодуляции с физическими нагрузками для роста митохондрий [7]. Но это находится вне сегодняшней заметки.

Фототерапия и неврологические расстройства

Основные эффекты БИК-фототерапии:

  • Увеличение выработки АТФ;
  • Нейрогенез и синапсогенез (BDNF, NGF);
  • Снижение воспаления (меньше IL-1β, чуть менее однозначно с TNFα, меньше IL-6, больше противовоспалительного TGF-β1;
  • Снижение апоптоза нейронов;
  • Ангиогенез и улучшение микроциркуляции;
  • Снижение эксайтотоксичности;
  • [предположительно] улучшают проникновение мезенхимальных стволовых клеток (MSCs) в мозг, что способствует очистке от β-амилоидных бляшек.

Фототерапия

Инсульты и черепно-мозговые травмы

Все вышеперечисленные эффекты положительно влияют на острые и хронические последствия инсульта и черепно-мозговых травм.

Фототерапия 630 нм и 830 нм (красный и БИК) в течение 10 минут за лоб (13,3 Дж/см2) улучшало время продуктивной работы за компьютером с 30 до 3 часов (после черепно-мозговой травмы) [4].

Болезнь Альцгеймера

В добавок в АТФ и митохондриях, увеличивался уровень c-fos белка [4]. Это непрямой маркер активности нейронов. Больше нейронной активности – больше c-fos. Применительно к болезни Альцгеймера это конечно же хорошо.

Порадовали на этот поприще и отечественные исследователи [10]. Они умело показали, что внутривенная фототерапия красным лазером была эффективнее мемантина или ривастигмина (стандартных фармакологических опций). В группе с фототерапией было заметное улучшение симптоматики и микроциркуляции, которое длилось 1-7 лет после терапии.

Фототерапия может рассматриваться как способ усилить когнитивную функцию.

Остальное

  • С болезнью Паркиноса одно исследование, где у пациентов улучшился Visual Analog Scale [4];
  • Применение LED 810 нм на лоб улучшало симптомы тревоги и депрессии;
  • Ноотропный эффект за счет вышеописанных эффектов;
  • Улучшение скоринга аберрантного поведения у больных аутизмом [13];

Помимо неврологии

Фототерапия в дерматологии

  • Утренний пре-кондишенинг БИК светом снижает урон кожи полуденными УФ-лучами (отсюда любители утренних солнечных ванн);
  • Снижение фотостарения;
  • Возможность как подавить, так и активировать MMP-1 (коллагеназа, разлагающая коллаген кожи) [11];
  • Потенциально положительные эффекты для проблемной кожи (прыщи, псориаз). У нас и иммуномодулирующий эффект, не забывайте;
  • Более быстрое заживление ожогов, шрамов, келоидных рубцов [12];
  • Возможное приминение при витилиго и депегментации [12];

Свет и тело

  • Снижение хронических мышечных болей [14, 15];
  • Улучшение восстановления после физических нагрузок [16]

Фототерапия и болезнь Хашимото

830 нм в лечение 5 недель улучшали микроциркуляцию паренхимы щитовидной железы и снижали про-воспалительные цитокины [17, 18]. Микроциркуляция паренхимы — скорее непрямой маркер улучшения симптомов аутоиммунного тиреоидита.

Еще много чего, если зарыться.

Фототерапия. Практика и устройства

Опций много. На нужны излучения красного спектра (635-700 нм) и ближнего инфракрасного спектра (в исследованиях обычно 800-1000 нм) в одном источник света.

Бюджетный вариант – Alibaba.com. Лампа красного и БИК спектра. Вариант А. Если я правильно понял, до 15 долларов США за 1 штуку;

Zepter. Medolight. Относительно дорогая швейцарско-польская игрушка за 300 евро. 640 нм и 880 нм, возможность пульсирующего света. Мощность до 1,6 Дж/см2

На amazon.com много подобных игрушек.

Личный опыт

Использую медолайт от Zepter. Беру их программу и модифицирую под себя.

Пока у меня:

  • 10 минут на область лобка (простата, профилактика, забота о втором сердце мужчины);
  • 10 минут на тестикулы (гипотеза о повышенном стероидогенезе клеток Лейдига);
  • реже 10 минут на лоб и на закрытые веки (глаза, восстановление головы);
  • еще реже душ на ночь в свете Медолайта.

Повышенный стероидогенез вроде бы есть. Точно пойму с тестами на больших промежутках времени. Душевые с красным и БИК светом хорошо восстанавливают (если потом сразу спать, без включения синего света).

Выводов не будет. Фототерапия – потенциально очень интересная вещь. В том числе синергичная с терапиями, диетами итд. Буду продолжать пробовать тестировать.

На это я сейчас смотрю как на элементарную по затратам интервенцию. Вроде очков блю-блокеров за 9 долларов. Улучшить качество жизни за 10-15 долларов (+ самодисциплина) – это очень неплохо, как мне кажется.

Источники:

  1. Living Photons — How Light Controls Matter;
  2. How natural & artificial light is impacting human’s endocrine system & hormones;
  3. Александр Вунш. Вводная лекция по фотоэндокринологии
  4. Shining light on the head: Photobiomodulation for brain disorders;
  5. Biphasic Dose Response in Low Level Light Therapy;
  6. MECHANISMS OF LOW LEVEL LIGHT THERAPY;
  7. Mechanisms and Mitochondrial Redox Signaling in Photobiomodulation;
  8. Near-Infrared Light Activation of Proteins Inside Living Cells Enabled by Carbon Nanotube-Mediated Intracellular Delivery;
  9. Light Effect on Water Viscosity: Implication for ATP Biosynthesis;
  10. Dementia and Cognitive Impairment Reduction after Laser Transcatheter Treatment of Alzheimer’s Disease;
  11. Infrared and skin: Friend or foe;
  12. Low-level laser (light) therapy (LLLT) in skin: stimulating, healing, restoring;
  13. Effects of Low-Level Laser Therapy in Autism Spectrum Disorder;
  14. Low-level laser therapy as a treatment for chronic pain;
  15. The Use of Low Level Laser Therapy (LLLT) For Musculoskeletal Pain;
  16. Low-level laser (light) therapy (LLLT) on muscle tissue: performance, fatigue and repair benefited by the power of light;
  17. Assessment of the Effects of Low-Level Laser Therapy on the Thyroid Vascularization of Patients with Autoimmune Hypothyroidism by Color Doppler Ultrasound;
  18. Low-level laser therapy in chronic autoimmune thyroiditis: a pilot study

 

Поделиться:

Кето-1. Почему жиры и что такое пентозофосфатный путь метаболизма глюкозы

Начнем сначала с того, почему жиры.

Пища – это источник, в первую очередь, углерода и энергии. Вспомним эти расчеты.

1 молекула глюкозы дает 38 молекул АТФ;
1 молекула 18-углеродной стеариновой кислоты дает 147 молекул АТФ, притом всего лишь в 2 раза больше калорий.

В данном случае с глюкозой с 1 атом углерода мы получаем примерно 6,3 молекул АТФ; со стеариновой кислотой – 8,2 АТФ.

Это происходит из-за того, что жиры – менее окисленная форма углерода, чем углеводы, как точно заметил Д.С. немного раньше. То есть жиры могут в процессе метаболизма окислиться (что они успешно и делают), дав больше энергии чем углеводы.

Углеводы же за счет того, что они более окисленная форма углерода, приводят к избыточной генерации реактивных видов кислорода в дыхательной цепи митохондрий [1,2, и другие исследования].

Чтобы проговорить все возможные каналы получения энергии, давайте вспомним про креатин. С ним нюанс в том, что креатин поглощает больше метиловых групп (CH3), чем все остальные реакции тела, вместе взятые [3, 4].  Баланс метилирования в организме – критическая функция для физического и психического здоровья (не говоря уже о долголетии), так как этот фактор напрямую определяет эксперссию генов [5].

У нас вроде бы остается только один путь выработки энергии: бета-оксидация, но на самом деле куда больше. Сейчас предлагаю рассмотреть пентозофосфатный путь метаболизма глюкозы. Он же pentose phosphate pathway, сокращенно PPP/ПФП.

Это альтернативный путь метаболизма глюкозы, когда она не поступает в цикл Кребса [6,7]

В ходе ПФП происходит 2 важных вещи, помимо синтеза АТФ: образование 5-фосфатных сахаров (в частности D-рибозы) – это более восстановленная версия углерода, чем 6-фосфатные формы; и образование NADPH [7, 8, 11, 12], как мощнейшего инструмента восстановления в паре восстановление-окисление. Восстановленное можно окислить, получив дополнительную энергию.

5-фосфатные формы являются неотъемлемыми компонентами [синтеза] АТФ, КоА, NADP+, FAD, РНК, ДНК. Кроме того, D-рибоза является эффективным источником восстановления гликогена в печени [9,10].  Так как это более восстановленная форма, ее можно окислить обратно до 6-фосфатной формы, получив энергию (допустим, для синтеза ДНК).

NADPH в рамках крайне важного для организма восстановительного свойства, может восстанавливать глутатион, основной клеточный антиоксидант [8, 13]. Забудьте БАДы глутатиона – он расщепляется желудком. Забудьте комбинации NAC+R-lipolic+VitC – это не дает гарантий повышения уровня глутатиона. ПФП – это наш выбор. Что приводит нас к очевидному вопросу.

Как активировать пентозофосфатный путь?

Не самый исследованный метаболический путь у людей. Давайте попробуем разобраться.

Одна из стратегий борьбы с раковыми клетками – убить их чрезмерным количество реактивных видов кислорода. Раковые клетки пытаются защититься, активируя ПФП [14].

В растениях, где регуляция ПФП более исследована, этот метаболический путь активируется стрессом кислорода [15] и во время акклиматизации к холоду, что тоже во многом было связано с оксидативным стрессом [16].

Оксид азота приводит к апрегуляции ПФП [17]. Если вы вспомните лекции Александра Вунша по фотобиологии [18, 19],  УФ-спектр приводит к высвобождению нами оксида азота и к блокированию последним цитохрома С дыхательной цепи митохондрий. Что выравнивает ИК-спектр света, «выгоняющий» NO из цитохрома С.

Исследование 15-го года [20] говорит о том, что активация PPP – является первой помощью организма в ответ на оксидативный стресс кожи при контакте с УФ-лучами.

Вышеприведенные факты легко соединяются воедино. Организм испытывает стресс (в первую очередь оксидативный: солнце, кислород) и активирует защитный ПФП, который приведет к образованию NADPH с его восстаналивающим потенциалом, который сможем качнуть «оксидативные» качели обратно.

Очевидных ответа два: солнце (без защитных кремов и очков) и оксидативный стресс физических упражнений.

  1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10831788
  2. https://www.hindawi.com/journals/jnme/2012/238056/
  3. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11595668
  4. http://easacademy.org/trainer-resources/article/creatine-more-than-sports-supplement
  5. http://www.news-medical.net/life-sciences/Role-of-DNA-Methylation-in-Disease.aspx
  6. https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biomolecules/carbohydrate-metabolism/a/pentose-phosphate-pathway
  7. https://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb2/part1/pentose.htm
  8. https://www.jackkruse.com/emf-4-why-might-you-need-carbs-for-performance/
  9. http://www.jbc.org/content/224/2/851.full.pdf
  10. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24982199
  11. http://www.nature.com/nature/journal/v510/n7504/full/nature13236.html
  12. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17533217
  13. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3803464
  14. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25037503
  15. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S000398611630385X
  16. http://journal.ashspublications.org/content/134/2/210.abstract
  17. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18455501
  18. https://vimeo.com/174504341
  19. https://vimeo.com/187834155
  20. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26190262
Поделиться:

Виагра и меланома

Для обобщения давайте говорить обо всех ФДЭ-5 блокаторах в рамках так называемой «крузятины«, то есть в духе доктора Джека Круза сводить многие вещи к свету, воде, электромагнитным силам.

https://www.drugwatch.com/viagra/melanoma/ — есть небезынтересный сайт DrugWatch, где среди прочего писали о том, что виагра (мнн синденафил) повышает риск меланомы у американских мужчин примерно в 2 раза. Давайте разбираться.

Заявление это основано на когортном исследовании 2014 года, опубликованное в JAMA.

Круз связывает это с оксидом азота, сосудорасширяющее действие которого хорошо известно. NO и ФДЭ-5 связаны, но не совсем напрямую.

Если вы помните лекцию Вунша по фототерапии, ближний ИК-спектр очищает от NO цитохром С, восстанавливая работу электронной цепи митохондрий.
И хочу добавить известный факт, что UV-A спектр активирует NO и высвобождает его из кожи. Тынц. Но исследований по этой теме много.

Пики усвоения NO от фдэ-5 блокаторов (виагра, сиалис, левитра и всякие дженерики) + гетероплазмия митохондрий в условиях современного мира (чужеродные ЭМП, синий спектр света вечером итд).
NO замечательный стимулятор ангиогенеза (образования новых кровеносных сосудов). Ангиогенез в том числе является биомаркером онкологии.
+ раз кровью снабжается лучше пенис, значит меньше достается сердцу (отсюда связь эрекций и сердечных приступов) и другим тканям.

Напомню, что гормон роста и действие ряда его стимуляторов увязано на оксид азота.
Важно понимать понимать, что оксид азота (особенно в неестественной гигиене света) может иметь свои негативные последствия.
Оригинальный пост по теме есть на фейсбуке Круза, я все сильно упросил, уменьшил и добавил свои 2 копейки.

Поделиться:

Александр Вунш. Вводная лекция по фотоэндокринологии

 

Первые 16 минут лекции посвящены эволюции живых организмов с прицелом на фоточувствительность
Солнечные циклы для организмов на Земле — изначальная данность.
Изобретение фотосинтеза привело к кислородному кризису (переизбытку токсичного в ряде аспектов кислорода). Концентрация кислорода привела к формированию озонового слоя, фильтрующие УФ-спектр.
Дополнительная защита от УФ-света (я бы еще напомнил г-ну Вуншу, что аэробные способы получения энергии эффективнее анаэробных) позволила появиться более сложным видам живых организмов. В частности митохондрия стала частью эукариотов (держите в голове кембрийский взрыв как последствие всех этих изменений).

Молекулярная фотоэндокринология
16-23 минута
Первым делом упоминается закон Гротгуса-Дрейпера. Только поглощенные фотоны (энергия) имеют эффект.
В нашем организме за это отвечают хромофоры.
Как пример соединения Вунш приводит бензольную группу, которая можно «захватить» фотон и использовать его энергию.24

Бензольную группу имеют, например, ароматические аминокислоты.26

Дальше пару слайдов о фоточувствительности стероидных гормонов и проопиомеланокортина (ПОМК). Это огромные темы сами по себе, в рамках пересказа лекции ограничусь скринами слайдов.27

28

29

Анатомическая фотоэндокринология. 23-36 минута
Кожа и глаза — наши 2 основных способа поглощать фотоны.31

Заметная часть последующих разделов основывается на работе доктора Фрица Хольвича The Influence of Ocular Light Perception on Metabolism in Man and in Animal.
Свет (или его отсутствие) через супрахиазматическое ядро (СХЯ) воздействует на гипоталамус и всю последующую гормональную регуляцию организма. Супрахиазматическое ядро связано со всеми другими ядрами гипоталамуса. Длинная рука СХЯ неизбежно дотягивается в том числе до гипофиза и шишковидного тела.
Для простоты восприятия можете воспринимать СХЯ как наши биочасы, вшитые в гормональную регуляцию.

41

42

44

46

47

48

Функциональная фотоэндокринология
Далее Вунш переходит к важным цитатам из книги Фрица Хольвича.
У слепых людей размер гипофиза был меньше, чем у зрячих.50

Анализы крови и гормонов тоже отличались от слепых в сторону снижения ряда показателей.51

52

У уток яички в присутствии света меняется функция яичек. Современное отечественное исследование Даниленко и Самойловой показывает, что зависимость уровня сексуальных гормонов от света характерна и для людей.53

54

Свет вызывает системную стрессовую реакцию в организме.55

Хольвич попал в опалу индустрии света за то, что показал, что искусственный свет (3500К, белый свет) приводит к повышенным уровням кортизола и адренокортикотропного гормона, которые возвращается в норму после прекращения «облучения».56

Если мы посмотрим на спектр искусственных источников света, то увидим значительные различия между солнцем и искусственным источниками освещения. Самыми ограниченными получаются светодиоды.58

Также не стоит забывать о цикличности солнечного излучения. Для разного времени суток характеры различные циркадрые сигналы, влияющие на наши гормоны. 60

Возвращаясь к эволюционной составляющей, яркий свет дает нам всплеск стрессовых гормонов. Ходи, действуй, размножайся, а ночь дает восстанавливаться. Это касается и наших глаз, для восстановления сетчатки после дневной «атаки» фотонами нужен мелатонин.67

68

69

73

Обилие искусственного света вечером = циркадное несоответствие и чрезмерная стимуляция тогда, когда ваш организм уже должен находить в другом режиме. Мелатонин тут лишь самая очевидная часть проблемы.

Что делать:
— использовать дома вечером биологически нейтральное освещение (без УФ и синего спектра);
— блокировать доступ синего спектра к вашим глазам (blue blocking glasses) и к вашей коже (насколько это возможно, футболка с длинным рукавом);
— спать в полной темноте (плотные темные шторы и никаких ярких огоньков ночью);
— проводить как можно больше времени на солнце без очков.

Я хотел на пальцах показать, что циркадные ритмы драйвят биологические (в том числе гормональные) процессы. Диеты и фитнес — это только 10% здоровья.

Поделиться:

Воздействие ближнего инфракрасного спектра на АТФ синтазу

Light Effect on Water Viscosity: Implication for ATP Biosynthesis : Scientific Reports
волна 670 нм (ближний ИК-спектр) усиливала синтез АТФ за счет уменьшения вязкости воды в АТФ синтазе.

АТФ Синтаза — наш нанороторный мотор, финальный этап синтеза АТФ.
Изначально считалось, что это мотор всегда работает на 100% и всего максимально эффективен.
Эксперименты показали, что имеем место быть трение между наноскопическими слоями воды.

Реактивные виды кислорода (ROS) увеличивают это трение и как следствие вязкость воды.
А БИК (в исследовании 670 нм) уменьшает вязкость воды — «мотор» АТФ Синтаза быстрее вращается — АТФ быстрее генерируется.

Поделиться:

Ближний инфракрасный свет

Куски из лекции.
Мелатонин:
— антагонист ароматазы, уменьшая производство эстрогена;
— антагонист кортизола;
— стимулирует иммунную систему (Т-лимфоциты);
— антиоксидант;
— снижает производство энергии в митохондриях;
— улучшает клеточную регенерацию;
Итд

В сетчатке своя система производства мелатонина, не связанная с гипофизом.
Сетчатка постоянно съедает фотоны, потому ей нужно восстанавливаться.

УФ-спектр приводит к генерации большего числа реактивных видов кислорода + стимулирует выработку D3.
Ближняя инфракрасная область стимулирует выработку АТФ (как следствие тоже небольшие пики ROS) и имеет антиоксидативный эффект.

Короткие волны высвобождают NO (оксид азота), который улучшает циркуляцию крови, но снижает выработку энергии. Мешая на финальном этапе дыхательной цепи митохондрий синтезу АТФ.
БИК (ближний ИК-спект) восстанавливает производство энергии. Грубо говоря, БИК активирует цитохром С.

Вода хорошо поглощает энергию длинных волн. ИК-спектр активирует молекулы воды (как именно не уточняется: там много вариантов вибраций итд).
Но это влияет на доставку питательных веществ и различные процессы (особенно в желтом пятне).

У него был эксперимент с искусственными источниками БИК, которые неплохо регенерировали коллаген в коже пожилых людей.

Поделиться: