Одним из открытых вопросов о механизмах реализации биологического действия электромагнитных излучений (ЭМИ) видимого и инфракрасного диапазонов остается объяснение различного отклика живых систем на воздействие ЭМИ в условиях развития опухоли: показано стимулирование пролиферации, отсутствие эффекта, ингибирование роста клеток неоплазии [1, 2]. Возможно, разный ответ обусловлен различным функциональным состоянием живой системы на момент воздействия.

Отмечено, что цитохром-С-оксидаза, один из основных фотоакцепторов, в зависимости от степени окисления обладает различной фоточувствительностью [1]. В связи с этим нами была выдвинута гипотеза о том, что эффективность фотобиомодуляции на организменном уровне будет зависеть не только от параметров используемого ЭМИ, но и от степени окислительной модификации макромолекул. Однако на сегодняшний день нет данных о том, какие маркеры достоверно характеризуют окислительную напряженность в организме, поэтому необходим комплексный подход - оценка уровня окисления липидов, ДНК, белков и активности ферментов антиоксидантной системы. Отражением внутреннего состояния уровня оксидативных процессов в сложной живой системе может являться, в том числе, функционирование нервной системы, как одной из наиболее чувствительных к окислительному стрессу. У Rattus некоторые гены ферментов антиоксидантной защиты расположены в локусах, ассоциированных с поведением в тесте «открытое поле» [3, 4]. Исходя из этого, особенности поведения, выявленные с помощью этого теста, вероятно, могут быть связаны с уровнем оксидативных процессов в организме. Целью работы являлась оценка эффективности фотобиомодуляции при онкогенезе в зависимости от уровня окислительной модификации макромолекул и особенностей поведения лабораторных животных в тесте «открытое поле».

Исследования проведены на 138 ювенильных аутбредных крысах-самцах стока SD. Модели неоплазии - штаммы солидных опухолей крыс РС-1 и РА (РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН), перевиваемые подкожно. Источники ЭМИ оптического диапазона - экспериментальные генераторы низкоинтенсивного ЭМИ (λ1 = 400±20 нм, 4,6 Дж/см2, λ2 = 460±20 нм, 3,2 Дж/см2, транскутанно; ИПФ РАН, Нижний Новгород) и аппарат физиотерапевтический светодиодный АФС для ФДТ (λ3 = 660±10 нм; ООО «Полироник», Москва). Модификаторы окислительных процессов – озон, получаемый на медицинском озонаторе «ТЕОЗОН» (РФЯЦ ВНИИЭФ, Саров), посредством внутрибрюшинного введения озонированного физиологического раствора [5], и фотосенсибилизатор гидроксиалюминия трисульфофталоцианин (ФГУП «ГНЦ «НИОПИК», Москва). Схемы воздействия и дозировки подробно описаны в наших работах [2, 6]. Оценивали поведение крыс в тесте «открытое поле», противоопухолевую эффективность воздействий по индексу торможения роста опухоли и по коэффициенту прироста опухоли, общую свободнорадикальную активность косвенно методом индуцированной H2O2 и Fe2+ хемилюминесценции, уровень перекисного окисления липидов в тесте с тиобарбитуровой кислотой, степень окислительной модификации белков по уровню карбонильных производных с помощью реакции с 2,4-динитрофенилгидразином, уровень повреждений ДНК в лейкоцитах крови крыс с помощью щелочной версии метода ДНК-комет, активность супероксиддисмутазы по реакции восстановления нитросинего тетразолия и каталазы по скорости разложения H2O2 [2, 6, 7].

По показателям исследовательской и двигательной активности, эмоциональности и тревожности животные разделились по типу поведения: 1) пассивные, 2) среднеактивные и 3) высокоактивные (метод k-средних, p<0,001). По сравнению со среднеактивными для пассивных крыс была характерна более высокая интенсивность окислительных процессов в организме, для высокоактивных наоборот – низкая [2]. Для животных с пассивным поведением отмечены более высокая скорость пролиферации опухолевых клеток РС-1 в начале логарифмической фазы роста и последующая спонтанная регрессия [2], более агрессивное развитие РА с метастазированием [6]. Воздействие ЭМИ фиолетово-синего диапазона на РС-1 ранних сроков развития у пассивных животных стимулировало опухолевую прогрессию, у среднеактивных – тормозило, у высокоактивных – привело к регрессированию. Предварительное курсовое действие озона изменило отклик на воздействие ЭМИ фиолетово-синего спектра: у пассивных крыс наблюдалась остановка роста с последующим регрессированием опухолевого очага, у среднеактивных – краткосрочное торможение и продолженный рост, у высокоактивных - наблюдался выраженный противоопухолевый эффект [2]. Фотодинамическое воздействие с использованием ЭМИ красного диапазона и фотосенсибилизатора способствовало прогрессии РА у высокоактивных крыс. При этом предварительное курсовое действие озона снижало риски стимулирования пролиферации опухолевых клеток и повышало противоопухолевый эффект [6].

Таким образом, показано, что эффективность фотобиомодуляции при онкогенезе зависит от уровня окислительной модификации макромолекул и взаимосвязана с особенностями поведения.

1. Кару Т.Й. Клеточные механизмы низкоинтенсивной лазерной терапии // Лазерная медицина. 2001. Т. 5. № 1. С. 7-15.

2. Жукова Е.С. и др. Фотобиомодуляция фиолетово-синим светом динамики опухолевого роста и прооксидантно-антиоксидантного баланса в организме опухоленосителей // Биофизика. 2022. Т. 67. № 3. С. 615-624.

3. Редина О.Е. и др. Генетический контроль поведения крыс НИСАГ в тесте открытого поля // Генетика. 2022. Т. 58. № 7. С. 773-785.

4. Rat Genome Database – URL: https://rgd.mcw.edu/

5. Кулагина Т.П. и др. Действие озона на жирнокислотный состав и свободнорадикальную активность в тканях крыс при опухолевом росте // Биологические мембраны. 2022. Т. 39. № 6. С. 482-491.

6. Щербатюк Т.Г. и др. Окислительная модификация белков в тканях крыс при опухолевом росте в условиях озоно-фотодинамического воздействия // Биофизика. 2020. Т. 65. № 2. С. 367-375.

7. Арутюнян А.В. и др. Методы оценки свободнорадикального окисления и антиоксидантной системы организма. – СПб.: ООО "Издательство Фолиант", 2000.

One of the open questions on the mechanisms of realization of biological action of electromagnetic radiation (EMR) in the visible and infrared ranges is the explanation of different responses of living systems to the effect of EMR in the conditions of tumor development: stimulation of proliferation, no effect, or inhibition of neoplasia cell growth have been shown [1,2]. It is possible that the different responses are due to the different functional state of living system at the time of exposure.

It has been noted that cytochrome C oxidase, one of the main photoacceptors, has different photosensitivity depending on the degree of oxidation [1]. In this regard, we put forward a hypothesis that the efficacy of photobiomodulation at the organismal level will depend not only on the parameters of the EMR used, but also on the degree of oxidative modification of macromolecules. However, to date, there are no data on which markers reliably characterize oxidative stress in the body, therefore, an integrated approach is needed to assess the level of oxidation of lipids, DNA, proteins, and the activity of enzymes of the antioxidant system. The reflection of the internal state of oxidative processes in a complex living system may be, among other things, the functioning of the nervous system, as one of the most sensitive to oxidative stress. Some rat genes for antioxidant defense enzymes are located in the loci associated with behavior in the "open field" test [3,4]. Based on this, the behavioral features revealed using this test may probably be associated with the level of oxidative processes in the body. The purpose of the work was to evaluate the efficacy of photobiomodulation during oncogenesis, depending on the degree of oxidative modification of macromolecules and the behavior of laboratory animals in the "open field" test.

The studies were carried out on 138 juvenile outbred SD male rats. Strains of solid tumors of rats RS-1 and RA (N.N. Blokhin NMRCO) transplanted subcutaneously were used as models of neoplasia. Experimental low-intensity EMR generators (λ1=400±20 nm, 4.6 J/cm2, λ2=460±20 nm, 3.2 J/cm2, transcutaneously; IAP RAS, Nizhny Novgorod) and an AFS physiotherapeutic LED apparatus for PDT (λ3=660±10 nm; Polyronic LLC, Moscow) served as sources of EMR in the optical range. Modifiers of oxidative processes were ozone produced at a "TEOZON" medical ozonizer (RFNC VNIIEF, Sarov) administered intraperitoneally as ozonized saline [5], and the hydroxyaluminum photosensitizer trisulfophthalocyanine (FGUP "SSC NIOPIK", Moscow). Schemes of exposure and dosage were described in detail in our works [2,6]. The behavior of rats in the “open field” test, the antitumor efficacy of exposures by the tumor growth inhibition index and the tumor growth rate, the total free radical activity indirectly by a method of induced H2O2 and Fe2+ chemiluminescence, the level of lipid peroxidation by the TBARS assay, the degree of oxidative modification of proteins according to the level of carbonyl derivatives using the reaction with 2,4-dinitrophenylhydrazine, the level of DNA damage in rat blood leukocytes using the alkaline version of the comet assay, the activity of superoxide dismutase according to the reduction reaction of nitroblue tetrazolium and catalase according to the rate of decomposition of H2O2 [2,6,7] were determined.

In terms of exploratory and motor activity, emotionality and anxiety, the animals were divided according to the type of behavior: 1) passive, 2) moderately active, and 3) highly active (k-means method, p<0.001). Compared with moderately active rats, passive rats were characterized by a higher intensity of oxidative processes in the body, while high-active ones, on the contrary, had a low intensity [2]. For animals with passive behavior, a higher rate of proliferation of RS-1 tumor cells at the beginning of the logarithmic growth phase and subsequent spontaneous regression [2] and more aggressive development of RA with metastasis were noted [6]. The impact of violet-blue EMR on RS-1 of early stages of development in passive animals stimulated tumor progression, in moderately active animals it slowed down, in highly active animals it led to regression. The preliminary course action of ozone changed the response to the action of violet-blue EMR: in passive rats, growth was stopped followed by regression of the tumor focus, in moderately active rats, short-term inhibition and continued growth were observed, and in highly active rats, a pronounced antitumor effect was found [2]. Photodynamic exposure using red EMR and a photosensitizer contributed to the progression of RA in highly active rats. At the same time, the preliminary course action of ozone reduced the risks of stimulating the proliferation of tumor cells and increased the antitumor effect [6].

Thus, we have shown that the efficacy of photobiomodulation during oncogenesis depends on the degree of oxidative modification of macromolecules and is interrelated with behavioral features.

1. Karu T.J. (2001) Cellular Mechanisms of Low-Intensity Laser Therapy. Laser medicine 5(1):7-15.

2. Zhukova E.S. et al. (2022) Violet-Blue Light Photobiomodulation of the Dynamics of Tumor Growth and Prooxidant-Antioxidant Balance in the Body of Tumor Carriers. Biophysics 67:489–497.

3. Redina O.E. et al. (2022) Genetic Control of the Behavior of ISIAH Rats in the Open Field Test. Russ J Genet 58:791–803.

4. Rat Genome Database https://rgd.mcw.edu/

5. Kulagina T.P. et al. (2022) Effect of Ozone on the Fatty Acid Composition and Free Radical Activity in Rat Tissues During Tumor Growth. Biological membranes 39(6):482-491.

6. Shcherbatyuk T.G. et al. (2020) Oxidative Modification of Proteins in the Tissues of Rats with Growing Tumors under the Ozone-Photodynamic Treatment. Biophysics 65:319–326.

7. Arutyunyan A.V. et al. (2000) Methods for Assessing Free Radical Oxidation and the Antioxidant System of the Body. - Publishing House Foliant, St. Petersburg.