СПЕКТРАЛЬНА ЗАЛЕЖНІСТЬ ФОТОДИСОЦІАЦІЇ ОКСИГЕМОГЛОБІНУ ПІД ДІЄЮ БЛИЖНЬОГО ІНФРАЧЕРВОНОГО ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.70(2).2025.348023Ключові слова:
фототерапія, лазерне опромінення, фотобіомодуляція, фотодисоціація гемоглобіну, оксигемоглобін, насичення артеріальної крові киснем, ближнє інфрачервоне випромінювання, неінвазивний моніторинг, фотоплетизмографія, спектральна залежність, зв’язок Fe–O₂Анотація
Фототерапія є неінвазивним методом впливу неіонізуючого випромінювання на біотканини, який реалізує свої ефекти через фотобіомодуляційні та фотодисоціаційні процеси. У ближньому інфрачервоному (ІЧ) діапазоні фотонна енергія здатна змінювати стан гемоглобіну, модифікуючи насичення крові киснем (SaO₂) шляхом часткового розриву зв’язку Fe–O₂ у молекулі гему. Актуальність дослідження зумовлена потребою у розробці персоналізованих методів фотомодуляції мікроциркуляції та тканинного дихання, а також у кількісному визначенні спектральних характеристик цього ефекту. Для реалізації поставлених завдань була розроблена та апробована методика неінвазивного моніторингу змін сатурації крові з високою часовою роздільною здатністю під впливом лазерного опромінення різних довжин хвиль (808, 830, 850 і 980 нм). З метою усунення індивідуальних відмінностей у початковій сатурації розраховувалася відносна величина ΔSaO₂/SaO₂. Вимірювання проводилися транскутанно з використанням фотоплетизмографічного сенсора, що дозволяло фіксувати динаміку оксигенації крові в реальному часі. Результати показали, що найбільша зміна відносної сатурації спостерігалася при довжині хвилі 808 нм (ΔSaO₂/SaO₂ = 4,26 ± 0,67 %), тоді як при 830 нм вона становила 3,92 ± 0,71 %, для 850 нм — 2,72 ± 0,63 %, а для 980 нм — 0,79 ± 0,45 %. Виявлена майже лінійна залежність зменшення ΔSaO₂/SaO₂ зі збільшенням довжини хвилі у межах 800–1000 нм свідчить про спектральну селективність процесу фотодисоціації HbO₂, зумовлену особливостями поглинання гему та оптичними властивостями біотканин. Отримані дані узгоджуються з теоретичними моделями фотонної взаємодії та попередніми експериментами авторів, що підтверджує відтворюваність і стабільність ефекту. Показано, що випромінювання у діапазоні 800–850 нм є найбільш ефективним для ініціювання часткового розриву зв’язку Fe–O₂, що свідчить про можливість цілеспрямованого регулювання локальної оксигенації крові за допомогою низькоінтенсивного ІЧ-випромінювання. Отримані результати формують наукове підґрунтя для подальшої розробки неінвазивних технологій фотомодуляції мікроциркуляції та тканинного дихання, а також для оптимізації параметрів фототерапевтичних пристроїв у медичній і реабілітаційній практиці. Наступними етапами дослідження передбачено аналіз комбінованої дії кількох спектральних компонентів та розширення статистичної вибірки для підвищення достовірності висновків.
Посилання
H. Chung, T. Dai, S. K. Sharma, Y. Y. Huang, J. D. Carroll, and M. R. Hamblin, “The nuts and bolts of low-level laser (light) therapy,” Ann. Biomed. Eng., vol. 40, no. 2, pp. 516–533, Feb. 2012, doi: 10.1007/s10439-011-0454-7.
M. F. Tereshchenko, I. O. Yakovenko, & H. S. Tymchyk, Biofizyka ta osnovy modeliuvannia biomedychnykh protsesiv i system : pidruch. dlia zdobuvachiv stupenia bakalavra za spets. 151 «Avtomatyzatsiia ta kompiuterno-intehrovani tekhnolohii» i 174 «Avtomatyzatsiia, kompiuterno-intehrovani tekhnolohii ta robototekhnika». KPI im. Ihoria Sikorskoho, «Politekhnika», 2025. https://ela.kpi.ua/handle/123456789/76905
D. W. Frankowski et al., “Light buckets and laser beams: mechanisms and applications of photobiomodulation (PBM) therapy,” GeroScience, vol. 47, no. 3, pp. 2197–2209, Jun. 2025, DOI: 10.1007/s11357-024-01150-z.
A. P. Castano, P. Mroz, and M. R. Hamblin, “Photodynamic therapy and anti-tumour immunity,” Nat. Rev. Cancer, vol. 6, no. 7, pp. 535–545, Jul. 2006, DOI: 10.1038/nrc1894.
S. Pavlov, V. Vuytsik, R. Golyaka, N. Titova, L. Nikiforova, O. Azarov, M. Tereshchenko, V. Kholin, M. Bogomolov and O. Komarova, "Osoblyvosti proektuvannia teplovykh sensoriv potoku biomedychnoho pryznachennia," Optoelektronni informatsiino-enerhetychni tekhnolohii, is. 44(2) , pp. 66-81, 2022. https://doi.org/10.31649/1681-7893-2022-44-2-66-81
Y. Li et al., “Assessment of efficacy and safety of UV-based therapy for psoriasis: a network meta-analysis of randomized controlled trials,” Ann. Med., vol. 54, no. 1, pp. 159–169, Dec. 2022, DOI: 10.1080/07853890.2021.2022187.
H. Tong, N. Dong, C. L. Lam, and T. M. Lee, “The effect of bright light therapy on major depressive disorder: A systematic review and meta-analysis of randomised controlled trials,” Asian J. Psychiatry, vol. 99, 104149, Sep. 2024, DOI: 10.1016/j.ajp.2024.104149.
R. Chen, Y. Yan, and X. Cheng, “Circadian light therapy and light dose for depressed young people: a systematic review and meta-analysis,” Front. Public Health, vol. 11, 1257093, Jan. 2024, DOI: 10.3389/fpubh.2023.1257093.
C. Zhao, N. Li, W. Miao, Y. He, and Y. Lin, “A systematic review and meta-analysis on light therapy for sleep disorders in shift workers,” Sci. Rep., vol. 15, no. 1, 2025, DOI: 10.1038/s41598-024-83789-3.
M. R. Hamblin, “Mechanisms and mitochondrial redox signaling in photobiomodulation,” Photochem. Photobiol., vol. 94, no. 2, pp. 199–212, Mar. 2018. DOI: 10.1111/php.12864.
J. Maghfour et al., “Photobiomodulation CME part I: Overview and mechanism of action,” J. Am. Acad. Dermatol., vol. 91, no. 5, pp. 793-802, Nov. 2024. DOI: 10.1016/j.jaad.2023.10.073.
S. Kashiwagi et al., “Photobiomodulation and nitric oxide signaling,” Nitric Oxide, vol. 130, pp. 58-68, Jan. 2023. DOI: 10.1016/j.niox.2022.11.005
M. Przygoda et al., “Cellular mechanisms of singlet oxygen in photodynamic therapy,” Int. J. Mol. Sci., vol. 24, no. 23, 16890, Nov. 2023. DOI: 10.3390/ijms242316890
D. Hu et al., “Recent advances in reactive oxygen species (ROS)-responsive drug delivery systems for photodynamic therapy of cancer,” Acta Pharm. Sin. B, vol. 14, no. 12, pp. 5106-5131, Dec. 2024. DOI: 10.1016/j.apsb.2024.08.016.
C. Wang et al., “Challenges and opportunities in next-generation LED therapeutic devices,” Light Sci. Appl., vol. 14, no. 1, 319, 2025. DOI: 10.1038/s41377-024-01659-z.
Jurado Ronald Humberto Rovira, et al., “Simulation modeling of conversion processes of polarized optical radiation in biological tissue,” in Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments 2024, Ryszard S. Romaniuk and Andrzej Smolarz and Waldemar Wojcik. Eds. SPIE, vol. 12400, pp. 134000C. DOI: 10.1117/12.3054899
Y. Hu, P. Minzioni, J. Hui, S. H. Yun, and A. K. Yetisen, “Fiber optic devices for diagnostics and therapy in photomedicine,” Adv. Opt. Mater., vol. 12, no. 22, Art. no. 2400478, 2024. DOI: 10.1002/adom.202400478
D. Castaneda, A. Esparza, M. Ghamari, C. Soltanpur, and H. Nazeran, “A review on wearable photoplethysmography sensors and their potential future applications in health care,” Int. J. Biosens. Bioelectron., vol. 4, no. 4, p. 195, 2018, DOI: 10.15406/ijbsbe.2018.04.00125.
D. Velyhotskyi, “Design of Multi-Wavelength Photoplethysmography System for Non-Invasive Measurement of Oxyhemoglobin and Carboxyhemoglobin,” in Advanced System Development Technologies II. Cham, Switzerland: Springer Nature Switzerland, 2025, pp. 165–198. DOI: 10.1007/978-3-031-59931-9_8.
M. Cronshaw, S. Parker, O. Hamadah, J. Arnabat-Dominguez, and M. Grootveld, “Photobiomodulation LED devices for home use: design, function and potential: A pilot study,” Dent. J., vol. 13, no. 2, Art. no. 76, Feb. 2025, DOI: 10.3390/dj13020076.
A. C. Barolet, L. Germain, and D. Barolet, “In vivo measurement of nitric oxide release from intact human skin post photobiomodulation using visible and near-infrared light: A chemiluminescence detection study,” J. Photochem. Photobiol., vol. 24, 100250, 2024, DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2024.100250.
A. C. Barolet, I. V. Litvinov, and D. Barolet, “Light-induced nitric oxide release in the skin beyond UVA and blue light: red & near-infrared wavelengths,” Nitric Oxide, vol. 117, pp. 16-25, Dec. 2021. DOI: 10.1016/j.niox.2021.09.003.
A. I. Gisbrecht and M. M. Asimov, “Kinetics of laser-induced photodissociation of oxyhemoglobin and its biomedical applications,” Bulg. Chem. Commun., vol. 48, no. 3, pp. 521-524, 2016.
S. V. Lepeshkevich et al., “Direct observation of two-channel photodissociation of carbon monoxide from the hemoglobin subunits,” Nat. Commun., vol. 16, no. 1, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-63092-z
A. Fischbach et al., “Veno‐venous extracorporeal blood phototherapy increases the rate of carbon monoxide (CO) elimination in CO‐poisoned pigs,” Lasers Surg. Med., vol. 54, no. 2, pp. 256-267, Feb. 2022. DOI: 10.1002/lsm.23462.
C. C. Liu, C. S. Hsu, H. C. He, Y. Y. Cheng, and S. T. Chang, “Effects of intravascular laser phototherapy on delayed neurological sequelae after carbon monoxide intoxication as evaluated by brain perfusion imaging: a case report and review of the literature,” World J. Clin. Cases, vol. 9, no. 13, pp. 3048-3057, May 2021, DOI: 10.12998/wjcc.v9.i13.3048.
S. S. Yesman, S. O. Mamilov, D. V. Veligotsky, and A. I. Gisbrecht, “Local changes in arterial oxygen saturation induced by visible and near-infrared light radiation,” Lasers Med. Sci., vol. 31, no. 1, pp. 145-149, Jan. 2016. DOI: 10.1007/s10103-015-1833-z.
O. Ostapenko, O. Salyuk, D. Velyhotskyi, and S. Mamilov, “Transcutaneous Influence of Laser Radiation on the Oxygen Saturation of Venous Blood,” Ukr. J. Phys., vol. 70, no. 5, pp. 333-338, 2025. DOI: 10.15407/ujpe70.5.333.
S. O. Mamilov, S. S. Yesman, and D. V. Velyhotskyi, “Investigation of the photodissociation quantum efficiency of hemoglobin derivatives,” in Proc. 2019 IEEE 39th Int. Conf. Electron. Nanotechnol. (ELNANO), Kyiv, Ukraine, Apr. 2019, pp. 466–470. DOI: 10.1109/ELNANO.2019.8783938.
J. S. Lee, J. Kim, Y. S. Ye, and T. I. Kim, “Materials and device design for advanced phototherapy systems,” Adv. Drug Deliv. Rev., vol. 186, Art. no. 114339, Jul. 2022. DOI: 10.1016/j.addr.2022.114339
C. A. Elmets et al., “Joint American Academy of Dermatology–National Psoriasis Foundation guidelines of care for the management and treatment of psoriasis with phototherapy,” J. Am. Acad. Dermatol., vol. 81, no. 3, pp. 775–804, Sep. 2019. DOI: 10.1016/j.jaad.2019.04.042.
LED device "LIKA-LED". https://www.fotonikaplus.com.ua/produktsiya/lazernye-apparaty/product/58-apparat-svetodiodnyj-lika-led.html
О. С. Турбіцький, М. Ф. Терещенко, “Системи формування мультиспектрального лазерного випромінювання,” на XХІV Міжнар. наук.-техн. конф. ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи, Київ, 2025, с. 252-255.
Velyhotskyi, D., Duha, S., & Mamilov, S., "Systema bahatokhylovoi fotopletyzmohrafit," Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak., вип. 69(1), pp. 106–118, 2025. DOI: 10.20535/1970.69(1).2025.331971 (in Ukrainian)
B. J. Quirk and H. T. Whelan, “What lies at the heart of photobiomodulation: light, cytochrome c oxidase, and nitric oxide—review of the evidence,” Photobiomodul. Photomed. Laser Surg., vol. 38, no. 9, pp. 527–530, Sep. 2020. DOI: 10.1089/photob.2019.4787.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Турбіцький О.С., Терещенко М.Ф., Велигоцький Д.В., Мамілов С.О., Комарова О.С.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
