Introducción a los efectos biológicos del láser.

Cuando los pulsos largos (anchura de pulso en el rango de milisegundos) y los láseres de onda continua en las regiones espectrales visible e infrarroja actúan sobre los tejidos biológicos, el principal mecanismo que provoca cambios en las sustancias biológicas es la generación de calor. Después de que el tejido biológico absorbe la radiación láser, la temperatura aumenta; cuando la temperatura en el tejido excede los 45 ° C y dura más de 1 minuto, provocará la desnaturalización de las proteínas celulares y provocará daños. Los efectos térmicos están estrechamente relacionados con el alcance y la duración de la exposición.

Basado en la investigación de Henriks y Moritz, se proporciona la curva de relación tiempo-temperatura del daño tisular causado por la irradiación láser (ver figura [Curva de relación tiempo-temperatura del daño tisular causado por la irradiación láser]). El tiempo de irradiación y el aumento de temperatura de la parte irradiada cambian exponencialmente. Las temperaturas a corto plazo, altas, prolongadas y bajas pueden causar daño tisular. Si la duración de la exposición es inferior a 1 segundo, el tejido aún puede tolerar un aumento de temperatura de hasta 70°C. Si la exposición dura más de 10 segundos y el aumento de temperatura es de sólo 58°C, la estructura quedará destruida. Los efectos térmicos son el factor más importante en el daño del láser. El límite entre el área dañada por el láser y el tejido normal es muy claro. Esto se debe a la corta duración del pulso del láser y a la mala conductividad térmica del tejido biológico, por lo que el calor instantáneo no puede extenderse más allá del sitio irradiado. Después de la irradiación, debido a cambios secundarios, como inflamación, sangrado, regeneración, etc. , el límite de la lesión originalmente claro se irá borrando gradualmente. Los tejidos biológicos tienen cierta cromaticidad y pueden absorber selectivamente el espectro de 300 ~ 1000 nm. Los pigmentos de los organismos vivos incluyen melanina y melanoidina, hemoglobina, caroteno, hierro, etc. Entre ellos, la melanina es la que absorbe la mayor cantidad de energía láser. La hemoglobina reducida tiene una banda de absorción clara a 556 nm, la oxihemoglobina tiene una banda de absorción clara a 415, 542 y 575 nm, el caroteno tiene una banda de absorción a 480 nm y la melanina y la melanoidina tienen la absorción más fuerte a 400 ~ 450 nm. Independientemente de si son células normales o tumorales, hay muchos gránulos de melanina en el citoplasma y entre las células. Absorben la energía del láser y la acumulan en las partículas de pigmento, convirtiéndose en una fuente de calor. La energía se conduce y se propaga, causando daños a los tejidos y células circundantes.

La transparencia de los tejidos y componentes celulares a la luz láser es relativa. Por ejemplo, Franz et al. demostraron que el ácido nucleico reducido de nicotinamida y adenina (NAD-) es transparente al láser de rubí con una longitud de onda de 694,3 nm, pero puede absorber luz ultravioleta con una longitud de onda de 330 ~ 350 nm. Cuando un rayo láser de rubí actúa sobre una solución concentrada de NAD-, se produce absorción. Las macromoléculas biológicas tienen bandas de absorción amplias y fuertes en el espectro visible, por lo que existe una cierta probabilidad de absorción multifotónica cuando una fuerte radiación láser interactúa con la materia biológica. Las biomoléculas pueden excitarse después de absorber fotones y su energía se convierte en calor, se reirradia parcialmente en forma de fosforescencia o fluorescencia, o se utiliza para acelerar reacciones químicas.

La combinación de irradiación láser con una longitud de onda de unos 630 nm y fármacos fotosensibles (como el derivado de hematoporfirina-HPD) se denomina terapia fotodinámica. En otras palabras, cuando a un paciente se le inyecta HPD, las células cancerosas retienen más HPD dentro de 48 a 96 horas. En este momento, la irradiación directa del láser en el sitio del tumor puede matar las células cancerosas. Este es el llamado efecto de fotosensibilidad. Normalmente, la irradiación con láser se puede utilizar para producir destrucción selectiva cuando las células tumorales malignas absorben más luz láser que las células normales. Cuando la densidad de potencia del láser enfocado alcanza 10 (MW/cm), una intensidad de campo eléctrico equivalente a 10 (V/cm) puede causar ionización del tejido en el foco. Actualmente, la potencia de salida de los láseres de pulso con conmutación Q es mucho mayor que este orden de magnitud. La interacción directa entre fuertes campos electromagnéticos y biomoléculas puede producir excitación, vibración, calor y radicales libres, provocando daños en los tejidos. Los radicales libres producidos por la irradiación con rayo láser de la piel oscura y el melanoma se pueden medir mediante vibraciones de espín de electrones.

Debido a las propiedades especiales de los láseres, la tecnología láser se ha utilizado en muchos aspectos de la investigación biológica y aplicaciones médicas. Por ejemplo, la fotólisis flash y la espectroscopia Raman se utilizan para estudiar procesos de reacción biológica rápida y la estructura de moléculas complejas, y los cuchillos láser se utilizan en cirugía para cortar tejido y coagular pequeños vasos sanguíneos y nervios.