После поглощения энергии фотона хромофор находится в «возбужденном» состоянии, которое длится очень короткое время до взаимодействия с соседними молекулами. Продукты этих реакций инициируют процессы передачи сигнала, приводящие к наблюдаемым кожным изменениям.

а) Возбужденное состояние молекул. В норме молекулы находятся в так называемом основном состоянии и имеют определенное положение электронов на внешней орбите ядра каждого атома. Для каждой молекулы также существует серия состояний электронов с более высокой энергией и различное расположение электронов на внешней орбите. Такое явление называется состоянием возбуждения.

Когда молекула в состоянии покоя поглощает энергию фотонов УФ или видимого спектра, она переходит в «состояние возбуждения». По законам квантовой механики, между электронными уровнями могут существовать только определенные энергетические щели. Соответственно, молекула может поглощать только фотоны с определенной энергией, что обусловливает индивидуальный спектр поглощения для каждой молекулы.

Молекула существует в этом первом состоянии возбуждения очень короткий промежуток времени — это синглетное состояние возбуждения, которое длится несколько наносекунд. Молекула может вернуться в основное состояние путем излучения света (флуоресценция) или выделения энергии в виде тепла; такой процесс называется внутренней конверсией. В ином случае молекула в синглетном состоянии возбуждения может вступать в химическую реакцию с образованием фотопродукта, либо она может перейти в другое состояние возбуждения в процессе кросс-релаксации. Синглетное и триплетное возбужденные состояния различаются по спинам пары электронов на внешней орбите. Если спины находятся в противофазе, они называются синглетным состоянием.

Основное состояние почти всегда является синглетным. Триплетное возбужденное состояние может существовать дольше (например, несколько микросекунд). В нем молекула может излучать свет (фосфоресценция), вступать в химическую реакцию или возвращаться в основное синглетное состояние путем кросс-релаксации.

Эти реакции молекул в возбужденном состоянии обусловливают эффективность применения света в диагностике и лечении. Например, флуоресценция происходит при каждом применении лампы Вуда. УФА, излучаемый этой лампой, вызывает аутофлуоресценцию коллагеновых волокон дермы. Исследующий врач видит флуоресценцию через эпидермис. Таким образом, любые эпидермальные поражения, такие как лентигиноз, оказываются отграниченными, поскольку флуоресценция ярче всего наблюдается вокруг участка поражения.

Тепло, образуемое при внутренней конверсии, приводит к денатурации белков и другим воздействиям импульсного лазера.

б) Фотопродукты. Во время фотохимической реакции молекул в возбужденном состоянии хромофор может трансформироваться в новую стабильную молекулу, называемую фотопродукт. Фотопродукты в ДНК играют важную роль в УФВ-индуцированных реакциях кожи. Молекула фотопродукта может образоваться исключительно в результате реаранжировки связей в хромофоре, например в случае образования провитамина D₃ из 7-дегидрохолестерина или в случае образования в ДНК четырехчленной кольцевой структуры—циклобутил-примидинового димера (CPD) из близлежащих тиминов или цитозинов. Эти фотопродукты в ДНК приводят к мутациям и развитию немеланомного рака кожи. Альтернативно, хромофор может образовать ковалентные аддукты между псораленом и ДНК.

При фототерапии таких заболеваний, как псориаз, используют эту фотохимическую реакцию. Кроме того, многие кожные реакции на УФ и видимый свет инициируются в тот момент, когда хромофор в возбужденном состоянии передает свою энергию, образуя синглетный кислород, или, отдавая электрон, образует супероксидный анион. Эти формы кислорода вступают в реакцию с молекулами клетки, что часто запускает процесс межклеточной сигнальной трансдукции, приводящий к воспалению, которое проявляется солнечным ожогом или фототоксической лекарственной реакцией.

Фотохимические реакции различаются по эффективности. Не каждая молекула хромофора, поглощающая фотон, подвергается фотохимической реакции, поскольку молекулы в возбужденном состоянии могут флуоресцировать или трансформироваться другими способами. Термин квантовый выход отражает вероятность того, что начнется один из этих процессов.

Пример расчета квантового выхода для образования определенного фотопродукта:

Квантовый выход фотопродукта = Количество образованных молекул фотопродукта/Количество поглощенных фотонов.

в) Фотосенсибилизация кожи. При поглощении ультрафиолета (УФ) и/или видимого излучения определенными препаратами (тетрациклины, хинолоны, псоралены) и красителями наблюдается эритема или воспаление. Это явление называется фотосенсибилизация, а красители и препараты — фотосенсибилизаторы. Для фотосенсибилизации в большинстве случаев требуется присутствие кислорода, и начальными фотопродуктами являются активные формы кислорода (ROS). ROS представляют собой малые молекулы и свободные радикалы, в том числе синглетный кислород, перекись водорода, супероксидный анион и гидроксильный радикал. Они окисляют ненасыщенные липиды, определенные аминокислоты в белках (гистидин, метионин, триптофан, цистеин) и нуклеиновые кислоты.

Продукты окисления инициируют процессы сигнальной трансдукции, приводящие к образованию медиаторов воспаления, таких как простагландин Е₂ (PGE₂) и фактор-некроза опухоли (ФНО)-α, которые и вызывают воспаление, проявляющееся эритемой.

Молекула сенсибилизатора в возбужденном триплетном состоянии может передавать свою энергию молекуле кислорода, генерируя таким образом ROS, а именно синглетный кислород (О₂). Синглетный кислород, который для синглетного состояния существует сравнительно долго (< 4 микросекунд), вступает в реакцию с другими молекулами клетки, генерируя дополнительные ROS. Кожная фотосенсибилизация, спровоцированная PDT препаратами и протопорфирином IX, то есть порфирином, аккумулирующимся в патологически высоких количествах в эритроцитах пациентов с эритропоэтической протопорфирией (ЕРР), изначально включает в себя образование атомарного кислорода.

Считается, что окисление мембранных липидов запускает процессы сигнальной трансдукции, вызывая кожные реакции по типу «цветения», наблюдаемые при фотосенсибилизации на фоне ЕРР. Атомарный кислород также участвует в механизмах фототоксичности некоторых препаратов. Тем не менее наблюдаемые фототоксические реакции кожи часто отличаются от проявлений фоточувствительности при ЕРР. Вероятно, это обусловлено наличием фотосенсибилизирующих веществ в различных участках ткани (например, эпидермис, дерма, сосуды). Фотосенсибилизаторы могут также находиться в разных отделах клетки (например, в ядре, митохондриях или клеточной мембране), что могло бы повлиять на образование фотопродуктов и внешние кожные проявления.

Эндогенные, УФА-поглощающие хромофоры генерируют синглетный кислород в кератиноцитах и фибробластах, а также в коже.

Эндогенные хромофоры и некоторые экзогенные фотосенсибилизаторы генерируют другие ROS. Например, перекись водорода и супероксидный анион образуются в митохондриях после прямого воздействия фотона и посредством фотосенсибилизаторов. УФВ или УФА-излучение активирует в кератиноцитах и фибробластах также ROS- продуцирующие ферменты, такие как никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат-оксидаза (NADPH). УФА-индуцированные реакции в нормальной коже и в условиях фотосенсибилизации обычно зависят от образования ROS. В настоящее время полагают, что некоторые УФВ-индуцированные реакции также протекают с участием ROS.

Действие антиоксидантов основано на связывании (т.е. химической реакции с ними и выведении) ROS и других свободных радикалов до того, как они вступят в реакцию с клеточными молекулами.

- Рекомендуем далее ознакомиться со статьей "Солнечный ожог от ультрафиолетового облучения"

1. Влияние света на кожу - фотобиология и фотоиммунология кожи
2. Воздействие ультрафиолета и видимого света на кожу
3. Свойства электромагнитного излучения и кожа
4. Источники ультрафиолетового и видимого излучения
5. Дозиметрия ультрафиолетового и видимого излучения
6. Взаимодействие ультрафиолета света и кожи (оптические свойства кожи)
7. Фотохимические реакции от ультрафиолета вызывающие кожные изменения
8. Солнечный ожог от ультрафиолетового облучения
9. Механизм развития солнечного ожога от ультрафиолета В (УФВ)
10. Механизм развития солнечного ожога в солярии (ультрафиолет А, УФА)