Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

1/18

1. Lampy termiczne na ogół emitują szerokie widma i wymagają stosowania filtrów spektralnych

Popularne współczesne źródła światła dla medycynyPopularne współczesne źródła światła dla medycyny

2. Diody luminescencyjne(LEDy) Light Emitting Diodes)

- małe- wąskie widmo optyczne- dostępne dla wielu różnych dł. fali - bardzo tanie

Widma lasera i LED:

3. Lasery – półprzewodnikowe (diodowe) tańsze od laserów gazowych i na ciele stałym

na ogół za słabe do chirurgii doskonałe do PDD/PDT

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

2/18

SS00

SS11

SS22

TT11

TT22

10–10 – 10–8 s 10–6 – 10–3 s

Aktywacja chromoforu przez Aktywacja chromoforu przez światło: światło:

światło IRświatło IR

ciepło ablacja, koagulacja,

odparowanie,

ciepło ablacja, koagulacja,

odparowanie,

selektywne reakcje fotochemiczne z otoczeniem

selektywne reakcje fotochemiczne z otoczeniem

intersystem crossing

diagramy Jabłońskiego

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

3/18

SS00TT11

SS11

SS22

SS00 SS00

czasy życia: ns s - ms

Fluorescencja vs fosforescencja

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

4/18

terapia żółtaczki u noworodków (niedojrzałość wątroby powoduje akumulację bilirubiny w organizmie i może powodować uszkodzenia mózgu) – ok. 1958 r. obserwacja wpływu światła niebieskiego (425-475 nm), od ok. 1965 r. popularne profilaktyczne naświetlanie noworodków niebieskim światłem.

Mechanizm – absorpcja nieb. światła powoduje przegrupowanie (rozrywanie) wiązań wodorowych w cząsteczkach bilirubiny dzięki czemu stają się one wystarczająco polarne by być usunięte przez wątrobę.

Fotomedycyna

terapia łuszczycy (fotodermatologia)Łuszczyca = niekontrolowany podział komórek epidermyOd dawna znana terapia: UV + smołaOd 1974 stosowane uczulanie przez 8-methoxypsoralen i naświetlanie lampami emitującymi bliski UV

Fotofarmakologia : ani sam UV, ani sam psoralen nie są aktywne. Po wprowadzeniu do komórki, dopiero uaktywnienie psoralenu za pomocą UV wyzwala reakcję fotochemiczną.

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

5/18

DDiagnostyka Fotodynamiczna iagnostyka Fotodynamiczna ((PDPDDD))• Pewne chromofory wiążą się z komórkami neoplazmatycznymi i akumulują w nich dłużej niż w zdrowych n.p. pochodne hematoporfiryny (HPD)

• Po oświetleniu światłem dostrojonym do ich pasm absorpcyjnych (ok. 405 nm dla HPD) reemisja światła (fluorescencja) z miejsc, gdzie akumulował chromofor wizualizacja zmian diagnostyka

S0

S1

S2

ENAC-LPAS, Photomedicine Group, Dr Georges Wagnières

Endoskopowe obrazy wnętrza pęcherza pacjenta potraktowanego 5-ALApo prawej – endoskopowy obraz wnętrza pęcherza w świetle białympo lewej ten sam fragment po oświetleniu światłem niebieskim (405 nm). Widoczna wyraźna czerwona fluorescencja tkanek nowotworowych.

•Egzogenny uczulacz kwas 5-Aminolewulinowy (5 ALA), stymuluje lokalną produkcję endogennego chromoforu - protoporfiryny pP IX

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

6/18

Przykład: popularny fotouczulacz: 5-Przykład: popularny fotouczulacz: 5-ALA ALA

(kwas 5- Aminolewulinowy )(kwas 5- Aminolewulinowy )

[6 godz. po aplik. 20% kremu ALA, U. Gustafsson et al.]

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

7/18

Biopsja laserowa

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

8/18

Przykład diagnostyki fluorescencji HPD

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

9/18

Terapia Terapia FotodynamicznaFotodynamiczna ( (PDPDT)T) Wzbudzenie HPD przez czerwone światło reakcja fotodynamiczna: transfer energii do stanów T1 HDP, bliskich do wzbudzonych stanów tlenu O2 (aktywny tlen singletowy) - lokalne utlenienie neoplazmatycznej tkanki - terapia nowotworowa z małymi ef. ubocznymi

T1

S0

S1przed podczas

6 mies. po terapii

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

10/18

Przykłady terapii fotodynamicznej nowotwór szczura przed i po terapii PDT (HPD + światło lasera)

4 dni po drugim zabiegu z HPD i tumor 2.5 x 2.5 x 2.5 cm naświetlaniu (1 h, 15 mW/cm2, 620-640 nm)

2 tyg. po drugim zabiegu 6 tyg. po zabiegu

Zależność przeżywalności komórek nowotworowych w hodowli od czasu i stężenia HDP (komórki bez HPD wykazywały 1% śmiertelności)

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

11/18

- oświetlanie zewnętrzne- zastosowanie światłowodów

możliwa aplikacja promieniowania lasera w głąb tkanki, dzięki światłowodom i igłom

iniekcyjnym

Problem aplikacji światła• dla laserów łatwe:

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

12/18

• dla diod LED:

- utrudnione stosowanie światłowodów- możliwe oświetlenie zewnętrzne oświetlacze matrycowe

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

13/18

Pp IX• dopasowana do danego chromoforu – np. pasma Soreta protoporfiryny

Przykłady widm fluorescencji wzbudzanych światłem: lewy rysunek : 337 nm (niedostrojonym do pasma Soreta); prawy rysunek: 405 nm (dostrojone do pasma Soreta) [C. Klintenberg et al.]

• dopasowana do transmisji tkanki

Widmo światła

a) odpowiednia długość fali

Kryteria selekcji źródła światła dla selektywnego działania fotomed. :

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

14/18

Widmo transmisji skóry (szczura)

b) odpowiednia czystość spektralna (monochromatyczność)

Modelowanie efektywnego oświetleniaprzez różne źródła (z szerokim widmem – ciągła linia i z wąskim widmem – linia przerywana)

Efektywne oświetlenie Pp IX na różnych głębokościach z uwzględnieniem widma absorpcji PpIX, transmisji tkanki i rozkładu widmowego źródła (górny rys. – źródło szerokopasmowe, dolny – źródło wąskopasmowe) [w.g. A. Juzeniene et al.]

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

15/18

Widmo szerokie powoduje efekty uboczne (podgrzewanie tkanki) i ma mniejszą wydajność (większa przeżywalność komórek) przy określonym natężeniu światła

Pozostałe kryteria doboru źródła światła:

•Moc (natężenie) wiązki światła•Możliwość aplikacji światła do tkanki•Prostota użycia•Cena

Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4

16/18

Choice of

Mono-

chromatic

Light power

Fiber

delivery

User friendly

Price

Lamps +/– – +/– – + +

Diode Lasers

– – +++ ++ +++ + –

LEDs +++ ++ +/– +/– ++ +++

Jakie źródło światła?Jakie źródło światła?