== ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ =
УДК 616.3:577.3
АНТИМИКРОБНАЯ ФОТОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ: ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СЛИЗИСТУЮ ТКАНЬ, СОДЕРЖАЩУЮ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОР МЕТИЛЕНОВЫЙ СИНИЙ
© 2012 г. Л. Г. Астафьева, Г. А. Залесская, В. Ю. Плавский
Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБеларуси, 220072 Минск, Беларусь Е_шаИ: astafev@dragon.bas-net.by Поступила в редакцию 06.09.2011 г.
В окончательной редакции 18.10.2011 г.
Рассчитано пространственное распределение поглощенной световой энергии внутри слоев слизистой ткани, содержащей фотосенсибилизатор метиленовый синий. При режимах облучения, типичных для антимикробной фотодинамической терапии (лазерное излучение с длиной волны 670 нм, плотность мощности 150—300 мВт/см2, дозы 9-18 Дж/см2), проанализированы условия, необходимые для проникновения света и доставки метиленового синего к очагу инфекции на слизистой ткани. Проведено компьютерное моделирование тепловых полей, оценены максимальные температуры нагрева, рассмотрена степень влияния нагрева на прохождение света через окрашенную ткань.
ВВЕДЕНИЕ
Антимикробная фотодинамическая терапия (АФДТ) предполагает фотохимическую деструкцию патогенных организмов при сочетанном применении местного введения фотосенсибилизатора (ФС) с антимикробными свойствами (например, в виде поверхностной аппликации на очаг инфекции) и последующего облучения низкоинтенсивным световым излучением, которое должно в наибольшей мере поглощаться ФС, накопившимся в ткани. Воздействие светового излучения может инициировать как типичное для фотодинамической терапии образование высокореакционного синглетного кислорода, оказывающего антимикробное действие в зоне очага воспаления, так и менее исследованные термические эффекты, вызванные разогревом биотканей, поглотивших световое излучение: усиление микроциркуляции крови, термические повреждения тканей, активацию некоторых метаболических процессов. В последние годы сфера терапевтического применения АФДТ стремительно расширяется. Для эффективного использования метода требуются разработка моделей, описывающих транспорт ФС в облучаемые ткани, а также детальные исследования возможных механизмов взаимодействия оптического излучения с компонентами биотканей, окрашенных ФС. Распределение световых полей в слизистых тканях, содержащих ФС, и внутреннее тепловыделение в облучаемой области ранее не анализировались в достаточной мере.
Цель настоящей работы — моделирование пространственного распределения поглощенной энергии и тепловых полей в окрашенной ФС сли-
зистой ткани при воздействии излучения полупроводникового лазера с длиной волны 670 нм.
В качестве модельного ФС при АФДТ слизистых тканей нами выбран краситель метиленовый синий (МС), который широко используется в настоящее время в качестве антимикробного ФС для лечения ряда заболеваний, в том числе локальных поражений слизистых тканей [1—6]. Отметим, что еще в середине прошлого века фотоактивированный МС успешно применялся не только для лечения поверхностных воспалений, но и для дезинфекции крови и ее продуктов. Как кати-онный краситель МС обладает способностью связываться с карбоксилатными или сульфонат-ными группами органических молекул и легко проникать в клетки микробов [1—3].
В длинноволновой области спектра поглощения водных растворов МС имеется два максимума — на 609 и 664 нм (15000 см-1), обусловленные поглощением димерной и мономерной форм. Световое излучение с длиной волны 670 нм находится вблизи максимума полосы поглощения мономеров МС. Из-за способности к димеризации спектры поглощения МС в этой области зависят от концентрации красителя и природы растворителя. При концентрации раствора МС 0.1% в спектре преобладает поглощение мономерной формы. Квантовый выход флуоресценции водных растворов низок (~0.04). Важным преимуществом МС является высокая поглощательная способность в "терапевтическом окне". Коэффициент молярного поглощения в максимуме полосы 664 нм равен 85000 л моль-1 см-1, что составляет 14 см-1 при используемой концентрации МС 55 мкг/мл (1.72 х 10-4 моль/л).
Оптические и термические характеристики слизистой ткани
Ткань X, нм Ца, см 1 см 1 g р, г/см3 с, Дж/(г град) Вт/(м град) d, мкм
Эпителий 670 1.0 14.0 0.9 0.96 3.56 0.55 500
Подэпителиальный слой 670 1.0 14.0 0.9 0.96 3.56 0.55 500
Мускульная ткань 670 2.0 300 0.9 1.0 4.58 0.31 1000
Метиленовый синий обладает достаточно высокой фотосенсибилизирующей активностью благодаря своим фотофизическим свойствам [7]. Так, после поглощения излучения с X = 670 нм часть синглетновозбужденных молекул МС в процессе эффективной интеркомбинационной конверсии S ^ T переходит в долгоживущее три-плетное состояние Т1 (квантовый выход фТ = = 0.52). Положение триплетного уровня Т1 МС (ЕТ = 11000 см-1), расположенного выше первого синглетного уровня кислорода 1Аg (Ед = 7882 см-1), и низкий потенциал окисления МС, равный 0.52 В, способствуют эффективному тушению триплет-ных молекул МС кислородом с образованием син-глетного кислорода (квантовый выход фд = 0.50), оказывающего разрушающее фотодинамическое воздействие на патогенные микроорганизмы. Как известно, при фотодинамической терапии возможно также разрушение патогенных микроорганизмов реакционно-способными радикалами биологических субстратов, образующимися в результате переноса электрона или атома водорода от триплетных молекул ФС. Для МС могут реализоваться оба механизма фотодинамического действия [7]. Наряду с фотодинамической эффективностью важными качествами МС, способствующими широкому применению в АФДТ, являются дешевизна и безопасность препарата.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Моделирование светового воздействия выполнялось для лазерного излучения с длиной волны X = 670 нм, которое широко используется в терапевтической практике как обеспечивающее проникновение в глубину ткани. Для терапевтических применений излучения X = 670 нм имеется широкий ассортимент разнообразного промыш-ленно выпускаемого оборудования как с лазерными, так и со светодиодными источниками. Так, в Республике Беларусь производятся терапевтические аппараты "Айболит", "Родник-1" и "Ромашка". При расчетах использовались типичные режимы светового облучения (плотность мощности 150-300 мВт/см2, экспозиция на одно поле до 60 с, доза 2.7-5.4 Дж/см2), экспериментально подобранные в [4-6] при лечении заболеваний слизистых тканей методом АФДТ с применением МС.
При световом облучении поверхности слизистых оболочек в общем случае можно рассматривать прохождение излучения через три основных слоя. Это верхние слои эпителия слизистой ткани, толщина которых в зависимости от типа слизистой в норме изменяется от 30 до 500 мкм, но значительно возрастает при патологиях; слой подслизистой ткани толщиной ~500—1000 мкм, содержащий капилляры; слой ткани основы (толщина от 0.5 до 3 мм), состоящей в основном из мышечной ткани. Оптические и теплофизиче-ские характеристики эпителия и подслизистой ткани, согласно литературным данным [8, 9], подобны. Наиболее важным хромофором на длине волны 670 нм является гемоглобин крови, содержащийся в мышечной ткани. Для оптических характеристик мышечной ткани, расположенной под слизистой оболочкой, использовались значения, характерные для мышечной ткани желудка и толстого кишечника [10]. Предполагалось, что при поверхностном облучении слизистой ткани отражается около 30% падающего излучения.
Для теплофизических характеристик тканей определяющим является содержание воды, доля которой в мышечной ткани достигает 70% и в слизистой ~95%. Отметим, что структура слизистых тканей несколько отличается для различных внутренних органов, поэтому для конкретных органов возможны отличия в пространственных распределениях поглощенной энергии и тепловых полей. Использованные в работе толщины слоев, оптические характеристики МС и слизистых тканей на X = 670 нм, полученные в [8], а также термические характеристики тканей, взятые из литературы [9], приведены в таблице.
Моделирование пространственного распределения поглощенной энергии и тепловых полей
Процесс нагрева и распределение температуры внутри многослойной слизистой оболочки под действием падающего на поверхность лазерного излучения с длиной волны 670 нм можно описать уравнением теплопроводности с соответствующими граничными и начальными условиями для плоской среды [11], на внешнюю границу которой падает излучение:
рсдТ/дг = кУ 2Т + О (I),
-к.
дТ дг
= а
1т
(Т - Тт),
г=0
-к
1 дг
-к
дТ
I+1
¿+1
дг
(Т - Т+1 )| г=г1 = 0,
П=о = Т0, Т1 л = Т3,
(2)
(3)
(4)
(5)
где Т, р, с, к — соответственно температура, плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность соответствующего слоя, к, — теплопроводность внешнего слоя слизистой оболочки, I — время, а1т — коэффициент теплообмена внешнего слоя слизистой оболочки с окружающей средой (воздухом), Тт — температура окружающей среды, Т0 — начальная температура, Т3 — температура нижней границы нижнего слоя слизистой оболочки, х,; — толщина соответствующего слоя слизистой оболочки ( , = 1,2,3), V2 — дифференциальный оператор Лапласа, — функция источников тепла в слоях слизистой оболочки, записываемая следующим образом:
О (г) = ехр (-г^ен),
(6)
1=1
где 10 — интенсивность падающего лазерного излучения, ц — коэффициенты поглощения соответствующего слоя, — эффективные коэффициенты ослабления подкожных слоев, которые определяются из теории диффузии [12] при использовании бесконечного освещающего пучка по уравнению
це« =у1 3ца, (ца, + ц*;) , 1 = 1 2 3
ц4 = i1 - 8 )ц ,
(7)
где ц и ц ^; обозначают коэффициент поглощения соответствующего слоя и редуцированный (или транспортный) коэффициент рассеяния соответственно, ^ — коэффициент рассеяния, 8 — средний косинус угла рассеяния (параметр анизотропии рассеяния). Решение системы уравнений (1)—(5) с учетом выражений (6) и (7) позволит получить изменение температур вдоль направления распространения лазерного излучения (ось X). Распределение температуры в перпендикулярном направлении предполагается постоянным.
Для решения системы уравнений (1)—(5) строится локально одномерная неявная итерационная схема на пространственно-временно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.