Keywords: laser, laserotherapy, biostimulation, photosensitizers

Transkrypt

1 Streszczenie Światło laserowe powstaje w wyniku wymuszonej emisji promieniowania. Wiązka laserowa posiada charakterystyczne właściwości takie jak: monochromatyczność, koherentność, dużą intensywność oraz małą rozbieżność kątową, które odpowiadają za specyficzne oddziaływanie promieniowania laserowego z tkanką. Celem pracy jest zaprezentowanie zastosowań laserów w medycynie i farmacji, omówienie zasad działania laserów oraz oddziaływań promieniowania laserowego z tkanką. Naświetlanie tkanek światłem laserowym małej mocy powoduje podwyższenie ich temperatury, czemu towarzyszy poprawa ukrwienia i pobudzenie procesów metabolicznych (efekt biostymulacyjny). Wtórnymi efektami są zminimalizowanie bólu i przyspieszenie gojenia uszkodzeń tkanki. Światło laserowe o większej mocy wywołuje w tkance efekty fototermiczne. Tego typu naświetlanie doprowadza do fotokoagulacji lub fotoablacji. W pracy zaprezentowano lasery różniące się ośrodkiem czynnym, który stanowić może ciało stałe, ciecz, gaz lub półprzewodnik. Omówiono urządzenia laserowe pracujące w trybie ciągłym oraz emitujące impulsy świetlne z określoną częstotliwością. Zastosowanie laserów w medycynie i farmacji jest bardzo szerokie. Z uwagi na ograniczenie krwawienia, umożliwienie bardzo precyzyjnego cięcia, zmniejszenie bólu czy przyspieszenie gojenia ran lasery coraz częściej wykorzystywane są w chirurgii, dermatologii, okulistyce, stomatologii, laryngologii i neurologii. Biostymulujące działanie lasera wpływa korzystnie na efekty lecznicze farmakoterapii. Wiele badań poświęconych jest również terapii fotodynamicznej PDT polegającej na naświetlaniu wiązką światła laserowego tkanki, która wcześniej zakumulowała związek światłouczulający. Naświetlenie komórek światłem o określonej długości fali prowadzi do przejścia fotouczulacza w stan wzbudzony, co w konsekwencji prowadzi do zniszczenia tkanki zmienionej chorobowo. Terapię tę stosuje się głównie w leczeniu nowotworów. Abstract Laser light is formed by stimulated emission of radiation. Light emitted by lasers have many characteristic properties as monochromaticity, coherence, high intensity, and it falls parallelly in strictly definite direction, what is responsible for specific interactions with tissues. The aim of this work is to present many kind of laser applications in medicine and pharmacy, describe basic of lasers and laser interactions with tissues. Low level laser therapy that is biostimulation induced increase of temperature, improve of blood circulation and stimulation of metabolic processes. High level laser therapy induced fotothermal effects. That kind of laser radiation causes fotoablation and fotocoagulation in this part of tissue. Lasers may work continuously or they may emit impulses of light with definite frequency. Many kind of material like solid, liquid, semiconductor or gas can be used as laser active center. There are known a lot of laser applications in medicine and pharmacy. On account of bleeding reduction, possibility of precise cut, guarantee of better visibility during operation, decrease of pain and acceleration of injury healing lasers are often used in surgery, dermatology, ophthalmology, stomatology, laryngology and neurology. Laser biostimulation effects on therapeutical results of pharmacotherapy. Nowadays many of research are concentrated on photodynamic therapy. That treatment use laser light to activate the fotosensitive compound which is accumulated in pathological tissue. Laser radiation causes activation of this substance what destroys treated tissue. Mainly that kind of therapy is used to cancer treatment. Keywords: laser, laserotherapy, biostimulation, photosensitizers Słowa kluczowe: laser, laseroterapia, biostymulacja, fotouczulacze Laser to urządzenie, w którym uzyskuje się wzmocnienie promieniowania elektromagnetycznego w wyniku emisji wymuszonej. Od pierwszych liter powyższej definicji w języku angielskim pochodzi nazwa lasera Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation [1]. Wśród oddziaływań promieniowania elektromagnetycznego z materią wyróżnić można trzy zjawiska: absorpcję, emisję spontaniczną i emisję wymuszoną. Działanie lasera opiera się na zdolności atomów do absorbowania i emitowania energii. Absorpcja polega na pochłonięciu energii

2 Ryc. 1. Zjawisko emisji wymuszonej. E energia, hν = E 1 E 0. Ryc. 2. Budowa lasera wg [2]. z jednoczesnym przejściem atomu na wyższy poziom energetyczny (poziom wzbudzony) [1, 2]. W związku z tym, że każdy układ dąży do osiągnięcia jak najniższej energii, wzbudzony atom w krótkim czasie przechodzi z powrotem na swój poziom podstawowy i uwalnia energię, którą wcześniej zaabsorbował. Jest to tak zwany proces emisji spontanicznej [1, 2]. Do emisji wymuszonej (Ryc. 1) dochodzi wówczas, gdy na atom znajdujący się w stanie wzbudzenia zadziała foton o energii równej różnicy energii pomiędzy jego stanem podstawowym a stanem wzbudzonym. Podczas tego procesu powstaje dwa razy więcej fotonów niż podczas emisji spontanicznej [2, 3]. Budowa i działanie lasera Zapoczątkowanie akcji laserowej wymaga nie tylko zaistnienia procesu emisji wymuszonej. Konieczne jest także to, by proces ten pojawiał się z większą częstotliwością niż absorpcja i emisja spontaniczna [2, 3]. W środowisku naturalnym atomy dążą do przebywania na poziomie podstawowym, a więc w stanie o najniższej energii. W układach z przewagą atomów w stanie podstawowym przeważają procesy absorpcji energii [2, 4]. Aby zapoczątkować akcję laserową należy dostarczyć układowi energii, a więc doprowadzić do stanu, w którym przeważać będą atomy w stanie wzbudzonym, co spowoduje, że będzie on emitował więcej energii niż absorbował. Stan ten zwany jest układem antyboltzmannowskim. Uzyskuje się go najczęściej poprzez pompowanie optyczne, które prowadzi do inwersji obsadzeń poziomów energetycznych [1, 2, 4]. Pompowanie optyczne oprócz istnienia stanu podstawowego i stanu wzbudzonego atomu, wykorzystuje dodatkowy stan energetyczny. Znajduje się on nad stanem wzbudzonym i charakteryzuje się bardzo krótkim czasem trwania [2]. Podczas pompowania optycznego dochodzi do dostarczenia do układu energii, która umożliwia przeniesienie znajdujących się na poziomie podstawowym atomów na poziom niestabilny, czemu towarzyszy pochłonięcie energii [1, 3]. W związku z tym, że stan ten jest nietrwały następuje bardzo szybkie samoistne przejście atomów na poziom wzbudzony, na którym mogą one pozostawać przez dłuższy czas. Poziom niestabilny stanu energetycznego nazywany jest też pasmem pompowania [2]. Ciągłe napromieniowywanie układu z zewnątrz pozwala uzyskać układ, w którym przeważają atomy w stanie wzbudzonym, czyli wspomnianą wcześniej inwersję obsadzeń [4]. Inwersję obsadzeń powoduje przeniesienie ponad połowy atomów układu na poziom wzbudzony. Opisany wyżej układ energetyczny w związku z ilością wykorzystanych w nim poziomów energetycznych określany jest jako schemat trójpoziomowy [2, 3]. Często stosowany jest też schemat czteropoziomowy wykorzystujący dwa energetyczne poziomy wzbudzone atomu [2-4]. To właśnie przejścia pomiędzy tymi poziomami doprowadzają do powstania akcji laserowej. Jest to możliwe, gdy niższy z nich leży dostatecznie wysoko nad poziomem podstawowym atomu. Pozwala to znacznie zwiększyć efektywność inwersji obsadzeń bez konieczności ciągłego dostarczania energii do układu [2, 4]. Inwersja obsadzeń nie jest jednak jedynym warunkiem koniecznym do wywołania akcji laserowej. W związku z tym, że w układzie występują straty energii należy doprowadzić do stanu, w którym wzmocnienie promieniowania będzie na tyle duże, aby wszystkie te straty przewyższało [2, 4]. Osiągnięcie tego celu umożliwia umieszczenie ośrodka czynnego lasera w rezonatorze optycznym. Jest to specjalna komora, którą tworzą zazwyczaj dwa zwierciadła umieszczone prostopadle do osi rezonatora [2, 4]. Odbicia promieniowania od zwierciadeł powodują dodatnie sprzężenie zwrotne prowadzące do wzrostu gęstości promieniowania wymuszającego oraz do przedłużenia drogi jego oddziaływania z atomami ośrodka czynnego lasera. Rezonator optyczny umożliwia w ten sposób przekroczenie tak zwanego progu generacji światła laserowego. Próg ten określa ilość energii potrzebnej do wytworzenia przez laser promieniowania [3-5]. W laserach wyróżniamy trzy podstawowe elementy (Ryc. 2): komorę rezonatora optycznego, układ pompujący, czyli źródło wzbudzenia (termiczne, elektryczne, radioaktywne lub chemiczne) oraz ośrodek czynny (gaz, ciecz, ciało stałe lub półprzewodnik) [2]. Wytwarzane przez laser światło w przeciwieństwie do światła zwykłego jest wiązką uporządkowanych i spójnych promieni, którą cechuje duża intensywność [2, 3]. Światło to jest monochromatyczne, a więc szerokość tworzonego przez nie widma jest bardzo mała. Promienie tworzące

3 wiązkę laserową są względem siebie równoległe, rozchodzą się w ściśle określonym kierunku [2]. Rozbieżność wiązki jest niewielka, a średnica tworzonej przez nią plamki ulega praktycznie niewidocznym zmianom wraz ze wzrostem odległości od lasera. Wiązka powstała w laserze jest koherentna, co oznacza, że fale promieniowania są spójne zarówno w czasie jak i przestrzeni [2-4]. Oddziaływanie światła laserowego z tkanką Głównymi czynnikami wpływającymi na efekt jaki promieniowanie laserowe wywołuje w tkance są: właściwości tkanki, parametry wiązki lasera i czas w jakim stosowana jest ekspozycja [1, 4, 5]. Promieniowanie laserowe, którym naświetlana jest tkanka może zostać przez nią pochłonięte, może się od niej odbić lub rozproszyć. Stopień, w jakim te trzy zjawiska wystąpią zależy od rodzaju tkanki. Wpływ na to ma między innymi obecność w tkance związków, takich jak hemoglobina i melanina, które są fotoakceptorami [1]. Duże znaczenie ma także unaczynienie tkanki, jej uwodnienie i struktura powierzchni [1, 2]. Głębokość wnikania światła laserowego w tkankę zależy natomiast od długości fali elektromagnetycznej emitowanej przez laser [1]. Jedną z najbardziej wykorzystywanych w medycynie właściwości światła laserowego jest nagrzewanie tkanek [1, 3, 4]. Wzrost temperatury tkanki oznacza wzrost ruchów drgających jej cząsteczek. Ogrzanie tkanek powoduje wzmożoną proliferację komórek, stymulację syntezy i uwalnianie substancji biologicznie czynnych wykazujących pozytywny wpływ na działanie organizmu [1, 4]. Efekty fotobiologiczne związane z działaniem na tkankę laserów małej mocy, mieszczącej się w przedziale pomiędzy 1 mw a 6 mw prowadzą na skutek podniesienia temperatury do pobudzenia procesów metabolicznych [1, 4, 5]. Na skutek biostymulacji światłem laserowym dochodzi do zwiększenia przepływu krwi, co umożliwia przyspieszenie wymiany elektrolitów pomiędzy komórkami. Naczynia limfatyczne ulegają rozszerzeniu, co ułatwia i przyspiesza przepływ chłonki. Skutkiem biostymulacyjnego działania laserów jest także zwiększenie ilości erytrocytów i stymulacja szpiku kostnego. Zauważalny jest wpływ promieniowania laserowego na układ immunologiczny, polegający na regulacji jego działania [3, 5, 6]. W przypadku konieczności obniżenia aktywności układu, co ma miejsce w chorobach wynikających z autoimmunoagresji dochodzi do immunosupresji objawiającej się głównie spadkiem ilości przeciwciał i zmniejszeniem ilości limfocytów T [3, 7]. W wyniku naświetlania laserami małej mocy dochodzi także do zmian w układzie krzepnięcia. Zmiany te polegają na skróceniu czasu krwawienia, krzepnięcia, a także obniżeniu ilości fibrynogenu, co ma szczególnie pozytywne znaczenie w przebiegu leczenia trudno gojących się ran [8]. Promieniowanie laserowe małej mocy podwyższa zdolności regeneracyjne naświetlonej tkanki, co umożliwia szybsze i łatwiejsze gojenie się ran, oparzeń, owrzodzeń czy złamań. Działanie to ma związek z wpływem światła laserowego na przyspieszenie podziałów komórkowych [1, 8, 9]. W przypadku takich komórek jak keratynocyty, obserwuje się wzmożoną ruchliwość prowadzącą do ich przesunięcia w miejsce uszkodzonej tkanki [1, 3, 4, 5]. Natomiast fibroblasty reagują wzrostem syntezy kolagenu, DNA i poszerzeniem szorstkiej siateczki endoplazmatycznej. Częściej także ulegają one przekształceniu w miofibroblasty, co dodatkowo ma bardzo duże znaczenie przy formowaniu blizny, ponieważ w znaczącym stopniu podnosi jej wytrzymałość mechaniczną [5, 8, 9]. Promieniowanie laserowe małej mocy oddziałuje również na enzymy prowadząc do ich aktywacji, unieczynnienia lub reaktywacji [1, 2, 4, 8-10]. W efekcie biostymulacji normalizuje się także potencjał błony komórkowej, zmianom ulegają jej przewodnictwo elektryczne i przenikalność oraz właściwości adhezyjne. Aktywowaniu ulega także aparat genetyczny, co skutkuje zwiększeniem syntezy DNA, RNA i białek, a także wzrostem produkcji ATP [1, 3, 4]. Laseroterapia nie pozostaje także bez wpływu na stężenie innych substancji biologicznie czynnych organizmu. W jej wyniku dochodzi do zwiększenia stężenia adrenaliny, noradrenaliny, histaminy czy serotoniny [1, 4, 6]. Na skutek obniżenia przewodnictwa we włóknach czuciowych, a także pobudzenia wydzielania β-endorfin i zmian przewodnictwa w synapsach dochodzi do wywołania efektu przeciwbólowego [1, 3, 4]. Działanie przeciwbólowe zaliczane jest do działań wtórnych biostymulacji laserowej. Innym tego rodzaju działaniem jest efekt przeciwzapalny, który umożliwiony jest rozszerzeniem naczyń krwionośnych, ułatwieniem wytworzenia krążenia obocznego, przyspieszeniem wchłaniania obrzęków i wysięków, poprawą mikrokrążenia i stymulacją migracji makrofagów [4, 6]. Efekty biologiczne biostymulacji laserowej pojawiają się w czasie od kilku sekund do kilku godzin po naświetlaniu. Na efekty kliniczne potrzeba nawet kilku dni. W czasie pomiędzy zaabsorbowaniem promieniowania a pierwszymi pozytywnymi jego objawami zachodzi szereg opisanych wcześniej procesów zarówno na poziomie subkomórkowym, komórkowym, jak i tkankowym [1, 3, 4, 5, 8]. Efekty biostymulacyjne prowadzą do miejscowego podniesienia temperatury tkanki o 0,5 do 1 º C. Dalszy wzrost temperatury powoduje efekt fototermiczny [1, 2]. Pierwszym jego stopniem jest fotohipertermia, która ma miejsce przy nagrzewaniu sięgającym od 37 º C do 60 º C. W przedziale temperatur pomiędzy º C dochodzi do uszkodzenia błon komórkowych i częściowej denaturacji enzymów [1, 2, 4]. Jest to jednak proces odwracalny pod warunkiem, że nie przekroczy kilku minut. Temperatura od 60 º C do 80 º C prowadzi do fotokoagulacji. Dochodzi w tym przypadku do trwałej denaturacji białek enzymatycznych i strukturalnych, co jest bezpośrednim efektem zerwania wiązań stabilizujących konformację przestrzenną makromolekuł [1, 3]. W przypadku dalszego naświetlania i osiągnięcia przez tkankę temperatury sięgającej 100 º C dochodzi do nieodwracalnej denaturacji DNA [1]. Denaturacja cieplna przebiega stopnio wo, a różne cząsteczki ulegają jej w różnej temperaturze. Im dłużej tkanka jest naświetlana tym większy jest odsetek denaturowanych struktur [3, 4]. Powyżej 300 º C w naświetlanej tkance dochodzi do fotopirolizy, czyli odparowania wszystkich składników komórki znajdujących się w stanie stałym [1, 2]. W medycynie zastosowanie znajduje fotowaporyzacja tkanek wiązką laserową polegająca na ich cięciu i separacji przestrzennej związanej z szybkim odparowaniem wody [1, 2, 4].

4 Tab. I. Podział laserów uwzględniający rodzaj ośrodka czynnego. Zestawiono wg [1, 2] OŚRODEK PRZYKŁAD LASERA CZYNNY laser rubinowy laser yagowy (YAG) CIAŁO STAŁE laser neodymowo-yagowy (Nd:YAG) laser erbowo-yagowy (Er:YAG) laser aleksandrytowy CIECZ laser barwnikowy laser helowo-neonowy (He-Ne) laser dwutlenkowęglowy (CO 2 ) GAZ laser argonowy laser azotowy laser ekscymerowy Niszczenie tkanki wywołuje także efekt jonizacji cząsteczek na skutek naświetlania ich krótkimi impulsami o dużej gęstości mocy. Tego typu naświetlanie doprowadza do fotoablacji tkanki i powstania fal uderzeniowych w niestabilnej, zjonizowanej plazmie, która charakteryzuje się dużą koncentracją naładowanych cząstek w postaci dodatnich jonów i swobodnych elek tronów posiadających różne energie kinetyczne [1]. W plazmie tej rozchodzą się fale uderzeniowe prowadzące do fotofragmentacji, a przy wyższych gęstościach energii do fotorozerwania tkanek [1, 2, 5]. Zjawisko to ma charakter mikrowybuchu. Na skutek fotojonizacji tkanka jest rozrywana w wyniku działania ciśnieniowych fal uderzeniowych, kawitacji [1, 2, 3]. Z efektem fotojonizacji związany jest efekt fotochemiczny, który polega na rozrywaniu wiązań chemicznych bez towarzyszącego temu zjawisku nagrzewania tkanek [1, 4]. Podział laserów Biorąc pod uwagę między innymi moc promieniowania, modulację pracy, długość fali oraz rodzaj ośrodka czynnego lasery podzielić można na kilka grup. W zależności od mocy generowanego promieniowania, która w decydujący sposób wpływa na efekty, jakie promieniowanie laserowe wywoła w tkankach, lasery dzieli się na urządzenia małej mocy (od 1 mw do 6 mw), średniej mocy (od 7 mw do 500 mw) i dużej mocy (powyżej 500 mw) [2, 3]. Urządzenia laserowe mogą pracować w trybie ciągłym oraz impulsowym. Podczas modulacji ciągłej natężenie i moc wytwarzanej wiązki jest stała w czasie. Praca laserów impulsowych polega natomiast na wytwarzaniu powtarzających się impulsów. Częstotliwość ich wytwarzania może być bardzo różna i waha się w granicach od 1 Hz do Hz [2, 4]. Długość fali emitowanej przez lasery zależy od użytego ośrodka czynnego. Lasery mogą wytwarzać promieniowanie o długości fali poniżej 400 nm (nadfiolet), w zakresie od 400 nm do 780 nm (pasmo widzialne) oraz powyżej 780 nm (podczerwień) [2, 3]. Ośrodki czynne stosowane w laserach mogą mieć także różną postać (Tab. I). W przypadku zastosowania ciała stałego dochodzi do aktywacji atomów znajdujących się w nim domieszek metali. Lasery te pracować mogą w sposób ciągły, natomiast emitowana przez nie wiązka charakteryzuje się małą spójnością [2, 3]. Najczęściej używanymi laserami tego typu są lasery, w którym ośrodek czynny stanowi granat itrowo-aluminiowy domieszkowany neodymem. Od angielskiej nazwy tego minerału określane są one skrótem YAG (yttrium-aluminium garnet), a pompowanie odbywa się w nich za pomocą światła o bardzo dużym natężeniu. Wśród materiałów granat YAG wyróżnia się bardzo dobrymi właściwościami związanymi przede wszystkim z tym, że posiada on niski próg wzbudzenia, co ułatwia zapoczątkowanie akcji laserowej [2, 4]. Równie często używanym laserem jest laser neodymowy, w którym ośrodek czynny stanowi pręt szklany z domieszką trójtlenku neodymu. Laser ten pracuje emitując impulsy o długości fali 1060 nm, czyli znajdujące się w widmie podczerwieni. Pręty ze szkła neodymowego mają długość od kilku do kilkunastu mm, a do wywołania w nich inwersji obsadzeń używa się lamp błyskowych [2]. Spośród laserów neodymowych najczęściej używany jest laser neodymowo-yagowy (Nd:YAG), w którym jony neodymu wbudowane są w granat itrowo-aluminiowy [3]. Ośrodkiem czynnym mogą być również ciekłe związki organiczne lub nieorganiczne, które mają charakter specyficznych kompleksów. Jest tak w przypadku laserów chelatowych czy barwnikowych. Pompowanie w tych laserach następuje w wyniku wzbudzenia optycznego lub wywołania reakcji chemicznych [2, 5]. Laser barwnikowy to laser, w którym ośrodek czynny stanowi roztwór barwnika pozostający w stanie ciekłym. Możliwość zastosowania jako ośrodka czynnego różnego rodzaju barwników daje możliwość wytwarzania przez lasery barwnikowe różnych długości fali. Najpopularniejszymi barwnikami stosowanymi w laserach są fluoresceina, rodamina G6 i rodamina B [2, 4]. Ośrodkiem czynnym lasera może być także dioda, czyli złącze półprzewodnikowe. Najczęściej zbudowane jest ono z arsenku galu. Pompowanie optyczne zachodzi w wyniku przepływu prądu przez półprzewodnik [2]. Półprzewodniki są ciałami stałymi, których przewodnictwo elektryczne jest znacznie mniejsze niż przewodnictwo metali, ale znacznie większe niż przewodnictwo dielektryków. Wśród najczęściej używanych półprzewodników wymienić należy kryształy germanu, krzemu, galu, indu, antracenu czy piranu [2, 3, 5]. Ośrodek czynny w laserach stanowić mogą także atomy helu, neonu, jony gazów szlachetnych: argonu, ksenonu czy kryptonu oraz dwutlenek węgla. Zastosowanie znajdują także pary metali w gazie szlachetnym. Do pompowania w powyższych laserach gazowych dochodzi na drodze wyładowań elektrycznych [2, 3, 5]. W medycynie spośród laserów gazowych najczęściej stosowany jest laser CO 2. Może on pracować zarówno w trybie ciągłym, jak i impulsowym. Bardzo znamienny jest fakt, że laser ten charakteryzuje się największą sprawnością energetyczną i najwyższą mocą ze wszystkich urządzeń laserowych. Ośrodek czynny stanowi w nim mieszanka gazów CO 2, neonu i helu w proporcjach 1:1,3:7,7 [2]. Zaznaczyć jednak należy, że w tym przypadku to dwutlenek węgla jest gazem aktywnym [2, 3]. Kolejnym bardzo często stosowanym laserem gazowym jest laser helowo-neonowy (He-Ne). W tego rodzaju laserach ośrodek aktywny stanowi neon znajdujący się wraz z helem w pro-

5 porcji 1:10 w szklanej rurze, w której znajdują się także elektrody [2]. Pompowanie zachodzi na skutek emisji przez katodę elektronów, których ruch do anody przyspieszany jest na skutek różnicy potencjałów panującej pomiędzy dwoma elektrodami. W konsekwencji dochodzi do wielokrotnych zderzeń elektronów z atomami ośrodka czynnego, co powoduje ich wzbudzenie do wyższych stanów energetycznych [2, 3, 5]. Zastosowanie laserów w medycynie i farmacji Skonstruowanie przez Maimana w 1960 roku pierwszego lasera, a następnie wykorzystanie przez Goldmana lasera rubinowego w leczeniu zmian naczyniakowatych zapoczątkowało rozwój laseroterapii [1]. Od tego momentu coraz powszechniej wykorzystuje się laser w różnych dziedzinach medycyny: chirurgii, dermatologii, okulistyce, stomatologii oraz w diagnostyce i terapii fotodynamicznej. Zastosowanie laserów w medycynie znacznie ułatwiło pracę lekarzy, zmniejszyło występowanie efektów niepożądanych, jak również skróciło czas powrotu pacjenta do zdrowia [1, 11]. W chirurgii podczas zabiegów i operacji do cięcia tkanek stosowany jest laser CO 2 i Nd:YAG, natomiast do koagulacji Nd:YAG i argonowy. Cięcie tkanek za pomocą laserów minimalizuje utratę krwi [1]. Ma to związek z tym, że podczas jego wykonywania w przeciwieństwie do tradycyjnych metod chirurgicznych dochodzi do niewielkiego otwarcia naczyń krwionośnych [1, 11]. Przy odpowiednim doborze lasera możliwe jest także bardzo precyzyjne cięcie tkanki, przy jednoczesnym ograniczeniu głębokości penetracji wiązki laserowej, co zmniejsza ryzyko uszkodzenia tkanek otaczających. Przewaga lasera nad tradycyjnymi metodami polega także na zapewnieniu idealnej widoczności pola zabiegowego [3, 5, 11]. Lasery bardzo często wykorzystywane są przy zabiegach, podczas których szczególnie ważne jest ograniczenie do minimum wycinanych tkanek. Ma to miejsce na przykład podczas zabiegów i operacji urologicznych, takich jak usuwanie guzów czy wszelkiego rodzaju ingerencje chirurgiczne nerki [1]. Ze względu na precyzję oraz ograniczenie pola krwawienia lasery stosowane są do koagulacji nowotworów neurologicznych: glejaków, oponiaków, nerwiaków. Stosuje się je również w przypadku, gdy guzy te są już przerzutami [1, 4]. Cięcie wiązką laserową wykorzystywane jest także w pneumologii. Metodą tą wykonuje się rekanalizację dróg oddechowych, usuwa ciała obce, koaguluje źródła krwawienia z układu oddechowego [1, 4]. W laryngologii laserowo usuwa się polipy, wykonuje się redukcję przerostu małżowiny usznej, czy zrostów błony śluzowej. W przypadku zabiegów w obrębie górnych dróg oddechowych szczególne znaczenie ma ograniczenie wielkości urazu oraz szybkość wykonania cięcia i zakończenia ingerencji chirurgicznej. Konieczna jest natychmiastowa hemostaza w obrębie naczyń krwionośnych i limfatycznych oraz utrzymanie jałowości rany [1]. Koagulacja i cięcie laserowe umożliwia endoskopowe zamknięcie krwawiących tkanek układu pokarmowego, jakie występują na przykład przy chorobie wrzodowej żołądka, dwunastnicy czy żylakach przełyku. Podobnie jest w ginekologii. Lasery tnące i koagulujące wykorzystywane są przy laparoskopii ginekologicznej w celu zniwelowania zrostów i innych przyczyn niedrożności jajowodów i macicy, często powodujących niepłodność [1, 4]. Zastosowanie laserów w dermatologii jest bardzo rozległe [11-16]. Przy ich pomocy przeprowadza się odmładzanie skóry LSR (z ang. laser skin resurfacing) oraz leczy blizny potrądzikowe [12]. Efektu tego dokonuje się przez spowodowanie mikrouszkodzeń cieplnych, unikając opóźnionego gojenia i bliznowacenia powstałych ran. W celu odmłodzenia skóry wykorzystuje się pracujący pulsacyjnie laser CO 2 oraz laser erbowo-yagowy (Er:YAG) emitujący wiązkę o długości fali wynoszącej 2940 nm. Bardzo często też stosuje się ich kombinację. W tym przypadku laser Er:YAG wykorzystywany jest do likwidacji uszkodzeń powstałych po wcześniejszym naświetlaniu laserem CO 2 [12]. Za pomocą laserów można także usuwać tatuaż [12]. W tym celu wykorzystuje się głównie lasery CO 2 i Nd:YAG wysyłające krótkie impulsy o bardzo dużej mocy. Pomimo tego, że lasery są w tym przypadku najbardziej zalecaną metodą należy zaznaczyć, że usunięcie barwnika ze skóry może nie być całkowicie możliwe [12-14]. Dermatologiczne zastosowanie laserów to także usuwanie włókniaków miękkich [12] i redukcja rhinophyma najbardziej zaawansowanego stadium trądziku różowatego [15]. Najczęściej jednak lasery w dermatologii stosowane są do usuwania zmian barwnikowych, naczyniowych, blizn, a nawet bliznowców [12, 16]. Zmiany barwnikowe, w których wykorzystuje się laseroterapię to przede wszystkim plamy soczewicowate, plamy typu cafe au lait, piegi i znamiona. W związku z tym, że melanina charakteryzuje się szerokim spektrum pochłaniania światła do przeprowadzenia zabiegu może być użyty prawie każdy rodzaj lasera. Należy zaznaczyć jednak, że w przypadku tak silnie działających urządzeń jak na przykład laser CO 2 powodzenie zabiegu zależy od wprawy przeprowadzającego [12]. Zmiany naczyniowe natomiast, takie jak rozszerzone naczynia krwionośne czy naczyniaki leczone są przy pomocy lasera Nd:YAG, lasera diodowego oraz pulsacyjnego lasera barwnikowego [16]. W okulistyce natomiast zastosowanie znalazły lasery ekscymerowe, argonowe, kryptonowe, Er:YAG oraz półprzewodnikowe [1]. Dzięki nim można dokonać punktowej koagulacji, nacięcia czy fotoablacji tkanki poddanej naświetlaniu. Okulistycznych jednostek chorobowych leczonych przy użyciu lasera jest wiele. Wśród najczęściej występujących wymienić należy cysty i zrosty, jaskrę, zaćmę, odwarstwienie siatkówki, retinopatię cukrzycową, a także różnego rodzaju schorzenia naczyniowe [1, 17]. Zastosowanie laserów w okulistyce sprowadza się do koagulacji, nacinania oraz fotoablacji. Laser umożliwia doprowadzenie promieniowania do gałki ocznej, zogniskowanie go na siatkówce oraz innych miejscach wewnątrz oka bez ingerencji chirurgicznej [1, 17]. Lasery używane są również przy zabiegach z zakresu chirurgii refrakcyjnej oka, której głównym celem jest doprowadzenie do uzyskania prawidłowego stosunku pomiędzy długością gałki ocznej, a mocą jej ośrodków optycznych [1, 17]. Możliwe jest to poprzez zmodyfikowanie zewnętrznej osłonki gałki oraz tkanki wewnątrzgałkowej. Jeśli każdy z pozostałych elementów funkcjonalnych oka działa popraw-

6 nie bezpośrednim efektem po zabiegu jest znaczna poprawa widzenia przez pacjenta [17]. Na początku rozwoju chirurgii refrakcyjnej oka do zabiegów używano głównie laser CO 2. Jednak w związku z efektami niepożądanymi zrezygnowano z nich i obecnie stosuje się pracujące impulsowo lasery ekscymerowe emitujące wiązkę o długości fali 193 nm. Impulsy z jakimi wiązka jest emitowana trwają od 10 ns do 20 ns. Promieniowanie tych laserów wnika do rogówki na głębokość 1μm doprowadzając do fotoablacji tkanki. W celu dodatkowego zwiększenia precyzji do laserów stosowanych w tego rodzaju zabiegach wbudowuje się system umożliwiający śledzenie mimowolnych ruchów gałki ocznej, które nie ulegają zniwelowaniu nawet po zastosowaniu znieczulenia miejscowego [1]. Bardzo szerokie zastosowanie lasery znalazły także w stomatologii. Najczęściej używa się laserów małej i średniej mocy wykazujących działanie przeciwbólowe i przeciwzapalne. W stomatologii do cięcia, odparowywania i koagulacji tkanek stosuje się także lasery dużej mocy. Najczęściej używane są lasery CO 2, Nd:YAG i Er:YAG [1, 18]. Laser CO 2 stosuje się w chirurgii jamy ustnej. Używa się go do cięcia tkanek miękkich, ale także do nadtapiania powierzchniowych warstw szkliwa. Ze względu na znaczne ograniczenie krwawienia podczas zabiegu, użycie lasera CO 2 szczególnie korzystne jest w przypadku pacjentów z zaburzeniami krzepnięcia, a także gdy rozległość wykonywanego zabiegu jest duża. Stomatologiczny laser Nd:YAG emitujący wiązkę fali o długości 1064 nm posiada bardzo elastyczny i giętki światłowód, który pozwala na dotarcie światła laserowego do każdego miejsca w jamie ustnej [1, 18]. W związku z powyższym wykorzystywany jest do sterylizacji podczas leczenia kanałowego. Wynikiem tego jest ograniczenie do minimum ryzyka infekcji. Laser Nd:YAG bardzo często używany jest również w leczeniu nadwrażliwości zębów, a także w celu przygotowania ubytku do wypełnienia [1, 18]. Laser Er:YAG emituje falę o długości 2940 nm, która jest najsilniej absorbowana przez twardą tkankę zęba. Laser ten emituje impulsy o częstotliwości od 1 Hz do 10 Hz i doprowadza do powstania w tkance mikrowybuchów, które powodują jej zniszczenie [1, 2, 18]. Główną korzyścią, jaka wynika z zastosowania laserów w stomatologii jest ograniczenie krwawienia podczas zabiegów, co jednocześnie minimalizuje ból i dyskomfort towarzyszący interwencjom stomatologicznym, a także umożliwia znaczne zwiększenie pola widzenia stomatologa. Charakterystyczne jest też to, że uszkodzenia tkanek wytworzone przez lasery podczas tego rodzaju zabiegów goją się bardzo szybko i nie ulegają bliznowaceniu [1]. Biostymulacja w stomatologii wykorzystywana jest głównie w leczeniu chorób błony śluzowej, szczękościsku, znieczuleniu. Zmniejszenie stanów zapalnych w takich chorobach jak ropnie, obrzęki, opryszczka wargowa czy zapalenie miazgi uzyskuje się poprzez naświetlanie laserami małej mocy. W ten sam sposób uzyskuje się również przyspieszenie gojenia ran po ekstrakcji zęba [18]. Należy zaznaczyć, iż laseroterapia może stosowana być jako podstawowa forma leczenia lub jako leczenie uzupełniające. Można ją również łączyć z farmakoterapią. W tym ostatnim przypadku biostymulujące działanie lasera spotęgować może korzystny efekt, jaki spowoduje zażycie leków [2]. Ważnym zastosowaniem laserów, z którym obecnie wiąże się duże nadzieje jest również terapia fotodynamiczna PDT (z ang. photodynamic therapy) [1, 19-31]. Jest to metoda wybiórczego niszczenia komórek nowotworowych w wyniku cytotoksycznego działania reaktywnych form tlenu, powstających w komórkach pod wpływem działania promieniowania laserowego na fotouczulacz (fotosensybilizator) [1, 20, 22]. W PDT wykorzystywana jest zdolność związków fotouczulających do selektywnej kumulacji w tkankach chorobowo zmienionych. W związku z tym, że fotosensybilizatory zmieniają swoje właściwości pod wpływem naświetlania tylko konkretną długością fali elektromagnetycznej, dla każdego fotouczulacza dobiera się odpowiednie źródło światła emitujące wiązkę, która będzie w jak największym stopniu przez niego absorbowana [1, 20-23]. Do najczęściej stosowanych fotouczulaczy należą pochodne porfiryn takie jak Photofrin II, kwas 5-aminolewulinowy (ALA), a także chloriny i ftalocyjaniny [1, 20]. Energia naświetlania powoduje jedynie wzbudzenie związku światłoczułego, nie niszcząc jednocześnie tkanki, na którą działa [1, 20]. Rodzaj mechanizmu reakcji fotodynamicznej jest zależny od stężenia tlenu w tkance poddanej naświetlaniu [1]. Wyróżnić można dwa mechanizmy, jednak dla każdego z nich punktem wyjścia jest wzbudzony stan fotouczulacza. W obu przypadkach końcowym efektem jest powstanie wysokoreaktywnych form tlenowych [1, 20, 21]. Kiedy poziom tlenu w tkance jest niski dochodzi do przekazania wodoru lub elektronu pomiędzy zaktywowaną cząsteczką fotosensybilizatora a chorą tkanką. Prowadzi to do powstania w tkance reakcji fotochemicznej, której efektem jest powstanie rodników nadtlenkowych. Rodniki te inicjują łańcuchową reakcję wolnorodnikową doprowadzając tym samym do utlenienia i następującego później zniszczenia tkanki. Szczególną rolę odgrywają tutaj reaktywne związki takie jak nadtlenek wodoru czy rodnik hydroksylowy [21]. Jeżeli natomiast stężenie tlenu w tkance jest wysokie dochodzi do przekazania energii bezpośrednio ze wzbudzonego fotosensybilizatora do cząsteczki tlenu. W ten sposób dochodzi do powstania wysokoreaktywnego tlenu singletowego [1, 21]. W kolejnym etapie dochodzi do zapoczątkowania ciągu reakcji, które są charakterystyczne także dla opisanego wcześniej mechanizmu reakcji fotodynamicznej zachodzącej w przypadku niskiej zawartości tlenu w tkance [1, 20, 21]. W terapii fotodynamicznej szczególnie ważne jest to, że wzbudzony fotosensybilizator po oddaniu nadmiaru energii wraca do stanu podstawowego, dzięki czemu zdolny jest do rozpoczęcia całego procesu reakcji fotochemicznej od nowa [19]. Może on kolejny raz zaabsorbować energię, a oddając ją doprowadzić do powstania nowych reaktywnych form tlenowych. W konsekwencji wystąpienia szeregu reakcji w procesie PDT dochodzi do utlenienia biomolekuł, które tracą swe właściwości fizjologiczne. Bezpośrednim następstwem tych zjawisk są zaburzenia działania komórek poddanych naświetlaniu, prowadzące do ich zniszczenia [1, 19]. W związku z tym, że obecnie stosowane fotouczulacze maksimum absorpcji fal elektromagnetycznych posiadają

7 w przedziale nm, terapia fotodynamiczna najbardziej skuteczna jest w przypadku guzów nowotworowych o wymiarach do kilku centymetrów [1, 24-27]. Ograniczenie to ma to związek z tym, że fale o takiej długości mogą wnikać w tkankę tylko na taką głębokość [1]. Zastosowanie terapii fotodynamicznej jest bardzo szerokie [1, 19]. Wykorzystywana jest ona w leczeniu nowotworów szyi, głowy, przełyku, układu oddechowego, żołądka czy pęcherza moczowego [1, 24-27]. Z bardzo dobrymi efektami terapię fotodynamiczną stosuje się w przypadku zmian nowotworowych skóry (rak podstawnokomórkowy, płaskonabłonkowy i kolczystokomórkowy), a także w następujących schorzeniach: brodawki zwykłe, brodawki płaskie czy brodawki stóp [1, 12, 28]. Bardzo obiecujące efekty daje też zastosowanie PDT w leczeniu czerniaka, który charakteryzuje się szybkim wzrostem i wykazuje bardzo niewielką podatność na inne leczenie. Za pomocą terapii fotodynamicznej doprowadza się do dezintegracji struktur wewnątrzkomórkowych. Badania in vivo wykazały, iż po podaniu fotouczulacza i naświetlaniu laserem dochodzi do uszkodzenia DNA czerniaka i zniszczenia jego komórek na drodze apoptozy [29]. Bardzo dobre rezultaty daje też zastosowanie PDT w leczeniu łuszczycy, czy przewlekłego tocznia rumieniowego [30]. Jednak w przypadku chorób autoimmunologicznych badania wykazały, że terapia fotodynamiczna nie może być jedynym sposobem leczeniem, gdyż poprawia ona tylko stan pacjenta, nie powodując całkowitego wyleczenia [1, 30]. Właściwości związków fotouczulających poza terapią fotodynamiczną stosowaną głównie w leczeniu nowotworów, wykorzystuje się także w diagnostyce fotodynamicznej PDD (ang. photodynamic diagnosis) [1, 31]. Metoda ta umożliwia określenie rozmiaru oraz stopnia zaawansowania zmian chorobowych. Podobnie jak w przypadku terapii fotodynamicznej w PDD wykorzystywane jest zjawisko kumulowania się fotosensybilizatora w tkance patologicznie zmienionej. Jednak podstawą tego rodzaju diagnostyki jest zdolność świecenia fotouczulacza wystawionego na działanie promieniowania o odpowiedniej długości fali [25, 31]. Biorąc pod uwagę właściwości promieniowania laserowego oraz ich wpływ na organizm człowieka, lasery są niewątpliwie bardzo ważnym i szeroko wykorzystywanym źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Nieustanny rozwój techniki laserowej w ciągu ostatnich 50 lat spowodował, iż lasery znalazły zastosowanie w medycynie i farmacji. Obecnie prowadzi się badania nad nowymi możliwościami laseroterapii oraz dobiera parametry pracy lasera w taki sposób, aby spektrum jego zastosowania było coraz szersze. Piśmiennictwo Podbielska H, Sieroń A, Stręk W. Diagnostyka i terapia fotodynamiczna. Urban & Partner. Wrocław Ziętek B. Lasery. Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika. Toruń Straburzyńska-Lupa A, Straburzyński G. Fizjoterapia. Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa Peng Q i wsp. Lasers in medicine. Rep Prog Phys 2008; 71: Taradaj J, Sieroń A, Jarzębski M. Fizykoterapia w praktyce. Elamed. Katowice Stadler I i wsp. In vitro effects of low-level laser irradiation at 660 nm on peripheral blood lymphocytes. Lasers Surg Med 2000; 27: Pyszora A, Adamczyk A. Zastosowanie niskoenergetycznego promieniowania laserowego w leczeniu bólu. Pol Med Paliat 2005; 4(3): Gao X, Xing D. Molecular mechanisms of cell proliferation induced by low power laser irradiation. J Biomed Sci 2009; 16(1): Moore P i wsp. Effect of wavelength on low-intensity laser irradiation-stimulated cell proliferation in vitro. Lasers Surg Med 2005; 36(1): Murakami S i wsp. Effect of laser irradiation on enzyme activity. Jpn J Appl Phys 2005; 44: Goldberg D. Legal issues in laser operation. Clin Dermatol 2006; 24: Lanigan SW. Lasery w dermatologii. Czelej. Lublin Bernstein EF. Laser treatment of tattoos. Clin Dermatol 2006; 24: Kontoes P i wsp. Hair induction after laser-assisted hair removal and its treatment. J Am Acad Dermatol 2006; 54(1): Kiedrowicz M i wsp. Zastosowanie laseroterapii w leczeniu rhinophyma. Dermatol Klin 2009; 11(3): Siewiera IP, Wysocki MS, Łątkowski IT. Zastosowanie laserów w chirurgii plastycznej lasery naczyniowe. Wiad Lek 2007; 60(3 4): Grabska-Liberek I. Red. Chirurgia refrakcyjna. Elsevier Urban & Partner. Wrocław Gaczek A. Laser Erbowy Er:YAG w zastosowaniach stomatologicznych. Wady i zalety oraz warunki stosowania. Nowa Stomatol 2000; 1-2: MacCormack MA. Photodynamic therapy in dermatology: an update on applications and outcomes. Semin Cutan Med Surg 2008; 27(1): Kübler AC. Photodynamic therapy. Med Laser Appl 2005; 20: Nowis D i wsp. Direct tumor damage mechanisms of photodynamic therapy. Acta Biochim Pol 2005; 52(2): Mang TS. Dosimetric concepts for PDT. Photodiagnosis Photodyn Ther 2008; 5(3): Sieroń A. Fotodynamiczna diagnostyka i terapia nowotworów jako struktur dysypatywnych. Alma Mater Mies Uniw Jegiell 2009; : Gerber-Leszczyszyn H, Ziółkowski P. Terapia fotodynamiczna nowotworów głowy i szyi. Dent Med Probl 2003; 40(2): Peszyński-Drews C, Wojtczak M, Rykała J. Fotodynamiczna diagnostyka i terapia pierwotnych powierzchniowych nowotworów skóry - doświadczenia własne. Dermatol Estet 2008; 5 (58): Rykała J i wsp. Pierwotne nowotwory skóry - wyniki terapii fotodynamicznej. Post Dermatol Alergol 2009; 26(4):

8 27. Sieroń A i wsp. Application of photodynamic therapy in the treatment of premalignant and malignant changes of head and neck. Wiad Lek 2008; 61(10-12): Polak-Pacholczyk I i wsp. Metoda fotodynamiczna (ALA-PDT) w leczeniu brodawek zwykłych, płaskich i stóp. Post Dermatol Alergol 2008; 25(4): Wawrzuta A i wsp. Czy terapia fotodynamiczna może być zastosowana do leczenia czerniaka? Przegl Dermatol 2009; 96: Fernandez-Guarino M i wsp. Toczeń rumieniowaty przewlekły: dobra reakcja na zastosowanie terapii fotodynamicznej. Dermatologica 2008; 7: Peszyński-Drews C i wsp. Lasery i laseroterapia od A do Z: F - fotodynamiczna metoda w rozpoznaniu i leczeniu pierwotnych powierzchniowych nowotworów skóry. Dermatol Estet 2008; 2 (55): data otrzymania pracy: r. data akceptacji do druku: r. Adres do korespondencji: dr n. med. Magdalena Zdybel Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach Katedra i Zakład Biofizyki, ul. Jedności 8, Sosnowiec tel.: , mzdybel@sum.edu.pl