Popularne współczesne źródła światła dla medycyny 1. Lampy termiczne na ogół emitują szerokie widma i wymagają stosowania filtrów spektralnych 2. Diody luminescencyjne(ledy) Light Emitting Diodes) - małe - wąskie widmo optyczne - dostępne dla wielu różnych dł. fali - bardzo tanie 3. Lasery półprzewodnikowe (diodowe) tańsze od laserów gazowych i na ciele stałym na ogół za słabe do chirurgii doskonałe do PDD/PDT Widma lasera i LED: Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 1/18
Aktywacja chromoforu przez światło: diagramy Jabłońskiego S 2 S 1 τ 10 10 10 8 s T 2 T 1 intersystem crossing τ 10 6 10 3 s światło IR ciepło ablacja, koagulacja, odparowanie, S 0 selektywne reakcje fotochemiczne z otoczeniem Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 2/18
Fluorescencja vs fosforescencja czasy życia: ns µs - ms S 2 S 1 T 1 S 0 S 0 S 0 Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 3/18
Fotomedycyna 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. terapia łuszczycy (fotodermatologia) Łuszczyca = niekontrolowany podział komórek epidermy Od dawna znana terapia: UV + smoła Od 1974 stosowane uczulanie przez 8-methoxypsoralen i naświetlanie lampami emitującymi bliski UV Mechanizm absorpcja nieb. światła powoduje przegrupowanie (rozrywanie) wiązań wodorowych w cząsteczkach bilirubiny dzięki czemu stają się one wystarczająco polarne by być usunięte przez wątrobę. 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 4/18
Diagnostyka Fotodynamiczna (PDD) 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 Egzogenny uczulacz kwas 5-Aminolewulinowy (5 ALA), stymuluje lokalną produkcję endogennego chromoforu - protoporfiryny pp IX Endoskopowe obrazy wnętrza pęcherza pacjenta potraktowanego 5-ALA po prawej endoskopowy obraz wnętrza pęcherza w świetle białym po lewej ten sam fragment po oświetleniu światłem niebieskim (405 nm). Widoczna wyraźna czerwona fluorescencja tkanek nowotworowych. ENAC-LPAS, Photomedicine Group, Dr Georges Wagnières S Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 0 5/18 S 2 S 1
Przykład: popularny fotouczulacz: 5-ALA (kwas 5- Aminolewulinowy ) [6 godz. po aplik. 20% kremu ALA, U. Gustafsson et al.] Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 6/18
Biopsja laserowa Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 7/18
Przykład diagnostyki fluorescencji HPD Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 8/18
Terapia Fotodynamiczna (PDT) Wzbudzenie HPD przez czerwone światło reakcja fotodynamiczna: transfer energii do stanów T 1 HDP, bliskich do wzbudzonych stanów tlenu O 2 (aktywny tlen singletowy) - lokalne utlenienie neoplazmatycznej tkanki - terapia nowotworowa z małymi ef. ubocznymi S 1 przed podczas T 1 S 0 6 mies. po terapii Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 9/18
Przykłady terapii fotodynamicznej nowotwór szczura przed i po terapii PDT (HPD + światło lasera) tumor 2.5 x 2.5 x 2.5 cm 4 dni po drugim zabiegu z HPD i naświetlaniu (1 h, 15 mw/cm 2, 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 10/18
Problem aplikacji światła dla laserów łatwe: - oświetlanie zewnętrzne - zastosowanie światłowodów możliwa aplikacja promieniowania lasera w głąb tkanki, dzięki światłowodom i igłom iniekcyjnym Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 11/18
dla diod LED: - utrudnione stosowanie światłowodów - możliwe oświetlenie zewnętrzne oświetlacze matrycowe Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 12/18
Kryteria selekcji źródła światła dla selektywnego działania fotomed. : Widmo światła a) odpowiednia długość fali dopasowana do danego chromoforu np. pasma Soreta protoporfiryny Pp IX 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 Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 13/18
b) odpowiednia czystość spektralna (monochromatyczność) Modelowanie efektywnego oświetlenia przez różne źródła (z szerokim widmem ciągła linia i z wąskim widmem linia przerywana) Widmo transmisji skóry (szczura) 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 14/18
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 15/18
Jakie źródło światła? Choice of λ Mono- chromatic Light power Fiber delivery User friendly Price Lamps +/ +/ + + Diode Lasers +++ ++ +++ + LEDs +++ ++ +/ +/ ++ +++ Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 4 16/18