CC BY
210
114 НОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ РАКА
УДК 615.471:616-073.524:615.831
K. G. Linkov1, A. N. Berezin2, V B. Loschenov1
FLUORESCENT DIAGNOSTICS AND PHOTODYNAMIC THERAPY DEVICES
1 General Physics Institute, Moscow 2 Moscow Institute of Radio Engineering, Electronics and Automation
ABSTRACT
The technical characteristics and functional abilities review of devices for fluorescent diagnostics (FD) and photodynamic therapy (PDT) are presented in this work. The most effective applications for different devices are given.
Key words: PDT, FD, devices for FD and PDT.
К. Г. Линьков1, А. Н. Березин2, В. Б. Лощеное1
АППАРАТУРА ДЛЯ ФЛЮОРЕСЦЕНТНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ
1 Центр естественнонаучных исследований, Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Москва
2 Московский институт радиотехники, электроники и автоматики
РЕЗЮМЕ
В статье обсуждаются технические характеристики и функциональные возможности аппаратуры для фото-динамической терапии и флюоресцентной диагностики новообразований, рассматриваются пути ее наиболее эффективного применения.
Ключевые слова: фотодинамическая терапия, флюоресцентная диагностика, аппаратура.
ВВЕДЕНИЕ
Методы фотодинамической терапии (ФДТ) и флюоресцентной диагностики (ФД) находят широкое применение в онкологии. Суть ФДТ заключается в сенсибилизации пораженных участков препаратом — фотосенсибилизатором и облучении их излучением определенного диапазона длин волн. ФС обладает способностью к избирательному накоплению в активно пролиферирующих клетках. Облучение ткани приводит к возбуждению ФС, который передает энергию возбуждения присутствующему в тканях молекулярному кислороду, переводя его в химически активное состояние. Благодаря этому инициируются фотохимические реакции, в результате которых происходит фотодеструкция биомолекул, приводящая к необратимой потере жизненных функций клетки.
ФД основана на обнаружении участков с повышенной интенсивностью флюоресценции, вызванной повышенной концентрацией в них эндогенных флюо-рохромов либо молекул избирательно накапливающегося ФС.
Для успешного проведения ФД или ФДТ необходимо иметь источник света, излучающий на длине волны поглощения ФС и позволяющий точно контролировать мощность и дозу облучения. Важную роль для обеспечения высокой эффективности ФДТ играет также контроль уровня накопления фотосенсибилизатора в опухоли.
Данная статья посвящена анализу возможностей существующей аппаратуры для проведения ФДТ и ФД с целью оптимального ее выбора для решения конкретных задач.
ФДТ и ФД требуют использования довольно сложной лазерной медицинской аппаратуры с применением персональных компьютеров. В клиниках Москвы уже более 10 лет успешно используется аппаратурный комплекс, включающий (рис. 1):
— установку лазерную электронно-спектральную для флюоресцентной диагностики опухолей и контроля фотодинамической терапии ЛЭСА-01-Биоспек;
— установку лазерную для фотодинамической терапии ЛФТ-630/675-01-Биоспек;
— устройство светодиодное видеофлюоресцент-ное для диагностики и фотодинамической терапии опухолей и участков метастазирования УФФ-630/675-01-Биоспек.
Рис. 1. Оборудование для диагностики и терапии: 1 — гелий-неоновый лазер; 2 — блок питании гелий-неонового лазера; 3 — монитор; 4 — системный блок; 5 — блок питания УФФ-630/675-01-Биоспек; 6 — УФФ-630/675-01-Биоспек; 7 — видеосистема; 8 — ЛФТ-675-01-Биоспек
Рис. 2. Cхeмa и принцип действия установки ЛЭCA-01-Биocпeк
АППАРАТУРА ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ СВОЙСТВ СЕНСИБИЛИЗИРОВАННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
Лазерная электронно-спектральная установка ЛЭСА-01-Биоспек позволяет определить степень накопления сенсибилизатора в различных тканях in vivo и контролировать параметры ФДТ во время самой процедуры. Установка состоит из миниатюрного спектрометра, лазера с фильтрами и системой ввода в оптическое волокно в качестве источника света для возбуждения флюоресценции и Y-образного волоконно-оптического диагностического зонда (рис. 2). Зонд включает в себя приемные и облучающие волокна, конструктивно объединены в дистальной части так, что его диаметр вместе с защитной рубашкой не превышает 1,8 мм. Благодаря этому дистальный конец зонда может быть введен в биопсийный канал эндоскопа для диагностики внутренних органов или в пункционную иглу для проведения измерений внутри ткани [3, 5].
Использование компьютерной программы, обрабатывающей сигнал со спектрометра, позволяет в реальном масштабе времени определять степень накопления фотосенсибилизатора в исследуемой ткани, наблюдать спектры, измерять их параметры, а также сохранять в памяти компьютера выбранные спектры и производить вычисления площадей под спектральными кривыми, их отношения, определять другие параметры спектров.
Существует модификация системы ЛЭСА-01-ОКСИ для измерения степени оксигенации крови в микроциркулярном русле. Прибор позволяет контро-
лировать важный для успешного проведения ФДТ параметр — степень насыщения крови кислородом. Модификация ЛЭСА-01-УЛ предназначена для лабораторных исследований поглощающих и флюоресцентных образцов (в т. ч. и жидких).
Эта установка использовалась, например, в клинике ММА им. И. М. Сеченова при исследованиях накопления фотосенсибилизатора в печени пациентов. Пациентка С. (возраст 74 года) проходила сеанс ФДТ по поводу метастаза в печени диаметром 4 см. Фотосенс был введен в дозе 0,8 мг/кг, перед проведением ФДТ контролировалось накопление фотосенсибилизатора. Полученные результаты приведены на рис. 3. Проводилось также спектроскопическое исследование взятых биопсийных образцов (с предварительным введением пациенту Фотосенса в дозе 0,1 мг/кг).
Пациентка К. (возраст 67 лет) проходила лечение по поводу рака прямой кишки IV стадии с метастазами в печень. Были проведено 2 сеанса ФДТ. Результаты флюоресцентной диагностики до и после ФДТ приведены на рис. 4 и 5. Установка показала высокую селективность при флюоресцентной диагностике различных заболеваний. По высоте графиков можно судить о степени накопления ФС в различных участках ткани.
ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФДТ И СРЕДСТВА ДОСТАВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ К ТКАНЯМ
Лазерные медицинские установки серии ЛФТ предназначаются для проведения ФДТ. Они представляет собой источники лазерного излучения с длиной волны, соответствующей применяемому фотосенсибилизатору, и выходной мощностью до 2 Вт. Для прове-
Рис. 4. Результаты ФД до ФДТ. Пациент К.: hand — флюоресценция кожи руки; 1, 2 — флюоресценция опухоли; 3-5 — флюоресценция на границе опухоли и здоровой ткани
Рис. 3. Результаты ФД. Пациент С.: lip — флюоресценция слизистой; 1 — флюоресценция кожи руки; 2 — флюоресценция на границе метастаза и здоровой ткани; 3 — флюоресценция метастаза
дения ФДT с препаратом Фотосенс используется установка ЛФT-675-01-Биocпeк с длиной волны излучения 675 нм. Для проведения ФДT с препаратами Фотогем, Photofrin, Photosan Aлaceнc, ALA используется установка ЛФT-630-01-Биocпeк с длиной волны излучения 630 нм; для проведения ФДT с препаратами на основе хлоринов — установка с длиной волны излучения 660 нм. Источником света в этих установках служат лазерные диоды, поэтому они обладают высокой надежностью и большим ресурсом работы. Управление режимами работы прибора обеспечивает микропроцессор, позволяющий задавать требуемую выходную мощность, время облучения [3]. Установки позволяют оперативно и в больших пределах менять выходную мощность, вычислять дозу облучения, что важно при проведении терапии.
Cвeт передается к облучаемой ткани через волоконный катетер. Изданы катетеры с торцевым и линзовым рассеивателем для облучения поверхностных опухолей, прямым и угловым рассеивателем для облучения внутриполостных и поверхностных опухолей, специальный катетер под иглу для внутритканевого применения, катетеры с цилиндрическими рассеивате-
Рис. 5. Результаты ФД после 2 сеансов ФДТ. Пациент К.:
hand — флюоресценция кожи руки; 1 — флюоресценция опухоли; 2, 3 — флюоресценция на границе опухоли и здоровой ткани
лями различной длины (от 5 до 40 мм). Разные модели катетеров позволяют создавать различные распределения светового поля в ткани, на ее поверхности или в полостях внутренних органов.
Нами проводились исследования рассеяния лазерного излучения установки ЛФТ-675-01-Биоспек видимого диапазона в биологических тканях. Целью иссле-
дований было накопление экспериментальных данных для дальнейшего создания модели, соответствующей по своим параметрам различным биологическим тканям человека. Такая модель необходима для создания практических указаний по проведению ФДТ.
Схема проведения экспериментов показана на рис. 6. Слой жировой и мышечной ткани животных облучался лазерным излучением через торцевой катетер. Измерялась плотность мощности излучения на обратной стороне ткани в зависимости от расстояния между катетером и ее поверхностью. Измерения проводились с шагом 2 мм. Мощность на выходе катетера составляла 2 Вт. Использовались слои ткани толщиной 2, 4 и 6 мм. Кроме того, проводились измерения без образца биологической ткани. Распределение плотности мощности для мышечной ткани приведено на рис. 7.
Рис. 6. Схема проведения исследования распространения лазерного излучения
500
» 5 400
5 ±:
6
300
—А— Воздух
0 ■■ Слой 2 мм 1 ■ Слой 4 мм
20 40 60 80 100 120
Расстояние между катетером и биотканью, мм
В следующей серии экспериментов торцевой волоконно-оптический катетер находился внутри слоя биологической ткани. Мощность лазерного излучения составляла 350 мВт. Измерения проводились при погружении катетера в ткань на глубину 2 и 4 мм. Полученные распределения плотности мощности приведены на рис. 8.
200
І 100
О 2 мь
\А X 4 мм Д воздух
20 30 40
Расстояние, мм
Рис. 8. Зависимость плотности мощности лазерного излучения на поверхности кожи и излучения, проникающего на глубину 2 и 4 мм
Проводилась также серия экспериментов по исследованию рассеяния лазерного излучения в биологической ткани с использованием катетера с цилиндрическим рассеивателем. Схема проведения экспериментов показана на рис. 9. Катетер помещался в образец таким образом, чтобы расстояние от его оси до поверхности ткани составляло 5, 10, 15 и 20 мм. На поверхности проводились измерения плотности мощности. Мощность лазерного излучения на выходе катетера составляла 500 мВт. Результаты измерений приведены на рис. 10.
Рис. 9. Схема проведения экспериментов с использованием катетера с цилиндрическим рассеивателем
Рис. 7. Зависимость плотности мощности лазерного излучения, прошедшего сквозь слой ткани от расстояния между оптическим катетером и поверхностью ткани. Мышечная ткань
Полученные результаты важны для численной оценки дозы лазерного излучения при проведении ФДТ с использованием установки ЛФТ-675-01-Био-
Д Воздух ПЖиппйяо ТкЯнк
О Мышечная ткан ь
-о—\
О 5 10 15 20
Расстояние до фотодетектора внутри образца, мм
Рис. 10. Распределение плотности мощности лазерного излучения внутри образца биологической ткани
спек. Они позволяют выбирать нужным образом позицию катетера и время облучения при проведении ФДТ
СВЕТОДИОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА ДЛЯ ФДТ И ФД
Светодиодное видеофлюоресцентное устройство УФФ-630/675-01-Биоспек может применяться как для диагностики, так и терапии. Оно представляет собой мощный источник света (свыше 1000 мВт), который может обеспечить плотность энергии оптического излучения до 40 мВт/см2. Источник состоит из большого количества светодиодов для ФДТ и ФД, излучающих в красном диапазоне спектра. Светодиоды расположены так, что свет фокусируется в пятно, диаметром около 8 см. Устройство имеет встроенную видеокамеру и дополнительные светодиоды подсветки, излучающие в ИК-диапазоне. Эти светодиоды предназначены для удобства наведения видеокамеры. При попадании красного света на ткань, происходит возбуждение флюоресценции ФС. Видеокамера регистрирует флюоресцентное изображение биологической ткани. Возможно подключение устройства к компьютеру через соответствующую интерфейсную плату, что позволяет преобразовать получаемые изображения в цифровой вид и производить их математический анализ. Устройство может использоваться не только для проведения ФД, но и для проведения ФДТ, т. к. обладает достаточной плотностью мощности для возбуждения фотохимических реакций [4]. Устройство УФФ-63 0/675-01-Биоспек показано на рис. 11.
К преимуществам устройства относятся его относительно невысокая стоимость, простота эксплуатации, надежность.
В настоящее время создано несколько модификаций прибора, позволяющих использовать их для диагностики и терапии со всеми применяемыми в России типами фотосенсибилизаторов.
Рис. 11. Устройство для ФД и ФДТ УФФ-630/675-01
ЛАМПОВЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА ДЛЯ ФДТ И ФД
Появление в последнее время новых ламп, обладающих высокой надежностью и большим временем работы, позволило создать устройство для проведения диагностики и ФДТ опухолей и участков метастазиро-вания ИСФ-01-Биоспек на основе лампового источника света (рис. 12).
Рис. 12. Схема проведения сеанса ФД и ФДТ с помощью ИСФ-01-Биоспек
Устройство предназначено для работы с препаратом Аласенс и представляет собой источник света на основе металлогалоидной лампы мощностью 100 или 150 Вт, излучение которой фильтруется и через оптоволоконный световод направляется на исследуемую поверхность. Выбор металлогалоидной лампы обусловлен тем, что ее спектр излучения сконцентрирован в видимом диапазоне. Это обстоятельство увеличивает долю «полезного» излучения и позволяет использовать несложные системы защиты от ИК- и УФ-излучения [2].
Источник света способен работать в двух режимах: диагностическом и терапевтическом. При проведении ФДТ он излучает на длинах волн 600-750 нм. Мощность излучения на дистальном конце жгута 500 мВт [1].
В режиме флюоресцентной диагностики источник излучает во всем видимом диапазоне спектра, кроме узкой полосы в области 700 нм, соответствующей длинноволновому максимуму флюоресценции Ала-сенс-индуцированного протопорфирина IX (Пп1Х). Такой подход позволяет, во-первых, одновременно возбуждать флюоресценцию на всех длинах волн поглощения Пп1Х, а во-вторых, во время проведения флюоресцентной диагностики наблюдать исследуемую поверхность в естественном свете.
Для наблюдения исследуемой поверхности одновременно используются цветная и высокочувствительная монохромная видеокамеры. Монохромная видеокамера предназначена для регистрации флюоресценции и оснащена спектрально-селективной оптической системой, блокирующей излучение источника света и выделяющей флюоресцентное излучение. Полученные цветные и флюоресцентные изображения передаются на персональный компьютер, где происходят обработка, сохранение и вывод данных на экран. Это позволяет также в процессе ФДТ проводить в реальном времени мониторинг концентрации фотосенсибилизатора в ткани, что повышает качество терапии.
К преимуществам устройства относятся его относительно невысокая стоимость, простота в использовании и обслуживании.
ВЫВОДЫ
1. Лазерная электронно-спектральная установка ЛЭСА-01-Биоспек позволяет количественно определить степень накопления сенсибилизатора и контролировать параметры ФДТ во время самой процедуры. Ее лучше использовать комплексно с приборами для проведения ФДТ и визуальной ФД.
2. Лазерные установки для ФДТ могут использоваться для терапии как небольших поверхностных по-
ражений, так и внутренних органов с помощью эндо-, цисто-, кольпоскопов и др.
3. Для терапии и диагностики поверхностных поражений целесообразно использовать устройства, обеспечивающие большую площадь облучения, в частности видеофлюоресцентное устройство УФФ-630/675-01-Биоспек и ИСФ-01-Биоспек.
ЛИТЕРАТУРА
1. Березин А. Н, Лощеное В. Б. Новый источник света для флуоресцентной диагностики и фотодинами-ческой терапии // Матер. научн.-практ. конф. российских ученых «Актуальные аспекты лазерной медицины», 3-5 октября, 2002. — С. 310-312.
2. Березин А. Н, Киселее Г. Л., Патока Е. Ю., Лощеное В. Б. Аппаратура для проведения флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии // Сб. трудов 52-й научн.-тех. конф., МИРЭА. — 2003. — Часть 3. — С. 67-72.
3. Линъкое К. Г., Катышее А. А., Харнас С. С. и др. Применение лазерной и спектральной аппаратуры для фотодинамической терапии и флуоресцентной диагностики с препаратами Фотосенс и Аласенс // Лазерная медицина. — 2002. — Т. 6, Вып. 1. — С. 48-52.
4. Меероеич Г. А., Прохорое А. М., Ворожцое Г. Н. и др. Лазерно-телевизионных флюоресцентный визуа-лизатор злокачественных новообразований внутрипо-лостной и поверхностной локализации // Российские семинары в рамках 5-й Междунар. конф. «Лазерные технологии 95», Шатура, 23 июня, 1995.
5. Loschenov V. B., Stratonnikov A. A., Klimov D. V. et al. The Portable Spectroscopy system for Tumor Fluorescent Diagnostic and Photodynamic Therapy Control // 10th Nordic-Baltic Conference on biomedical Engineering. — 1st International Conference on bioelectromagnetism, Tampere, 9-13 June, 1996.
