Эффект взаимодействия лазерного излучения с биотканями межпозвонкового диска Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

ЭФФЕКТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОТКАНЯМИ МЕЖПОЗВОНКОВОГО ДИСКА

Андреева И.В.12, Захаркина О.Л.2, Игнатьева Н.Ю.1, Каменский В.А.3

1 Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

2 Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН, Троицк, Россия

3 Нижегородская областная клиническая больница им. Семашко, Н. Новгород, Россия

[email protected]

В работе изучено взаимодействие лазерного излучения и соединительных тканей межпозвонковых дисков. Показано, что денатурация коллагена этих тканей может быть вызвана не только фототермической, но и фотомеханической составляющей лазерного воздействия.

Лечение многочисленных заболеваний позвоночника - одна из наиболее важных задач, стоящих перед современной медициной. По статистике доля подобных заболеваний по всему миру составляет более 30% [1], тем самым практически каждый третий житель планеты хотя бы раз обращался в клинику с этой проблемой. Заболевания позвоночника губительно сказываются как на здоровье человека, его эмоциональном состоянии, на его трудоспособности и, как следствие, наносят урон экономической стабильности всех стран мира [2].

В современной медицине для лечения заболеваний позвоночника активно используются методы лазерной гипертермии [3]. На данный момент стоит отметить, что использование лазерных технологий в этой области медицины приносит положительный терапевтический эффект. Однако до сих детально не изучены процессы, происходящие при нагревании тканей межпозвонковых дисков лазерным излучением. А любой новый медицинский метод с применением высоких технологий требует создания научной базы для его использования и детальной разработки самой процедуры лечения.

Поэтому целью данной работы было изучить влияние лазерного излучения ткани составляющих межпозвонкового диска: фиброзное кольцо (ФК) и пульпозное ядро (ПЯ), а также установить зависимости между возможными изменениями в этих тканях и параметрами лазерного воздействия.

Материалы и методы

Для эксперимента использовались фрагменты позвоночника кроликов (система позвонок-диск-позвонок). Облучение фиброзного кольца производилось контактно, так чтобы угол между волокном лазера и поверхностью биоткани составлял 90°; облучение пульпозного ядра также проводили контактно через пункционный прокол в фиброзном кольце. В обоих случаях использовали Er-Glass волоконный ИК лазера ЛС-1.56-5 (("ИРЭ-Полюс", Россия), ^=1.56 мкм, максимальная мощность 5 Вт, диаметр волокна 400 мкм). Режимы облучения обоих типов биотканей представлены в таблице 1. Контроль температуры в ходе лазерного воздействия осуществлялся с помощью ИК термографа IRTIS - 2000 (Россия). Полученные результаты представлены в таблице 1.

Изменение состояния биотканей после лазерного воздействия детектировали с помощью методов дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и кросс-поляризационной оптической когерентной томографии (КП ОКТ). Качественный анализ на наличие в образцах биотканей денатурированного коллагена проводился с использованием фермента трипсина [4].

Для серии ДСК экспериментов хорошо визуализуемая зона воздействия после облучения механически выделялась и подвергалась термическому анализу (DSC 822e, Mettler Toledo, Швейцария). Начальная, конечная температура и скорость нагрева для калориметрического исследования тканей межпозвонковых дисков составляли 25°С, 100°С, 10 K/мин соответственно. Степень денатурации рассчитывали как а=(ДН/ДНд)-100%, где ДНд - энтальпия денатурации коллагена в

интактной биоткани, АН - тепловой эффект денатурации коллагена в облученных образцах.

Метод КП ОКТ использовалась только для диагностики состояния ткани фиброзного кольца, поскольку эта биоткань в отличие от пульпозного ядра обладает высокоорганизованной упорядоченной анизотропной структурой, изменения или нарушения которой хорошо детектируются с помощью этого неинвазивного оптического метода. Для получения КП ОКТ изображений (томограмм) использовался портативный поляризационный оптический когерентный томограф, разработанный в Институте прикладной физики РАН (Н. Новгород). Количественной характеристикой такой анизотропной структуры является двулучепреломление (Дп), которое рассчитывалось по периоду модуляции интенсивности сигнала как Дn=X/(2Zb), где Х=980нм - длина волны

зондирующего излучения.

Результаты и обсуждение

Данные термического анализа образцов интактных биотканей фиброзного кольца и пульпозного ядра показывают, что коллаген в этих тканях находится в состоянии тройной спирали, о чем свидетельствует наличие эндотермического пика на ДСК-термограммах. Эндотермический процесс, протекающий в исследуемых коллагенсодержащих тканях, - денатурация - характеризуется следующими параметрами: для ФК энтальпия денатурации составляет АНд=53.7±1.9Дж/г коллагена, температура максимума пика Тп=66±1°С. Для ПЯ АНд=53.1±1.2Дж/г коллагена, Тп=65±1°С.

Характеристики режимов ИК лазерного облучения тканей ФК и ПЯ и данные ДСК анализа.

Таблица 1.

Фиброзное кольцо

Номер режима Характеристики режима Данные радиометрии Твозд, °С Данные ДСК анализа

Тпика, °С а, %

Непрерывное воздействие

1 мощность 0,5 Вт, время 5 с 64±2 66.0±0.5 63±2

2 мощность 1 Вт, время 5 с 85±4 66.1±0.7 93±1

Импульсное воздействие

3 мощность 5 Вт, длительность импульса 10 мс, частота 10 Гц, время 10 с 68±1 68.7±0.5 15±3

4 мощность 2,5 Вт, длительность импульса 100 мс, частота 1 Гц, время 10 с 79±1 65.5±0.4 61±2

5 мощность 2,5 Вт, длительность импульса 100 мс, частота 2 Гц, время 5 с 82±3 66.1±0.3 60±1

Пульпозное ядро

Номер режима Характеристики режима Данные радиометрии Твозд, °С Данные ДСК анализа

Тпика, °С а, %

Г мощность 3Вт, длительность импульса 10мс, длительность паузы 990мс, время облучения/интервала между цугами импульсов 20/0с, число цугов 1, частота 1Гц, 29±1 65.5±0.5 70± 1

мощность 1,5Вт, длительность импульса 100мс, длительность паузы 900мс, время облучения/интервала между цугами импульсов 10/10с, число цугов 3, частота 1Гц, 56±1 66.0±0.3 25± 1

3* мощность 0,6Вт, длительность импульса 1000мс, длительность паузы 1400мс, время облучения/интервала между цугами импульсов 20/15с, число цугов 2, частота 0,4Гц, 70±1 65.8±0.3 93± 1

В условиях калориметрической ячейки в диапазоне температур 60-70°С коллаген соединительных тканей межпозвонковых дисков денатурирует полностью, о чем свидетельствует растворение образцов после термического анализа в трипсине.

Рисунок 1. КП ОКТ образ (а) и осцилляция интенсивности сигнала (б) интактной ткани

фиброзного кольца (бар=1мм)

Наличие четкой системы светлых и темных параллельных полос на томограммах интактного ФК (рисунок 1) свидетельствует о том, что коллаген в этой ткани образует высокоупорядоченную анизотропную структуру; двулучепреломление составляет Дп=(5.3±0.2)-10-3.

После лазерного воздействия для всех образцов обоих типов рассматриваемых тканей наблюдается уменьшение ДНд коллагена по сравнению с термодинамическими параметрами интактных тканей. При этом температурные характеристики эндотермических пиков на термограммах практически совпадают с интактными. Уменьшение значения ДНд означает, что при воздействии лазерного излучения происходит частичная или полная денатурация коллагена ткани; по-видимому, объем денатурации определяется характеристиками режима воздействия. Рассчитанные степени денатурации коллагена представлены в таблице 1.

Интересен тот факт, что денатурация коллагена наблюдается для обоих типов исследуемых тканей как для режимов, в которых достигаемая при облучении температура выше температуры денатурации коллагена Тд (для ФК режимы 2-5, для ПЯ режим 3"), так и в случае режимов, где температура лазерного воздействия ниже

Также необходимо отметить, что для фиброзного кольца метод КП ОКТ позволяет визуализовать зону воздействия. На томограммах (рисунок 2) область облучения характеризуется локальным нарушением системы параллельных полос, что объясняется исчезновением в этом месте упорядоченной структуры коллагена, и темными областями, соответствующими изотропной среде. В области воздействия лазерного излучения Дп=0, о чем свидетельствует вид осцилляции интенсивности интерференционного сигнала.

Рисунок 2. КП ОКТ образ (а) и осцилляция интенсивности сигнала (б) ткани фиброзного кольца после лазерного воздействия (1Вт, 5 с) (бар=1мм)

Возможным объяснением возникновения денатурации коллагена при низких температурах может служить проявление фотомеханического эффекта, как одного из трех возможных компонентов воздействия лазерного излучения [5]. В случае

б)

б)

соединительных тканей, характеризующихся высоким содержанием воды и наличием разветвленной (структурированной или хаотической) коллагеновой подсистемы, процесс денатурации обусловлен возникновением и развитием «квазистационарных давлений». Неоднородный нагрев компонентов соединительной ткани, вызванный воздействием лазерного излучения, приводит к их локальному расширению и движению тканевой воды из зоны нагрева в область более низких температур. Учитывая достаточно низкую гидравлическую проницаемость рассматриваемых тканей [6], движение воды вызывает развитие локальных напряжений в ткани, что приводит к термомеханическому нарушению коллагеновой структуры.

Таким образом, высокое значение а при облучении ткани ПЯ в режиме 3" объясняется проявлением фотомеханического эффекта. В режиме 1 и 3 для фиброзного кольца и в режиме 2" для пульпозного ядра эффект денатурации достигается по-видимому за счет действия как фотомеханического, так и фототермического эффектов, поскольку в этих режимах температуры, достигаемые при облучении, сопоставимы с теми значениями, при которых происходит плавление коллагена этих тканей в условиях калориметрической ячейке. Далее, рассматривая режимы 2, 4, 5 для ФК и режим 3" для ПЯ, можно утверждать, что в этом случае денатурация достигается в основном за счет влияния температуры, которая значительно превышает температуру плавления коллагена. Тем самым, эти режимы иллюстрируют проявление фототермического эффекта.

Интересно отметить, что при сопоставлении режимов 4 и 5 для ФК получены практически одинаковые значения а. При этом эти режимы отличаются по частотным параметрам, что должно означать разное по эффективности проявление фотомеханического эффекта. При этом достигаемые температуры превышают значение температуры денатурации. Это означает, что в области высоких температур (>Тд) влияние фототермического эффекта преобладает над фотомеханическим.

Таким образом, влияние лазерного излучения при проведении процедуры лазерной гипертермии сводится не только к локальному нагреву ткани. Исследование фотомеханической компоненты лазерного воздействия требует дальнейшего детального изучения. Стоит также отметить, что при использовании лазерного излучения особое внимание необходимо уделять сохранению целостности фиброзного кольца, как основной структурной единицы межпозвонкового диска.

Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект 07-02-00749-а).

1. Carragee E.J. The role of surgery in low back pain. Current Orthopaedics 2007; 21: 916.

2. Ekman M., Johnell O., Lidgren L. The economic cost of low back pain in Sweden in 2001. Acta Orthopaedica 2005; 76: 275-284.

3. Лазерная инженерия хрящей. Под ред. В.Н. Баграташвили, Э.Н. Соболя, А.Б. Шехтера. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. С. 423.

4. Михайлов А.Н. Коллаген кожного покрова и основы его переработки. М, 1971.С. 527.

5. Thomsen S. Pathologic analysis of photothermal and photomechanical effects of laser-tissue interactions. Photochem. Photobiol. 1991; 53: 825-835.