CC BY
50
ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННАЯ ФОТОДИСОЦИАЦИЯ ОКСИГЕМОГЛОБИНА IN VIVO
Ю.С. Плаксий1, С.А. Мамилов1, С.С. Есьман1, М.М. Асимов2, А. Гизбрехт3 1Институт прикладных проблем физики и биофизики НАН Украины, г. Киев, ул. Служебная, 3.
2Институт физики АН Беларуси, г. Минск, пр. Независимости, 68. 3Институт электроники БАН, г.
София, Цареградско шоссе, 72. E-mail: [email protected]
В работе представлены результаты исследований взаимодействия низкоинтенсивного лазерного излучения с кровью. Обнаружен in vivo эффект лазерно-индуцированной фотодиссоциации оксигемоглобина в артериальной крови.
На сегодняшний день, несмотря на многолетние исследования влияния лазерного излучения на биологическую ткань и накопленный огромный экспериментальный материал по реакции организма человека на низкоинтенсивное лазерное излучение, механизмы этого влияния еще до конца не изучены [1-3]. Трудность этих исследований заключается в том, что биологическая ткань является средой, которая сильно рассеивает свет и представляет собой сложную многокомпонентную структуру, каждая из составляющих которой имеет свои коэффициенты рассеяния и поглощения. Кроме того, наибольшую достоверность могут дать лишь исследование in vivo, поскольку выделенный образец по своим свойствами будет отличаться от живой ткани.
По нашему мнению, одним из первичных механизмов взаимодействия лазерного излучения с биологической тканью является фотодиссоциация оксигемоглобина (Hb02) с выделением свободного кислорода, который переходит в синглетное состояние [4].
Нами был проведен цикл исследований зависимости квантового выхода фотодиссоциации Hb02 в живой ткани от характеристик лазерного излучения и состояния ткани. Эксперименты проводились путем регистрации изменения величины относительной концентрации Hb02 в артериальной крови с помощью высокочувствительного пульсоксиметра-спектрофотометра. Пульсоксиметричний датчик состоит из двух светодиодов (длины волн 660 нм и 900 нм) и фотодиода между которыми расположен палец руки. В большинстве экспериментов датчик располагался на первой фаланге пальца, а лазерное излучение направлялось на внутреннюю сторону третьей фаланги. Диаметр лазерного пятна на коже составлял 7-8 мм.
Была исследована зависимость изменения концентрации Hb02 от длины волны и мощности излучения. На рис.1 приведены данные об уменьшении концентрации Hb02 при воздействии излучением разной длины волны.
Видно, что максимальный квантовый выход фотодиссоциации наблюдается при облучении биологической ткани красным светом. При мощности 15 мвт изменение относительной концентрации Hb02 составляло - 1,4%. В желтом и зеленом диапазонах квантовый выход фотодиссоциации уменьшается в полтора раза, а в ближних ультрафиолетовом и инфракрасном участках спектра процесс не регистрируется. Эти результаты хорошо согласуются со спектральными характеристиками Hb02 и кожи, а также спектрами действия лазерного излучения.
Величина эффекта зависит от мощности излучения, при изменении ее для гелий-неонового лазера от 5 до 15 мвт уменьшение относительной концентрации Hb02 изменялось от 0,6% до 1,4% (рис. 2).
Наблюдаемый эффект имеет довольно локальный характер и существует зависимость степени уменьшения относительной концентрации оксигемоглобина в артериальной крови от расстояния между точками облучения и измерения. При облучении второй фаланги пальца (P=14 мвт) изменение относительной концентрации оксигемоглобина составляет 1,8-2%, в то время как облучение
третьей фаланги приводит к уменьшению относительной концентрации оксигемоглобина на 1,4%. При облучении отдаленных участков, по которым проходит артерия, питающая палец (область запястья, низ ладони, основа пальца), эффект не наблюдался.
1,41,21,00,80,60,40,2-
0,0
Р=15 mW
446 510 578 632 653 950 X, (нм)
Рис. 1. Уменьшение относительной концентрации оксигемоглобина при разных длинах волн облучения.
Рис. 2. Зависимость уменьшения относительной концентрации оксигемоглобина от мощности гелий-неонового лазера
Процесс уменьшения относительной концентрации оксигемоглобина длится на протяжении нескольких секунд после включения лазера. Измененный уровень относительной концентрации оксигемоглобина не зависит от времени облучения. После выключения лазера происходит, также на протяжении нескольких секунд, возвращение относительной концентрации оксигемоглобина к начальному значению, что, скорее всего, связано с притоком свежей артериальной крови.
На рис. 3 приведена временная зависимость изменения относительной концентрации оксигемоглобина в артериальной крови до, во время и после окончания процесса облучения лазером, а на рис. 4 показанная динамика процесса изменения относительной концентрации оксигемоглобина в момент включения лазера.
Следует отметить, что эффект лазерно-индуцированной фотодиссоциации оксигемоглобина наблюдается при исходном значении относительной концентрации оксигемоглобина выше 96%. Если эта величина составляет 93-95%, то уменьшение относительной концентрации оксигемоглобина в артериальной крови не наблюдается.
^vwj
[\МлЛЛл
"20-40-60--100 140-160-180-200-220-240
t (c)
Рис.3. Изменение относительной концентрации оксигемоглобина при включении и выключении лазера (Х=632 нм, Р=14 мВт).
о „
971
• . . • .
""50"
""55"
"50"
"55"
"70"
"75"
-50"
t (c)
Рис.4. Процесс изменения относительной концентрации оксигемоглобина при включении лазера(Х=632 нм, Р=14 мВт).
Проведено исследование влияния исходной температуры биологической ткани на лазерно-индуцированную фотодиссоциацию оксигемоглобина. Измерения проводились в интервале температур от 29 до 430С с шагом 30С. Величина уменьшения значения относительной концентрации оксигемоглобина изменялась в этом диапазоне от 0 до 2,2% и составляла 1,5% при нормальной температуре (Рис.
5).
В экспериментах in vitro [5] было показано, что при повышении температуры от 00С до 400С квантовый выход фотодиссоциации оксигемоглобина возрастает в 2,7 раза. Полученные нами данные in vivo в целом неплохо согласуются с результатами работы [5]. Однако в экспериментах in vivo мы показали, что при локальной температуре ткани 290С и ниже никаких изменений в величине относительной концентрации оксигемоглобина не наблюдается, т.е. при этих температурах фотодиссоциация оксигемоголобина не происходит.
Эффект лазерно-индуцированной фотодиссоциации оксигемоглобина и зависимость квантового выхода фотодиссоциации от температуры открывает возможность существенного повышения локальной концентрации кислорода в тканях in vivo. По нашим оценкам лазерное облучения увеличивает концентрацию свободного кислорода в артериальной крови более чем в 4 раза. Повышение локальной температуры ткани в зоне воздействия лазерного излучения на 5-60С относительно нормальной температуры тела, приводит к росту выхода свободного молекулярного кислорода приблизительно в 1,8 раза. Полученные результаты открывают уникальные возможности использования лазерно-индуцированной фотодиссоциации оксигемоглобина в биомедицинской практике, в частности для
96
95
увеличения эффективности лечения ранений, фотодинамической терапии опухолей.
ожогов, пролежней и
1,0
0,5
Ж'
л
"23"
"30"
"33"
"34"
"3В"
13"
"Ж"
тг
~44 T (0C)
Рис. 5. Уменьшение относительной концентрации оксигемоглобина в зависимости от температуры биологической ткани (Х=632 нм, Р=14 мВт).
¿2,5
2,0
1,5
0,0
1. А.С. Крюк, В.А. Мостовников, И.В. Хохлов, Н.С. Сердюченко. Терапевтическая эффективность низкоинтенсивного лазерного излучения, Минск, 1986.
2. J. Tuner, L. Hode. Low Lewel Laser Therapy. Stockholm: Prima Books, 1999
3. G.D. Baxter, Therapeutic lasers: Theory and Practice, Edinburgh; New-York, 1994
4. M.M. Asimov, R.M. Asimov, A.N. Rubinov. SPIE Proceedings Laser - Tissue Interaction, 1X. San Jose. CA. USA. 3254 (1998) 407 - 412.
5. Wilma A. Saffran, Quentine H. Gibson. Photodissosiation of Ligands from Hem and Hem Proteins: Effect of Temperature and Organic Phosphate. J of Biol. Chem. 252(22), 1977, 7955 -7958.
