Способ локального повышения концентрации молекулярного кислорода в дерме кожной ткани

Способ относится к медицине и может быть использован при лечении патологий приповерхностных участков кожи, в частности при низкоинтенсивной лазерной и фотодинамической терапии. Определяют глубину нахождения патологического участка дермы. При глубине меньше 0.22 мм облучение световым пучком осуществляют на длине волны, равной 418±5 нм. При глубине от 0.22 мм до 0.9 мм облучение осуществляют на длине волны 575±5 нм. При глубине 0.9 мм до 2.5 мм облучение осуществляют на длине волны 585±5 нм. При глубине больше 2.5 мм облучение осуществляют на длине волны 600±5 нм. Способ позволяет увеличить число образуемых молекул кислорода в дерме кожной ткани на разных глубинах в дерме за счет фотодиссоциации оксигемоглобина крови под действием света определенного спектрального состава. 2 ил.

 

Изобретение относится к неинвазивной локальной генерации кислорода на заданной глубине в дерме вследствие фотодиссоциации оксигемоглобина крови под действием света определенного спектрального состава. Оно может быть использовано при лечении патологий приповерхностных участков кожи, в частности при низкоинтенсивной лазерной и фотодинамической терапии.

Известно [1], что при облучении кожной ткани светом с частотой ν (или длиной волны λ=c/ν, где c - скорость света в среде) происходит фотодиссоциация оксигемоглобина HbO₂, который распадается на деоксигемоглобин Hb и молекулярный кислород O₂:

.

Этот механизм используют для повышения уровня O₂ в кожных тканях с целью устранению гипоксии (недостатка кислорода), стимулирования аэробного (связанного с потреблением кислорода) обмена веществ в клетках и достижения соответствующих терапевтических эффектов. При этом важно обеспечить возможность генерации кислорода на требуемой глубине в ткани, где, например, находится патологический или опухолевый участок с фотосенсибилизатором при свето- или фото динамической терапии [2].

Известен способ генерации кислорода (оксигенации) в биоткани, заключающийся в том, что одновременно проводят гипербарическую оксигенацию (ГБО) и низкоинтенсивное лазерное облучение на длине волны от 600 до 1000 нм и тем самым неинвазивно воздействуют через кожу на всю толщу дермы, в которой необходимо увеличить концентрацию кислорода [3].

Недостатком этого способа является сложность из-за необходимости сочетать ГБО и облучение, а также невозможность локально повысить концентрацию кислорода на требуемой глубине в биоткани, т.к. процесс ГБО включает оксигенации всего организма в целом. Для реализации метода ГБО требуется громоздкое стационарное оборудование. Кроме того, он обуславливает высокий риск кислородной токсемии (отравление крови токсинами бактерий) как результат длительного воздействия O₂ на организм при повышенном давлении.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ [4] повышения концентрации молекулярного кислорода в толще кожной ткани, заключающийся в облучении поверхности кожи светом на длине волны λ=632.8 нм и одновременном повышении температуры в месте облучения ткани примерно до 42°C. Недостатком данного способа является малое число образующихся молекул O₂ из-за использования света с λ=632.8 нм. Кроме того, способ не обеспечивает возможность избирательно увеличить уровень оксигенации ткани на требуемой глубине, где может находиться подлежащий терапии патологический участок.

Задачей настоящего изобретения является увеличение числа образуемых молекул кислорода в дерме кожной ткани, а также обеспечение возможности избирательно максимизировать генерацию O₂ на разных глубинах в дерме.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе локального повышения концентрации молекулярного кислорода в дерме кожной ткани, основанном на фотодиссоциации оксигемоглобина крови при облучении поверхности кожи световым пучком, длину волны облучения выбирают равной 418±5 нм при глубине генерации кислорода меньше 0.22 мм, длина волны облучения равна 575±5 нм при глубине генерации кислорода от 0.22 мм до 0.9 мм, длина волны облучения равна 585±5 нм при глубине генерации кислорода 0.9 мм до 2.5 мм, и длина волны облучения равна 600±5 нм при глубине генерации кислорода больше 2.5 мм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 показаны зависимости дифференциальных эффективностей фотодиссоциации (ДЭФ), Вт/(см³с) от глубины z в дерме при облучении поверхности кожи на длинах волн 418 (кривые 1), 575 (2), 585 (3) 600 (4) и 632.8 нм (5).

На фиг.2 представлены значения отношения r ДЭФ при облучении поверхности кожи на длинах волн λ₁=575 нм и λ=418 нм (кривые 1), λ₁=575 нм и λ=585 нм (2), λ₁=575 нм и λ=600 нм (3) в зависимости от глубины в дерме.

Введем понятие дифференциальной эффективности фотодиссоциации ДЭФ, под которой понимается количество молекул кислорода n(z, λ), образующихся в единицу времени в единице объема на глубине z, при падении единичной плотности мощности монохроматического света на поверхность:

Здесь

z - глубина в дерме, отсчитываемая от поверхности кожи;

µ_a(λ) - спектральная зависимость показателя поглощения оксигемоглобина (1/см);

H - гематокрит (объемная концентрация эритроцитов в крови);

f - объемная доля гемоглобина в эритроцитах;

C_v - объемная концентрация капилляров крови (доля единичного объема ткани, занятая капиллярами);

S - степень оксигенации крови (отношение количества оксигемоглобина к полному гемоглобину);

q - квантовый выход фотодиссоциации (при освещении в видимом диапазоне спектра (λ≅300-650 нм) примерно постоянен и составляет 3-5% в зависимости от температуры и других факторов [5]);

E(z, λ) - плотность излучения в биоткани, (Вт/м²), где I(λ, z, Ω) - интенсивность света как функция угловых координат ϑ и ϕ, dΩ=sin(ϑ)dϑdφ - элементарный телесный угол;

h=6.63·10^-34 Дж·с - постоянная Планка;

c=3·10¹⁰ см/с - скорость света.

В формуле (1) учтено, что в общем случае объемная концентрация капилляров C_v может зависеть от глубины z [6]. Для конкретности ниже полагаем типичные значения следующих параметров: Н=0.4, f=0.25 согласно модели [6].

Введем отношение

показывающее, во сколько раз ДЭФ на заданной глубине z при облучении поверхности кожи на длине волны λ₁ больше (или меньше) соответствующей величины при облучении на длине волны λ.

Соотношения (1) и (2) соответствуют монохроматическому освещению поверхности кожи на длине волны λ₁ или λ. Если для генерации кислорода используется световой пучок в спектральном интервале Δλ, то формула (2) принимает вид

Ниже будет доказано, что нами найдены длины волн λ₁ (или интервалы длин волн λ₁±Δλ₁), зависящие от z, при которых имеют место максимальные значения ДЭФ на заданных глубинах в толще дермы, или, иными словами, когда при фиксированных z выполняются неравенства r(z, λ₁, λ)>1 и r*(z, λ₁, λ)>1 для λ₁≠λ.

Величины, определенные формулами (1)-(3), зависят, через плотность излучения E(z, λ), от структурных, биофизических и оптических характеристик всех слоев кожи - рогового, эпидермиса и дермы. Далее в расчетах используем модель кожного покрова человека [7].

Фиг.1 иллюстрирует глубинную структуру ДЭФ на нескольких длинах волн - 418 (кривые 1), 575 (2), 585 (3), 600 (4) и 632 нм (5). Эти данные приведены при объемной концентрации меланина в эпидермисе f_m=0.04, толщине рогового слоя d_s=20 мкм и эпидермиса d_e=100 мкм, C_v=0.04 и S=0.75. Плотность мощности облучения поверхности E₀=1 Вт/см². Как видно из графиков, при разных величинах z наиболее эффективны разные длины волн. В верхних слоях дермы максимальную фотодиссоциацию HbO₂ вызывает синий свет с λ=418 нм. При росте z наиболее эффективные длины волн последовательно смещаются в красную область спектра: в интервале 0.22 мм≤z≤0.9 мм это - λ=575 нм, при 0.9 мм≤z≤2.5 мм - λ=585 нм, при z≥2.5 мм-λ=600 нм. Граничные значения этих глубин изображены на фиг.1 вертикальными штриховыми прямыми. Наши расчеты (на рисунках не приведены) при других структурных и биофизических параметрах ткани, типичных для кожи человека [7], изменяющихся в диапазонах 15 мкм≤d_s≤25 мкм, 0.02≤f_m≤0.08, 60 мкм≤d_e≤120 мкм, 0.02≤C_v≤0.06, 0.5≤S≤0.97, а также при Δλ=±5 нм относительно длины волны λ, показали, что положения границ, где наиболее эффективна та или иная длина волны, устойчивы к изменению d_s, f_m, d_e, C_v и S. Так, приведенные координаты по глубине могут варьироваться в очень узких пределах - 0.22±0.02, 0.9±0.05 и 2.5±0.1 мм. Это позволяет использовать указанные длины волн 418, 575, 585 и 600 нм для генерации молекулярного кислорода в соответствующих интервалах глубин в дерме. Из данных фиг.1 следует, что облучение на длине волны 632.8 нм (прототип) менее эффективно на любых глубинах с точки зрения повышения уровня O₂ в дерме по сравнению с 418, 575, 585 и 600 нм. Иными словами, при облучении поверхности кожи на длине волны 418 нм в дерме образуется примерно в 5-50 раз меньше молекулярного кислорода по сравнению с облучением на указанных длинах волн 418, 575, 585 и 600 нм в соответствующих интервалах глубин z.

Фиг.2 иллюстрирует зависимость отношения r от глубины, когда в качестве λ₁ выбрана 575 нм. Здесь также граничные значения указанных выше глубин изображены вертикальными штриховыми прямыми. Приведенные на фиг.2 результаты позволяют оценить, во сколько раз более эффективны длины волн 418, 575, 585 и 600 нм для возбуждения фотодиссоциации оксигемоглобина и повышения уровня молекулярного кислорода в биоткани на соответствующих глубинах в дерме.

Источники информации

1. Q.H.Gibson, S.Ainsworth. Photosensitivity of heme compounds // Nature. 1957. V.180. No.4599. P.1416-1417.

2. M.M.Асимов, P.M.Асимов, A.H.Рубинов. Способ фотодинамической терапии онкологических заболеваний. Патент UA 82211 C2. A61N 5/06. Опубл. 25.03.2008. Офиц. бюл. «Промышленная собственность». Книга 1. 2008. №6.

3. М.М.Асимов, Р.М.Асимов, А.Н.Рубинов. Способ повышения локальной концентрации кислорода в биологических тканях пациента. Патент BY №9855 C1. 30.10.2007.

4. М.М.Асимов, А.Н.Королевич, Е.Э.Константинова. Кинетика оксигенации кожной ткани под воздействием низкоинтенсивного лазерного излучения // Журн. прикл. спектроск. 2007. Т.74. №1. С.120-125.

5. С.В.Лепешкевич, Н.В.Коновалова, Б.М.Джагаров. Исследование методом лазерной кинетической спектроскопии бимолекулярных стадий реакции оксигенации α- и β-субъединиц гемоглобина человека в R-состоянии // Биохимия. 2003. Т.68. №5. С.676-685.

6. И.В.Меглинский. Моделирование методом Монте Карло спектров отражения случайных многослойных сильно рассеивающих и поглощающих свет сред // Квантовая электроника. 2001. Т.31. №12. С.1101-1107.

7. В.В.Барун, А.П.Иванов, А.В.Волотовская, В.С.Улащик. Спектры поглощения и глубина проникновения света в нормальную и патологически измененную кожу человека // Журнал прикладной спектроскопии. 2007. Т.74. №3. С.387-394.

Способ локального повышения концентрации молекулярного кислорода в дерме кожной ткани, основанный на фотодиссоциации оксигемоглобина крови при облучении поверхности кожи световым пучком, отличающийся тем, что определяют глубину нахождения патологического участка дермы, при глубине меньше 0,22 мм облучение световым пучком осуществляют на длине волны, равной 418±5 нм, при глубине от 0,22 мм до 0,9 мм облучение осуществляют на длине волны 575±5 нм, при глубине 0,9 мм до 2,5 мм облучение осуществляют на длине волны 585±5 нм, и при глубине больше 2,5 мм облучение осуществляют на длине волны 600±5 нм.