Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях



Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях
Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях
Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях

Владельцы патента RU 2672478:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к медицине, в частности к онкологии, и может быть использовано для диагностики возникновения злокачественных опухолей в тканях in vitro. Вводят в ткань фотосенсибилизатор. Воздействуют на ткань лазерным излучением серией импульсов с плотностью мощности 0,5 МВт/см2 и длительностью импульса 15 нс. Во временном интервале 1-15 мкс после каждого импульса облучения одновременно измеряют интенсивность замедленной флуоресценции и фосфоресценции фотосенсибилизатора. При снижении интенсивности фосфоресценции, свидетельствующем о снижении концентрации триплетных состояний фотосенсибилизатора, осуществляют корректировку показаний интенсивности замедленной флуоресценции после каждого возбуждающего импульса. Корректировку осуществляют путем добавления величины разностного интегрального сигнала фосфоресценции к интегральному сигналу замедленной флуоресценции. Наличие опухоли в ткани диагностируют при снижении скорректированного показателя интенсивности замедленной флуоресценции на 60% к седьмому лазерному импульсу. Способ обеспечивает повышение точности и достоверности диагностики онкологических патологий в биологических тканях за счет обнаружения тушения замедленной флуоресценции молекулярных зондов в тканях при их импульсно-периодическом возбуждении путем контроля изменения концентрации молекул зондов в триплетных состояниях непосредственно в процессе измерения кинетики затухания замедленной флуоресценции. 3 ил.

 

Изобретение относится к области медицины, онкологии и может быть использовано для диагностики возникновения злокачественных новообразований в тканях.

В ткань вводят экзогенные молекулы - зонды. Такими зондами могут служить молекулы органических красителей, способные излучать замедленную флуоресценцию (ЗФ) и фосфоресценцию. Затем введенные в ткань молекулы возбуждают импульсами лазерного излучения в основной полосе поглощения S0→S1, где S0 - основное состояние молекулы, S1 - первое возбужденное синглетное состояние. В результате интеркомбинационной конверсии S1→Т1 из первого возбужденного синглетного состояния, появляются молекулы красителей в триплетном T1 состоянии (которые характеризуются большими значениями времени жизни 10-6 - 10-3 с). Триплетные состояния молекул эффективно тушатся молекулярным кислородом 3О2 с образованием синглетного кислорода 1О2.

В работе [«Журнал физической химии», 2013, том. 87, №9, с. 1602-1607] показано, что в биотканях в присутствии синглетного и молекулярного кислорода возможны следующие каналы релаксации триплетных состояний молекул:

- термоинициированная обратная T1→S1 интеркомбинационная конверсия с последующей замедленной флуоресценцией T1→S1→S0+hνЗФ (в дальнейшем будем называть этот тип замедленной флуоресценции - ТЗФ);

- синглет-триплетная аннигиляция T1+1O2, сопровождающаяся возникновением S1 состояний молекул с последующей замедленной флуоресценцией T1+1О23О2+S1→S0+hνЗФ (в дальнейшем будем называть этот тип замедленной флуоресценции - СТА ЗФ);

- фосфоресценция T1→S0+hνФОС.

Авторами настоящей заявки ["Вестник ОГУ", 2015, №13, С. 175-180; Journal of Photochemistry & Photobiology, В: Biology 163 (2016) 232-236] показано, что в злокачественных опухолях, в отличие от нормальных тканей, при импульсно-периодическом возбуждении, из-за разности скоростей расходования фотосенсибилизированного синглетного 1О2 кислорода внутри ткани и поступления 3О2 кислорода из внешней среды в ткань в промежутке между возбуждающими импульсами, наблюдается эффект тушения СТА ЗФ. В работе ["Вестник ОГУ", 2015, №13, С. 175-1802] этот эффект предложено использовать для диагностики возникновения опухолей на ранней стадии.

Интегральный измеряемый сигнал замедленной флуоресценции зондов в биотканях представляет собой суперпозицию двух типов свечения - ТЗФ и СТА ЗФ. Интенсивность замедленной флуоресценции IЗФ (площадь под кинетической кривой ЗФ) определяется выражением:

где А1 и А2 - постоянные коэффициенты;

nΔ(t) - концентрация синглетного кислорода;

nT(t) - концентрация зондов в триплетном состоянии.

Первое слагаемое в (1) представляет вклад СТА ЗФ в общий сигнал, второе - вклад ТЗФ.

Тушение СТА ЗФ в опухолях происходит потому, что при возбуждении в строб-режиме для каждого последующего импульса концентрация молекул кислорода в ткани оказывается меньшей, чем для предыдущего импульса. Уменьшение концентрации кислорода в ткани влечет за собой уменьшение

величины nΔ(t) в выражении (1) и, как следствие, уменьшение вклада первого слагаемого в общий сигнал ЗФ.

Другой причиной тушения ЗФ может быть фотохимическое обесчвечивание красителей в тканях при лазерном возбуждении, т.е. уменьшение величины nT(t) в выражении (1). Для учета возможной фотохимической деградации красителей предлагается при каждом отдельном измерении кинетики ЗФ зондов одновременно измерять кинетику их фосфоресценции.

Интенсивность фосфоресценции IФ0С равна:

где A3 - постоянный коэффициент.

Измерения фосфоресценции зондов позволяет контролировать изменение величины nT(t). Практически эта задача решается введением в установку дополнительного фотоприемника, регистрирующего свечение в спектральном диапазоне, соответсвующем фосфоресценции зондов. Величина разностного интегрального сигнала фосфоресценции, определяемого во временном интервале 0-15 мкс, добавляется к интегральному сигналу замедленной флуорисценции. Врезультате описаной процедцры получаем скорректированные данные о кинетике СТА ЗФ, что повышает достоверность процедуры диагностики паталогии биологических тканей.

Ближайшим по техническому решению к предлагаемому способу является способ определения патологий в биологических тканях на основе измерения тушения СТА ЗФ молекулярных зондов в тканях в режиме импульсно-периодического возбуждения [Journal of Photochemistry & Photobiology, В: Biology, 163, 2016, 232-236]. Недостатком способа является отсутствие контроля изменения концентрации триплетных состояний фотосенсибилизаторов (зондов) после каждого возбуждающего импульса, что вносит неточность в интерпретацию результатов измерений.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и обеспечение корректности способа диагностики онкологических заболеваний основанного на тушении замедленной флуоресценции зондов при импульсно-периодическом возбуждении, путем создания возможности контроля изменения концентрации триплетных состояний молекул зондов непосредственно в процессе измерения кинетики затухания замедленной флуоресценции. Задача решается тем, что в экспериментальную установку вводится дополнительный канал регистрации свечения и одновременно с замедленной флуоресценцией измеряется кинетика фосфоресценции молекулярных зондов после каждого возбуждающего импульса. По изменениям, происходящим в кинетике фосфоресценции, контролируется концентрация триплетных состояний молекул зондов в ткани и производится (при необходимости) корректировка данных измерений кинетики замедленной флуоресценции.

Реализация способа оптической диагностики патологий в биологических тканях с одновременным контролем концентрации триплетных состояний молекул зондов непосредственно в процессе измерения кинетики затухания замедленной флуоресценции приведена в следующем примере.

Измерения проводились in vitro в тканях здоровых и больных раком молочной железы мышей линии BYRB и раком желудка крыс линии Wistar. Образцы тканей окрашивались ксантеновыми красителями (молекулярными зондами, фотосенсибилизаторами) - эритрозином, эозином или бенгальским розовым и подвергались облучению серией лазерных импульсов с плотностью мощности 0,5 МВт/см2 и длительностью импульса 15 нс. Импульсы следовали через равные промежутки времени в 200 мс. Обычно в серии было от 5 до 7 импульсов. После каждого импульса измерялись кинетические кривые замедленной флуоресценции (λmax=570 нм) и фосфоресценции (λmax=680 нм).

На фиг. 1а приведены кинетические кривые ЗФ, а на фиг. 1б кинетические кривые фосфоресценции эритрозина, измеренные после первого (линия 1) и седьмого (линия 2) импульсов возбуждения. Видно, что после седьмого импульса наблюдается заметное тушение СТА ЗФ, что свидетельствует о наличии патологии в исследуемом образце ткани.

Для контроля концентрации триплетных состояний молекулярных зондов осуществляли измерение кинетики фосфоресценции. На фиг. 1б видно, что интенсивность фосфоресценции фотосенсибилизатора (эритрозина) при выбранном режиме облучения во временном интервале 0-15 мкс не изменяется, что свидетельствует об отсутствии фотохимической деградации красителя.

На фиг. 2 представлены кинетические кривые замедленной флуоресценции и фосфоресценции красителя бенгальского розового в злокачественной опухоли ткани желудка крысы линии Wistar. На фиг. 2а видно, что имеет место сильное тушение ЗФ бенгальского розового. Это свидетельствует о возможном наличии в исследуемой ткани патологии.

Однако измерения кинетики фосфоресценции красителя показывают, что от импульса к импульсу происходит уменьшение интенсивности фосфоресценции. На фиг. 2б приведены кинетические кривые после 1-го и после 7-го импульсов. Этот результат указывает на то, что имеет место фотохимическая деградация фотосенсибилизатора, которая также приводит к уменьшению интенсивности ЗФ бенгальского розового.

В данном случае, для корректной диагностики наличия патологии в исследуемой ткани, следует скорректировать кинетическую кривую ЗФ путем учета фотохимических процессов. Результаты процедуры корректировки показаны на фиг. 3. Здесь приведена гистограмма сравнительных изменений интенсивности замедленной флуоресценции и фосфоресценции бенгальского розового, внедренного в ткани желудка больной и здоровой крысы линии Wistar при импульсно-периодическом возбуждении с частотой 5 Гц (гистограмма построена по площади под кинетическими кривыми, регистрируемыми после каждого импульса во временном интервале 0-15 мкс). По оси абсцисс отложен порядковый номер возбуждающего импульса.

Ряд 1 - интегральная интенсивность ЗФ бенгальского розового в ткани здоровой крысы (небольшое уменьшение интенсивности ЗФ обусловлено фотохимической деградацией красителя);

Ряд 2 - интегральная интенсивность ЗФ бенгальского розового в ткани больной крысы (без учета фотохимической деградации красителя);

Ряд 3 - интенсивность СТА ЗФ бенгальского розового в ткани больной крысы с учетом фотохимической деградации красителя.

Из фиг. 3 видно, что к седьмому импульсу интенсивность сигналов СТА ЗФ (Ряд 3) красителя, внедренного в испытуемую ткань желудка, уменьшается на 60%, что надежно и достоверно свидетельствует о наличии в ней патологии.

Способ оптической диагностики злокачественных опухолей в тканях in vitro, включающий введение в ткань фотосенсибилизатора и воздействие на ткань импульсно-периодическим лазерным излучением, отличающийся тем, что лазерное воздействие осуществляют серией импульсов с плотностью мощности 0,5 МВт/см2 и длительностью импульса 15 нс, затем во временном интервале 1-15 мкс после каждого импульса облучения одновременно измеряют интенсивность замедленной флуоресценции и фосфоресценции фотосенсибилизатора, и при снижении интенсивности фосфоресценции, свидетельствующем о снижении концентрации триплетных состояний фотосенсибилизатора, осуществляют корректировку показаний интенсивности замедленной флуоресценции после каждого возбуждающего импульса путем добавления величины разностного интегрального сигнала фосфоресценции к интегральному сигналу замедленной флуоресценции, наличие опухоли в ткани диагностируют при снижении скорректированного показателя интенсивности замедленной флуоресценции на 60% к седьмому лазерному импульсу.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к приборам для качественного и количественного анализа нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). В устройстве использован метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) в реальном времени.

Изобретение относится к биомедицине, а более конкретно к устройствам для спектрально-флуоресцентного исследования содержания экзогенных флуорохромов (в частности, флуоресцирующих препаратов, например фотосенсибилизаторов) в биоткани, в частности в органах и тканях экспериментальных животных при исследованиях фармакокинетики и биораспределения.

Изобретение относится к биомедицине, а более конкретно к устройствам для спектрально-флуоресцентного исследования содержания экзогенных флуорохромов (в частности, флуоресцирующих препаратов, например фотосенсибилизаторов) в биоткани, в частности в органах и тканях экспериментальных животных при исследованиях фармакокинетики и биораспределения.

Изобретение относится к получению новых люминесцентных кислород-чувствительных материалов, которые могут быть использованы в качестве сенсоров на кислород. Предложен способ получения люминесцентного кислород-чувствительного материала с использованием полимерной матрицы - фторопласта-32Л и кластерного комплекса молибдена состава А2[{Mo6I8}L6], где А - ((C4H9)4N)+, (C12H25(CH3)3N)+, ((C18H37)2(CH3)2N)+, L - -NO3, -OSO2C6H4CH3.

Изобретение относится к получению новых люминесцентных кислород-чувствительных материалов, которые могут быть использованы в качестве сенсоров на кислород. Предложен способ получения люминесцентного кислород-чувствительного материала с использованием полимерной матрицы - фторопласта-32Л и кластерного комплекса молибдена состава А2[{Mo6I8}L6], где А - ((C4H9)4N)+, (C12H25(CH3)3N)+, ((C18H37)2(CH3)2N)+, L - -NO3, -OSO2C6H4CH3.

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения параметров ограненного драгоценного камня. Устройство состоит из комплекта источников излучения, каждый из которых сконфигурирован для испускания оптического излучения на отдельных длинах или в интервалах длин волн таким образом, чтобы испускаемое излучение облучало, по меньшей мере, часть измерительной позиции.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа и устройства для определения концентрации флуоресцирующего вещества в среде. Способ включает в себя просвечивание среды с флуоресцирующим веществом возбуждающим излучением с длиной волны возбуждения флуоресценции, измерение интенсивности флуоресцентного излучения, измерение интенсивности прошедшей через среду составляющей возбуждающего излучения.

Изобретение относится к области анализа ДНК, последовательности нуклеотидов, а также может быть использовано для целей распознавания структуры любых макромолекул и агломератов с использованием флуоресцирующих или фосфоресцирующих маркеров (или праймеров) - так называемого скрининга.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к способам тестирования эффективности регуляторов роста растений с помощью оптических характеристик, поскольку количество метаболитов, образующихся в процессе прорастания семян, характеризует степень их прорастания.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к способам тестирования эффективности регуляторов роста растений с помощью оптических характеристик, поскольку количество метаболитов, образующихся в процессе прорастания семян, характеризует степень их прорастания.
Изобретение относится к области медицины, а именно к неврологии, травматологии, физиотерапии и ортопедии, и может быть использовано для терапевтического воздействия на секвестрированную грыжу диска позвоночника.

Изобретение относится к медицине, а именно к гинекологии, и может быть использовано для комплексного лечения крауроза и/или лейкоплакии вульвы. Лечение проводят в два этапа.
Изобретение относится к медицине и может быть использовано в лазерной терапии при надвенном лазерном облучении крови. Измеряют интенсивность лазерного излучения и при помощи средств локального фотометрического измерения интенсивность отраженного лазерного излучения.

Изобретение относится к медицине, а именно к онкологии, и может быть использовано для лечения метастатического рака у пациентов. Для этого предварительно у пациента определяют процентное содержание Т-цитотоксических лимфоцитов субпопуляции CD8 периферической крови с рецепторами программированной клеточной смерти (PD-1) по отношению к общему числу лимфоцитов указанной субпопуляции (содержание PD-1-позитивных Т-лимфоцитов).

Группа изобретений относится к области медицины, а именно к офтальмологии. Для лечения парамакулярной меланомы хориоидеи (MX) грибовидной формы проводят ее эндовитреальное удаление (эндорезекции) с минимальными анатомо-функциональными повреждениями сетчатки с помощью офтальмологической эндоскопической системы.
Изобретение относится к медицине, а именно к терапевтической стоматологии и физиотерапии, и может быть использовано для лечения или профилактики хронической механической травмы слизистой оболочки рта у пациентов с сахарным диабетом инсулинозависимого типа.
Изобретение относится к медицине, а именно к гнойной и торакальной хирургии, фтизиатрии, и может быть использовано для лечения эмпиемы плевры. Для этого проводят эвакуацию гнойного плеврального содержимого и санацию полости растворами антисептиков.

Изобретение относится к медицине, в частности к хирургии, и может быть использовано для комплексного лечения пролежней у пациентов с длительной иммобилизацией. Осуществляют комплексное воздействие на пролежни, включающее ежедневную хирургическую обработку язвы совместно с лазерным воздействием.
Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии. После Nd:YAG лазерного витреолизиса определяют среднее значение светочувствительности сетчатки при помощи микропериметрии в режиме «EXPERT ЕХАМ» методом 4-2 и подсчитывают среднее количество точек фиксации взора в минуту в течение 4 минут за пределами 2° от фовеолярной точки фиксации на приборе MAIA, Centervue, Италия.

Изобретение относится к профилактической и восстановительной медицине и может быть использовано для оздоровления человека. Для этого в два этапа выполняют курс оздоровления.
Изобретение относится к области медицины, а именно к неврологии, травматологии, физиотерапии и ортопедии, и может быть использовано для терапевтического воздействия на секвестрированную грыжу диска позвоночника.

Изобретение относится к медицине, в частности к онкологии, и может быть использовано для диагностики возникновения злокачественных опухолей в тканях in vitro. Вводят в ткань фотосенсибилизатор. Воздействуют на ткань лазерным излучением серией импульсов с плотностью мощности 0,5 МВтсм2 и длительностью импульса 15 нс. Во временном интервале 1-15 мкс после каждого импульса облучения одновременно измеряют интенсивность замедленной флуоресценции и фосфоресценции фотосенсибилизатора. При снижении интенсивности фосфоресценции, свидетельствующем о снижении концентрации триплетных состояний фотосенсибилизатора, осуществляют корректировку показаний интенсивности замедленной флуоресценции после каждого возбуждающего импульса. Корректировку осуществляют путем добавления величины разностного интегрального сигнала фосфоресценции к интегральному сигналу замедленной флуоресценции. Наличие опухоли в ткани диагностируют при снижении скорректированного показателя интенсивности замедленной флуоресценции на 60 к седьмому лазерному импульсу. Способ обеспечивает повышение точности и достоверности диагностики онкологических патологий в биологических тканях за счет обнаружения тушения замедленной флуоресценции молекулярных зондов в тканях при их импульсно-периодическом возбуждении путем контроля изменения концентрации молекул зондов в триплетных состояниях непосредственно в процессе измерения кинетики затухания замедленной флуоресценции. 3 ил.

Наверх