МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по УМР
_______________ Е. Г. ЕЛИНА
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Биофизика неионизирующих излучений
Направление подготовки
Физика живых систем
Профиль подготовки
Биофизика
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Биофизика неионизирующих излучений»
является приобретение теоретических знаний об основных закономерностях
и механизмах взаимодействия электромагнитного излучения и биообъектов.
В рамках одной из основных целей ООП бакалавриата по направлению
«Физика живых систем» изучение данной дисциплины направлено на
формирование интереса к изучению современной физики и пониманию ее
важнейшей роли в развитии различных сфер человеческой деятельности.
Конкретными задачами освоения дисциплины являются: формирование
целостного и научно обоснованного взгляда на разнообразные проявления
взаимодействия электромагнитного поля с биотканями; включая понимание
влияния
частоты
электромагнитного
взаимодействия, а также
поля
на
механизмы
этого
возможность их использования для целей
медицинской диагностики и терапии;
расширение и углубление знаний
студентов по вопросам действия света на биологические системы; изучение
фундаментальных
основ
фотобиологических
процессов
и
механизма
фотодинамических и фототермических реакций в биологических системах и
разработанных на их основе методов фотомедицины.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла
(Б3ДВ1). Данный курс является основным в рамках профиля «Биофизика»
в части
изучения взаимодействия и распространения неионизирующих
излучений ( терагерцового,
различных
уровнях,
и
оптического) в живых системах на самых
базируется
на
общефизических
знаниях
и
представлениях обучаемых. Для освоения дисциплины необходимы ранее
приобретенные
знания
по
общим
дисциплинам
математического
и
2
естественнонаучного цикла (Б2), таким, как математический анализ,
аналитическая геометрия, теория функций комплексного переменного,
дифференциальные уравнения, а также профессионального цикла (Б3), таких,
как общая физика и биофизика, общий физический и биофизический
практикум.
Освоение
дисциплины
«Биофизика
неионизирующих
излучений»
необходимо как для расширения общенаучного кругозора обучающихся в
части выработки методологии и практических подходов к анализу сложных
процессов
в
окружающей
природе
и
обществе,
а
также
при
персонализированном взаимодействии с социумом.
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и навыки
могут быть непосредственно использованы обучаемым при выполнении
аттестационной работы бакалавра и в последующей профессиональной
деятельности, а
в случае продолжения образования -
для изучения
следующих дисциплин магистратуры: «Фототерапия и бактерицидное
действие
света»,
«Управление
оптическими
свойствами
биотканей»,
«Биофизические основы фототерапии», «Методы фототермической и
фотодинамической терапии».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Биофизика неионизирующих излучений»
В результате освоения данной дисциплины должны формироваться в
определенной части следующие компетенции:
общекультурные:
способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области математики и естественных
наук (ОК-1);
 способность приобретать новые знания, используя современные

образовательные и информационные технологии (ОК-3);
3

способность владеть основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы
с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);

способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности навыки работы с информацией из различных источников
(ОК-16);
общепрофессиональные:
 способность использовать базовые теоретические знания для решения
профессиональных задач (ПК-1);
 способность применять на практике базовые профессиональные
навыки (ПК-2);
 способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и
оборудование (ПК-3);
 способность использовать специализированные знания в области
физики
для
освоения
профильных
физических
дисциплин
(в
соответствии с профилем подготовки) (ПК-4);
 способность применять на практике базовые общепрофессиональные
знания теории и методов физических исследований (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-5);

способность
пользоваться
современными
методами
обработки,
анализа и синтеза биофизической информации (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-6);
 способность понимать и использовать на практике теоретические
основы организации и планирования физических исследований (ПК11);
 способность понимать и излагать получаемую информацию и
представлять результаты физических исследований (ПК-13).
4
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать на качественном уровне основные понятия и подходы в рамках
современных
представлений
оптической
биофизики,
основанных
на
методологии теории переноса излучения и волновых взаимодействий в
сложноорганизованной рассеивающей среде с поглощением, свойства
электромагнитного излучения (ЭМИ) тегагерцового диапазона, механизмы
взаимодействия ЭМИ с молекулами вещества; механизмы поглощения
энергии излучений терагерцового и оптического диапазона в биологических
объектах; структуру и свойства воды как важнейшего элемента биотканей;
характер зависимости диэлектрической проницаемости биологической ткани
от частоты; механизмы мембранного транспорта; методы СВЧ–термометрии;
основные физико-химические механизмы действия света на биологические
системы
разных
уровней
организации;
механизмы
фотосенсибили-
зированных реакций в биологических системах в присутствии и в отсутствие
кислорода; основные фотобиологические процессы, инициируемые в коже.
Уметь выделить причинно-следственные взаимосвязи в типовых
задачах оптической
описание
биофизики, предложить качественное модельное
указанных
взаимосвязей;
использовать
физическую
и
биологическую информацию о распределении ЭМИ в пространстве и
изменение во времени; анализировать механизмы взаимодействия ЭМИ с
биологическими
объектами;
делать
расчетные
оценки
воздействия
электромагнитного поля терагерцового диапазона на биоткани;применить
интегральный подход к анализу фотобиологических эффектов на разных
уровнях их проявлений; описывать и критически анализировать основные
методы фотомедицины.
Владеть техникой качественного анализа основных типов оптических
моделей, описывающих морфологию и кинетику биотканей и клеток,
5
практическими навыками по работе с научной литературой;
методами
измерения параметров электромагнитного поля терагерцового диапазона
диапазона,
экспериментальными
методами
диэлектрической
радиоспектроскопии; методами анализа фотобиологических реакций;
навыками
составления
и
анализа
кинетических
уравнений
фотобиологических реакций; навыками самостоятельной подготовки и
представления доклада на заданную тему.
4. Структура и содержание дисциплины «Биофизика неионизирующих
излучений»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 13 зачетных единиц или 250
аудиторных часов, в том числе за 5 семестр: 36 часов лекций, 36 часов
практических занятий, за 6 семестр: 32 часа лекций и 32 часа практических
занятий, за 7 семестр: 36 часов лекций и 18 часов практических занятий, и за
8 семестр — 20 часов лекций и 40 часов практических занятий. Общее
количество часов на самостоятельную работу - 164.
4.1. Структура дисциплины
№
Раздел дисциплины
п/п
Формы
текущего
контроля
Виды учебной работы,
успеваемости
включая
Сем Неделя
(по неделям
самостоятельную
естр семестра
семестра)
работу студентов и
Формы
трудоемкость (в часах)
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
Часть I. Взаимодействие терагерцового излучения с биотканями
1
Проблема воздействия 5
на
биологические
1,2,3
Л(6) П(6)
УО-1
6
2
3
4
5
объекты
электромагнитного
излучения
(ЭМИ)
различной
интенсивности и частоты
Термодинамический
подход
к
описанию
процесса взаимодействия
ЭМИ
терагерцового
диапазона
с
биологическими тканями
Резонансные
частоты
электромагнитных
колебаний
клетки
(электродинамический
расчет)
Моделирование
электродинамических
процессов,
происходящих в живой
клетке, представленной в
виде схемы замещения
Воздействия
электромагнитного
излучения
на
мембранный транспорт
веществ
5
4,5,6,7 Л(8) П(8)
УО-1
5
8,9,10
Л(6) П(6)
УО-1
5 с 11 по Л(8) П(8)
14
УО-1
5 с 15 по Л(8) П(8)
18
Итоговый
зхачет по 1
части
дисциплины
Часть II. Основы оптики биотканей
1
Глаз и зрение
6
1
Л(2) П(2)
2
Основные оптические
явления, характерные
для взаимодействия
электромагнитного
излучения светового
диапазона с
биологическими
объектами
Структурные и
оптические модели
биологических тканей и
клеток
Рассеяние света
6
2,3,4
Л(6) П(6)
3
4
6 с 5 по 8 Л(8) П(8)
6
с 9 по
Л(8) П(8)
СР(8) Проверка
выполнения
задания
СР(8) Проверка
выполнения
заданий
СР(8) Проверка
выполнения
заданий
СР(10 Проверка
7
биообъектами
12
5
Взаимодействие
когерентного света с
биообъектами
1
Взаимодействие света с
веществом.
Общая характеристика
фотохимических
реакций.
Систематика
фотобиологических
процессов и их стадий.
Фотосинтез.
Фотохимические
повреждения важнейших
биологических молекул.
Фотосенсибилизированн
ые реакции.
Фотофизика и
фотохимия зрительной
рецепции.
Биохемилюминесценция.
выполнения
заданий
СР(10 Итоговый
) экзамен по
первым 2
частям
дисциплины
)
6 с 13 по Л(8) П(8)
16
Часть III. Фотобиология
2
3
4
5
6
7
8
7
1-4
Л(6)
7
4-5
Л(4)
7
5-8
Л(6)
7
7
9-10
10-12
Л(4)
Л(4)
7
12-14
Л(4)
7
15-16
Л(4)
7
16-18
Л(4)
ПР
(4)
СР(7) УО-1
СР(7) УО-1
ПР
(4)
ПР
(2)
ПР
(4)
СР(7) УО-1
СР(7) УО-1
СР(7) УО-1
СР(7) УО-1
СР(7) УО-1
ПР
(4)
СР(7) Зачет по
разделу
дисциплины
Часть IV. Основы фотомедицины
1
2
3
4
5
Основные понятия
фотомедицины
Применение
методов
оптической биофизики в
биомедицине
Современные проблемы
фототерапии
Диагностические методы
в фотомедицине
Фототерапевтические и
хирургические
технологии
8
1,2
Л(4) ПР(8)
8
3,4
Л(4) ПР(8)
8
5
Л(2) ПР(4)
8
6,7,8
8
9,10
Л(6)
ПР
(12)
Л(4) ПР(8)
СР УО-1
(12)
СР УО-1
(12)
СР
(15)
СР
(12)
СР
(15)
УО-1
УО-1
Итоговый
экзамен по
дисциплине
4.2. Содержание дисциплины
8
Часть I. Взаимодействие терагерцового излучения с биотканями
Вводные замечания:
Шкала электромагнитных волн с точки зрения биофизических эффектов,
возникающих в организме при взаимодействии излучения с живыми
объектами
Задачи и проблемы биофизики неионизирующего оптического излучения
1. Проблема воздействия на биологические объекты электромагнитного
излучения (ЭМИ) различной интенсивности и частоты
1.1. Шкала электромагнитных волн с точки зрения биофизических эффектов,
возникающих в организме при взаимодействии излучения с живыми
объектами. Характеристика терагерцового диапазона электромагнитных
волн.
1.2.
Особенности
и
основные
закономерности
воздействия
ЭМИ
терагерцового диапазона на биологические объекты
1.3. Электрические и магнитные свойства тканей биологических объектов
1.4. Подходы к построению модели воздействия СВЧ и КВЧ излучения
различной интенсивности на биологические объекты
2. Термодинамический подход к описанию процесса взаимодействия
ЭМИ терагерцового диапазона с биологическими тканями
2.1. Особенности термодинамического анализа
2.2. Взаимодействие терагерцового излучения с биологическими объектами с
точки зрения термодинамики
3.
Резонансные
частоты
электромагнитных
колебаний
клетки
(электродинамический расчет)
3.1. Н колебания сферического резонатора
3.2. Е колебания в сферическом резонаторе
9
3.3. Алгоритм расчета резонансных частот
3.4. Резонансные частоты мембраны
4. Моделирование электродинамических процессов, происходящих в
живой клетке, представленной в виде схемы замещения
4.1. Эквивалентные схемы замещения клетки
4.2. Определение области резонансных частот клетки
5. Воздействия электромагнитного излучения на мембранный транспорт
веществ
5.1. Изменение транспорта ионов через мембрану (электродиффузионная
теория)
5.2. Дискретный способ описания пассивного транспорта веществ через
мембраны
Часть II. Основы оптики биотканей
1. Глаз и зрение
1.1.
Строение глаза как оптической системы и как пример одного из
объектов изучения в рамках оптической биофизики
1.2.
Строение биотканей глаза. Роговица, склера, хрусталик,
стекловидное тело и др.
1.3.
Механизм зрения
1.4.
Функции различных органов глаза и наиболее часто встречающиеся
патологии
2. Основные оптические явления, наблюдаемые при взаимодействии
электромагнитного излучения с биологическими объектами
2.1.
Особенности оптического диапазона
2.2.
Элементы квантовой биофизики
2.3.
Поглощение света биосистемами
2.4.
Спектры поглощения
10
2.5.
Переход световой энергии в тепловую энергию при поглощении
света в биообъектах
2.6.
Первый фотобиологический закон
2.7.
Спектры фотобиологического действия
2.8.
Люминесценция, флуоресценция и фосфоресценция
2.9.
Фотосенсибилизированые фотобиологические процессы
2.10. Фотодинамическая и фотохимическая реакции
3. Структурные и оптические модели биологических тканей и клеток
3.1.
Строение ядерных и безъядерных клеток
3.2.
Клетки крови
3.3.
Строение эпителиальной и соединительной тканей
3.4.
Типичные размеры, форма и функции органелл, мембран и волокон
3.5.
Показатель преломления сухих и гидратированных компонентов
3.6.
Простейшие оптические модели биологических структур
3.7.
Вода, белки, пигменты
4. Рассеяние света биообъектами
4.1.
Упругое рассеяние, квазиупругое рассеяние, эффект Доплера
4.2.
Строение кожи и объяснение цвета кожи
4.3.
Элементы оптической диффузионной спектроскопии и томографии
4.4.
Эффекты рассеяния света и поляризации
5. Взаимодействие когерентного света с биообъектами
5.1.
Свойства когерентного излучения
5.2.
Лазеры
5.3.
Дифракция и интерференция света в живых объектах
5.4.
Формирование спеклов
11
Часть III. Фотобиология (7 семестр, 36- лекции, 18 - практика )
1.
Взаимодействие света с веществом. Характеристики светового
излучения (длина волны, частота, волновое число, энергия кванта и одного
моля фотонов, поток излучения, плотность потока (интенсивность),
энергетическая
облученность,
энергетическая
экспозиция).
Взаимодействие света с объектом. Коэффициенты отражения, поглощения,
пропускания. Закон Бугера – Ламберта – Бэра. Молярный коэффициент
поглощения. Причины отклонений от закона Б. - Л. – Б. Спектры
пропускания и спектры поглощения. Связь спектров поглощения с
химическим строением молекул биологически важных веществ.
Комплексы с переносом заряда. Молекулярный механизм поглощения
света. Внутримолекулярные фотофизические процессы. Энергетическая
диаграмма. Синглетные и триплетные состояния. Излучательные и
безызлучательные переходы. Люминесценция. Флуоресценция и
фосфоресценция. Спектры люминесценции. Законы люминесценции.
Квантовый и энергетический выход, время жизни возбужденного
состояния. Статическое и динамическое тушение флуоресценции.
Применение люминесцентных методов в биофизике.
2.
Общая характеристика фотохимических реакций. Фотохимический
этап фотобиологического процесса. Изменение свойств молекул в
электронно-возбужденном
состоянии.
Основные
закономерности
фотохимии. (Закон Гротгуса-Дрейпера. Правило взаимозаместимости
Бунзена-Роско. Закон фотохимической кинетики Вант-Гоффа. Закон
квантовой
эквивалентности
Эйнштейна.)
Квантовый
выход
фотохимической реакции. Спектр фотохимического действия. Типы
фотохимических реакций, протекающих в биологических объектах
(фотораспад, фотоперегруппировка, фотоприсоединение, фотоперенос
электрона, фотоперенос иона водорода). Первичные фотопродукты и
методы их изучения.
3.
Систематика фотобиологических процессов и их стадий.
Систематизация фотобиологических процессов с энергетической и
биологической точек зрения. Стадии фотобиологических реакций. Спектр
действия
(фотобиологический),
эффективность
света.
Сенсибилизированная флуоресценция, синглет-синглетный перенос
энергии электронного возбуждения (электронное индуктивно-резонансное
взаимодействие молекул). Условия переноса, правила Ферстера. Методы
исследования миграции энергии. Триплет-триплетный перенос энергии
электронного
возбуждения
(электронное
обменно-резонансное
взаимодействие молекул). Использование индуктивно-резонансного
переноса энергии в биофизических измерениях.
12
4.
Фотосинтез. Схема первичных процессов фотосинтеза. Строение
фотосинтетического аппарата зеленых растений. Миграция энергии.
Фотосистема
I
и
фотосистема
II,
транспорт
электронов.
Фотофосфорилирование. Эффективность запасания энергии в световой
стадии. Представление о цикле Кальвина. Особенности фотосинтеза у
бактерий.
5.
Фотохимические
повреждения
важнейших
биологических
молекул. Действие УФ излучения на нуклеиновые кислоты
(фотодимеризация тиминовых оснований, фотогидратация, сшивка ДНКбелок, однонитевые разрывы). Восстановление при фотохимическом
повреждении. Фотоинактивация ферментов, роль отдельных хромофоров;
фотохимические превращения в аминокислотах и белках. Действие УФ
излучения на липиды, цепное свободнорадикальное окисление
мембранных липидов.
6.
Фотосенсибилизированные реакции.
Систематика фотосенсибилизированных реакций. Реакции, не нуждающиеся
в кислороде( фотоприсоединение псоралена к ДНК). Фотодинамические
процессы, структура фотодинамических красителей. Фотодинамические
реакции с участием синглетного кислорода. Кинетический анализ реакций
фотосенсибилизированного окисления.
7.
Фотофизика и фотохимия зрительной рецепции. Устойство глаза.
Глаз как оптический прибор. Строение палочек и колбочек. Зрительные
пигменты, цветовое зрение, родопсин. Цис-транс-фотоизомеризация
ретиналя., фотопревращения родопсина. Реализация фотопревращений
родопсина в рецепторный сигнал. Фотоповреждения глаз.
8.
Биохемилюминесценция. Механизм хемилюминесцентных реакций в
растворах. Свойства возбужденных продуктов химических реакций.
Хемилюминесценция и «активный кислород». Хе6милюминесценция при
перикисном
окислении
липидов.
Аналитическое
применение
биохемилюминесценции.
Часть IV. Основы фотомедицины )
Основные понятия фотомедицины.
Что такое фотомедицина. Исторический экскурс.
Применение методов оптической биофизики в биомедицине
Методы оптической биомедицинской диагностики – оптическая биопсия и
томография
13
Методы
лазерной
и
фототерапии
–
фотодинамическая
терапия,
фототермическая терапия и низкоинтенсивная лазерная терапия
Лазерная абляция биотканей и лазерная хирургия клеток
Современные проблемы фототерапии.
Современные проблемы фототерапии.
Фотосенсибилизаторы нового
поколения.
Диагностические методы в фотомедицине
Прижизненная цитометрия
Измерители скорости кровотока и лимфотока
Оптические оксиметры
Измерение содержания глюкозы в крови и тканях
Диагностика рака
Биосенсоры и маркеры
Фототерапевтические и хирургические технологии
Фотодинамическая терапия (ФДТ) рака и воспалительных заболеваний
Бактерицидные эффекты света
Фотохимиотерапия псориаза
Селективный фототермолиз
Фракционное лазерное воздействие
Фотосенсибилизированное оптическое воздействие на ткани и клетки
Фототепловое лечение рака
Лазерная абляция, сверление, сваривание, моделирование ткани
Медицинские
системы,
эндоскопические,
ПУФА
терапии,
ФДТ,
применяемые в дерматологии и стоматологии
Применения в косметологии, лечение угревой сыпи, удаление волос,
омоложение кожи.
14
5. Образовательные технологии
При реализации данной дисциплины
учебных
занятий:
самостоятельная
лекции,
работа
используются следующие виды
консультации,
студента.
В
лабораторные
рамках
работы
лекционных
и
занятий
предусмотрено использование мультимедийных средств, а также широкое
применение
активных форм учебного процесса: разбор конкретных
ситуаций, оценка результатов применения отдельных моделей, обсуждение
данных литературных источников.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные
средства
для
текущего
контроля
успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Наполнение объема часов самостоятельной работы предусмотрено в виде:
- выполнения рефератов
- изучения теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной
литературе;
- изучения теоретического материала по методическим руководствам к
лабораторным работа по дисциплине;
- выполнения комплекса экспериментальных, расчетных и графических
заданий по разделам дисциплины в процессе выполнения лабораторных
работ по дисциплине.
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по
изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения
этой работы предусмотрен на экзамене по данной дисциплине;
15
- изучение ряда вопросов теоретического материала по методическим
руководствам к лабораторным работам по дисциплине на практических
лабораторных занятиях.
Темы рефератов:
1. Оптические свойства крови
2. Строение эпителиальной ткани и ее оптические свойства
3. Цвет в живой природе
4. Вода и ее роль в живых организмах
5. Лазерная хирургия живой клетки
6. Фототоксические и фотоаллергические эффекты.
7. Фотоиммунология.
8. Использование низкоинтенсивных и высокоинтенсивных лазеров и
светодиодов в медицине.
9. Эндогенные и экзогенные фотосенсибилизаторы в фототерапии.
10.Селективный лазерный термолиз и области его применения.
11.Фотосенсибилизаторы нового поколения.
12.Успехи и проблемы современной фотомедицины.
13.История развития фотомедицины
Темы устных выступлений:
1. Нанотехнологии в фотомедицине.
2. Светолечение кожных заболеваний.
3. Что такое загар? Польза и вред искусственного загара.
4. Фототоксические и фотоаллергические эффекты в организме.
5. Защитные реакции организма на УФ излучение.
6. Фототерапия рака.
7. Лечение инфекционных заболеваний с помощью света.
16
8. Почему свет губит бактерии?
Список контрольных вопросов по освоению основных понятий и
положений дисциплины:
Часть I.
1. Естественные
и
искусственные
источники
электромагнитного
излучения.
2. Поляризация молекул в электрическом поле.
3. Вещество в магнитном поле.
4. Диэлектрический нагрев.
5. Зависимость диэлектрической проницаемости биологической ткани от
частоты.
6. Поглощение СВЧ–энергии в биологическом объекте.
7. Мембранный транспорт.
8. Электрическая проводимость.
9. Структура и свойства воды.
10.О резонансном поглощении микроволн.
11.Механизмы взаимодействия ЭМИ с биологическими объектами.
12.СВЧ- термометрия.
13.Метод диэлектрической радиоспектроскопии.
Часть II.
1. Сформулируйте предмет изучения оптической биофизики.
2. Опишите шкалу электромагнитных волн с точки зрения биофизических
эффектов, возникающих в организме при взаимодействии излучения с
живыми объектами.
17
3. Сформулируйте основные задачи и проблемы современной биофизики
неионизирующего излучения.
4. Опишите строение глаза как оптической системы.
5. Объясните особенности поглощения света биотканями и клетками.
6. Назовите основные молекулы-поглотители в живых системах.
7. Сформулируйте первый фотобиологический закон.
8. Что такое спектры фотобиологического действия.
9. Что собой представляют простейшие оптические модели биологических
тканей и клеток.
10. Качественно объясните цвет кожи человека.
11. Сформулируйте достоинства и недостатки оптической томографии.
12. Объясните причины формирования спеклов при отражении когерентного
света от биологических объектов.
13. Что такое оптическая биопсия.
14. Сформулируйте принципы фотодинамической терапии.
15. Сформулируйте принципы фототермической терапии.
16. Сформулируйте достоинства лазерной хирургии.
Часть III.
1. Расскажите о систематизации фотобиологических процессов с
энергетической и биологической точек зрения.
2. Перечислите характерные стадии фотобиологических процессов в
соответствии с последовательностью их протекания.
3. Расскажите о внутримолекулярных фотофизических процессах.
(Энергетическая диаграмма (диаграмма Яблоньского). Излучательные
и безызлучательные переходы. Синглетные и триплетные состояния.
Интеркомбинационная конверсия.)
4. Дайте определение юминесценции, перечислите ее основные
феноменологичексие закономерности. Дайте определение спектра
флуоресценции, спектра возбуждения флуоресценции, квантового
выхода, времени жизни возбужденного состояния.
18
5. Что такое миграция энергии электронного возбуждения? Опишите
Характерные особенности индуктивно-резонансного механизма и
обменно-резонансного механизма переноса энергии.
6. Как изменяются химические свойства молекул при возбуждении?
Приведите основные типы фотохимических реакций. Фотохимический
и фотобиологический спектр действия.
7. Опишите цис-транс-фотоизомеризацию ретиналя, фотопревращения
родопсина, возникновение рецепторных потенциалов.
8. Приведите основные формы фотоповреждения нуклеиновых кислот
ультрафиолетовым излучением. Репарация при фотохимическом
повреждении.
9. Расскажите о фотохимических аспектах УФ повреждения белков. Как
экспериментально определить квантовый выход фотоинактивации
фермента?
10.Действие ультрафиолетового излучения на мембранные липиды.
11.Приведите систематику фотосенсибилизированных реакций. Какие два
типа кислородозависимых реакций Вам известны?.
12.Сформулируйте основные закономерности фотохимии. (Закон
Гротгуса-Дрейпера. Правило взаимозаместимости Бунзена-Роско.
Закон фотохимической кинетики Вант-Гоффа. Закон квантовой
эквивалентности Эйнштейна.)
13.Сформулируйте условия условия индуктивно-резонансного переноса
энергии в форме правил Ферстера.
14.Приведите не менее трех примеров использования индуктивнорезонансного переноса энергии в биофизических измерениях.
15.На примере молекул с системой сопряженных двойных связей
проанализируйте зависимость положении максимума полосы
поглощения от размера системы.
16.Опишите систему транспорта электронов между фотосистемами II и I.
17.Приведите примеры аналитического использования
биохемилюмнесценции.
19
Часть IV.
1. Как
изменяются
свойства
молекул
в
электронно-возбужденном
состоянии?
2. Какие существуют комплексы с переносом заряда?
3. Что такое спектр фотохимического действия?
4. Дать описание первичных фотопродуктов и методов их изучения.
5. Что такое димеризация и фотогидратация?
6. Как образуются сшивки ДНК-белок?
7. Что такое фотореактивация?
8. Объяснить, как происходит УФ-повреждение белков и аминокислот.
9. Каково действие УФ-излучения на биологические мембраны?
10. Дать понятие фотосенсибилизатора.
11. Описать кислороднезависимые фотосенсибилизированные реакции.
12. Описать кислородзависимые фотосенсибилизированные реакции.
13. В чем состоит роль синглетного кислорода?
14. Провести кинетический анализ реакций фотосенсибилизированного
окисления.
15. Дать классификацию реакций фотосенсибилизированного окисления.
16. Какие фотобиологические процессы инициируются в коже?
17. Описать фототоксические и фотоаллергические эффекты.
18. Что понимается под термином фотоиммунология?
19. Что такое эритема? Когда она возникает?
20. Каковы причины возникновения пигментации?
21. Что такое фотоканцерогенез?
22. Каковы особенности проведения фотохимиотерапии (ПУФА-терапии)?
20
23. Как проводится фотодинамическая терапия опухолей?
24. В чем состоит бактерицидное действие света?
25. Описать фотодинамическую терапию неопухолевых заболеваний.
26. Как используются низкоинтенсивные и высокоинтенсивные лазеры и
светодиоды в медицине?
27. Что такое фототермолиз?
28. Привести примеры использования различных сенсибилизаторов.
29. Какие существуют фотосенсибилизаторы нового поколения.
7.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Введение в биофизику сложных систем»
а) основная литература:
Часть I.
1. Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф., Рубин А. Б. Радиационная биофизика.
Радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения
Издательство: ФИЗМАТЛИТ, 2008 г., 184 стр.
2. Рубин А.Б Биофизика. В 2-х т. 3-е изд., испр. и доп. Т. 1.
Теоретическая биофизика. Т. 2. Биофизика клеточных процессов.
Учебник. Издательство: МГУ, Наука, 2004 г., 917 с.
Часть II.
9. В.В. Тучин, Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских
исследованиях, 2-е издание, Физматлит, 2010.
21
10.Оптическая биомедицинская диагностика. T.1, 2 / Под ред. Тучина В.В.
Пер. с англ. М., Физматлит, 2007.
11.Руководство по оптической когерентной томографии / Под ред.
Гладковой Н.Д., Шаховой Н.М., Сергеева А.М. М., Физматлит,
Медицинская книга, 2007.
Часть III.
1. Журавлёв А. И., Белановский А. С., Новиков В. Э., Олешкович А. А.
Основы физики и биофизики: учеб. пособие. -2-е изд., испр. -М.:
Мир: БИНОМ. Лаб. Знаний, 2008. -383, [1] с.: рис.
2. Владимиров, Юрий Андреевич, Потапенко, Александр Яковлевич
Физико-химические основы фотобиологических процессов: учеб.
для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Дрофа, 2006. -285, [3] с.:
рис., табл.
3. Рубин, Андрей Борисович Биофизика: В 2 т.: Учеб. для студентов
биол. спец. вузов/ Андрей Борисович Рубин. - 2-е изд., испр. и доп.
Т. 2: Биофизика клеточных процессов -М.: Кн. дом "Университет",
2000. -467, [1] с.: ил.
Часть IV.
1. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы
фотобиологических процессов - М.: Дрофа, 2006. - 285 с.
б) дополнительная литература:
Часть I.
1. Рубин А.Б. Современные методы биофизических исследований
(Практикум по биофизике). Учеб. пособие для биол. спец. вузов / А. А.
22
Булычев, В. Н. Верхотуров, Б. А. Гуляев и др.; Под ред. А. Б. Рубина.
— М.: Высшая. школа„ 1988. — 359 с.
2. Девятков Н.Д. и др. Миллиметровые волны и их роль в процессе
жизнедеятельности (Н.Д. Девятков, М.Б. Голант, О.В. Бецкий.–М.:
Радио и связь, 1991. – 168 с.
3. Синицын Н.И. и др. Особая роль системы "миллиметровые волны–
водная среда" в природе. "Биомедицинская радиоэлектроника", 1998,
№ 1.
4. Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ–излучений.– М.:
Энергоатомиздат, 1987 – 143 с.
5. СВЧ–энергетика: Пер. с англ. /М.: Мир, 1971. Т.1–3.
6. Пресман А.С. Электромагнитные поля и живая природа. М.: Наука,
1968 – 288 с.
7. Киричук В.Ф., Головачева Т.В., Чиж А.Г. КВЧ–терапия. Изд-во
Саратовского медицинского университета, 1999.– 359 с.
8. Афромеев
В.И.
Субботина
Т.Н.
Яшин
А.А.
О
возможном
корреляционном механизме активации собственных электромагнитных
полей клеток организма при внешнем облучении // Миллиметровые
волны в биологии и медицине. - 1997. - № 9-10. С. 28-34.
9. Бецкий
О.В.
Девятков
Н.Д.
Механизмы
взаимодействия
электромагнитных волн с биологическими объектами. - Радиотехника.
- 1996. - Т. 41, № 9. - С. 4-11.
10.Волженин
В.Е., Зингер
Е.А., Греков Н.Д. и др. Изменения
гемодинамики малого круга и центральной гемодинамики у больных
стенокардией под действием КВЧ терапии // Миллиметровые волны в
медицине. Сборник статей. Под ред. акад. Н.Д. Девяткова и проф. О.В.
Бецкого. Том 1. - Москва, 1991. - С. 59-62.
11. Киричук В.Ф., Майбородин А.В., Волин М.В. и др. Информационное
взаимодействие
в
электромагнитных
живых
объектах,
КВЧ–колебаний
подвергнутых
на
частотах
воздействию
молекулярных
23
спектров поглощения и излучения оксида азота/12 Российский
симпозиум с международным участием "Миллиметровые волны в
медицине и биологии". Сборник докладов. - Москва, 2000. с. 91–93.
12. Прессман А.С. Электромагнитная сигнализация в живой природе. М.:
Сов. Радио, 1974. 64 с.
13. Меньшиков Л.И. Сверхизлучение и некоторые родственные явления //
Успехи физических наук. - 1999. - Т. 169, № 2. - С. 113-154.
Часть II.
1. Узденский
А.Б.
Клеточно-молекулярные
механизмы
фотодинамической терапии. Санкт-Петербург, Наука, 2010.
2. V.V. Tuchin, Dictionary of Biomedical Optics and Biophotonics, SPIE
Press, Bellingham, WA, 2011.
3. Ю.С. Скибина, В.В. Тучин, В.И. Белоглазов, Г. Штейнмаеер, Й.Л.
Бетге, Р. Веделль, Н. Лангхофф, Фотонно-кристаллические волноводы
в биомедицинских исследованиях, Квантовая электроника, Т. 41, № 45, 2011.
4. Башкатов А.Н., Генина Э.А., Долотов Л.Е., Правдин А.Б., Тучин В.В.
Общий биофизический практикум. Саратов: Изд-во Саратовского
университета, 2011.
Часть III.
1. Волькенштейн, Михаил Владимирович Биофизика: учеб. пособие. 3-е изд., стер. -СПб.; -М.; -Краснодар: Лань, 2008. -594, [14] с.: табл.,
граф.
2. Байрамов, Вадим Михайлович Основы химической кинетики и
катализа : учеб. пособие для студентов хим. фак. ун-тов -М.:
Академия, 2003.-251, [5] с.: ил., табл.
24
3. Advances in Biophotonics (NATO Science Series; Series 1. Life and
Bihavioural Sciences - Vol. 369) Amsterdam a. o.: IOS Press, 2005. X, 283, [1] p.: fig., tabl.
Часть IV.
1. Мареев О.В., Князев А.Б., Чикина Е.Э., Башкатов А.Н., Генина Э.А.,
Тучин В.В. Механизмы терапевтического действия низкоинтенсивного
лазерного излучения в сочетании с различными красителями //
Проблемы оптической физики: Материалы 8-й Международной
молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике.
Саратов, Изд-во Саратовского ун-та, C. 102-105, 2005
2. Потапенко
А.Я.,
Малахов
М.В.,
Кягова
А.А.
Фотобиофизика
фурокумаринов // Биофизика, Т. 49, № 2, С. 322-338, 2004
3. Красновский (мл) А.А. Фотодинамическое действие и синглетный
кислород // Биофизика, Т. 49, № 2, С. 305-321, 2004
4. Владимиров Ю.А., Клебанов Г.И., Борисенко Г.Г., Осипов А.Н.
Молекулярно-клеточные
механизмы
действия
низкоинтенсивного
лазерного излучения // Биофизика, Т. 49, № 2, С. 339-350, 2004
5. Соболев
А.С.,
Розенкранц
А.А.,
Гилязова
Д.Г.
Подходы
к
направленной внутриклеточной доставке фотосенсибилизаторов для
увеличения их эффективности и придания клеточной специфичности //
Биофизика, Т. 49, № 2, С. 351-379, 2004
6. Странадко Е.Ф., Иванов А.В. Современное состояние проблемы
фотодинамической терапии рака и неопухолевых заболеваний //
Биофизика, Т. 49, № 2, С. 380-383, 2004
7. Хлебцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным
резонансом // Квантовая Электроника, Т. 38, № 6, С. 504-529, 2008
8. Biris A.S., Boldor D., Palmer J., Monroe W.T., Mahmood M., Dervishi E.,
Xu Y., Li Z., Galanzha E.I., Zharov V.P. Nanophotothermolysis of multiple
25
scattered cancer cells with carbon nanotubes guided by time-resolved
infrared thermal imaging // J. Biomed. Opt., Vol. 14(2), 021007, 2009
9. Huang X., Qian W., El-Sayed I.H., El-Sayed M.A. The potential use of the
enhanced nonlinear properties of gold nanospheres in photothermal cancer
therapy // Lasers Surg. Med., Vol. 39, P. 747-753, 2007
10.Ion R.-M., Brezoi D.-V. A study of the photodynamic therapy of
photosensitizer-coated magnetic nanoparticles // J. Optoelectronics and
Advanced Materials, Vol. 9(4), P. 936-939, 2007
11.Kah J.C.Y., Wan R.C.Y., Wong K.Y., Mhaisalkar S., Sheppard C.J.R.,
Olivo M. Combinatorial treatment of photothermal therapy using gold
nanoshells with conventional photodynamic therapy to improve treatment
efficacy: an in vitro study // Lasers Surg. Med., Vol. 40, P. 584-589, 2008
12.Pustovalov V.K., Babenko V.A. Optical properties of gold nanoparticles at
laser radiation wavelengths for laser applications in nanotechnology and
medicine // Laser Physics Letters, Vol. 1(10), P. 516-520, 2004
13.Yu H.-S., Wu C.-S., Yu C.-L., Kao Y.-H., Chiou M.-H. Helium-Neon laser
irradiation stimulates migration and proliferation in melanocytes and induces
repigmentation in segmental-type vitiligo // J. Invest. Dermatol., Vol. 120, P.
56-64, 2003
14.Cunliffe W.J., Goulden V. Phototherapy and acne vulgaris // Br. J.
Dermatol., Vol. 142, P. 855-856, 2000
в) Интернет-ресурсы
http://optics.sgu.ru/library/education/
1. Большая библиотека:
http://tech-biblio.ru/index.php option=com_content&task=view&id=2710&Itemid=253
2.
Российское
фотобиологическое
общество
http://www.photobiology.ru/ru/groups/index.htm
26
3.
Кафедра
оптики
и
биофотоники.
On-line
библиотека.
http://optics.sgu.ru/library/education/ Проблемы оптической физики и биофотоники
http://optics.sgu.ru/_media/library/pop/sfm-10.pdf
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Введение в оптическую биофизику»
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет.
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО по
направлению Физика живых систем и ООП по профилю подготовки
Биофизика.
Авторы:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
В.В. Тучин
доцент кафедры оптики и биофотоники,
к.ф.–м.н., доцент
В.Н. Шевцов
доцент кафедры оптики и биофотоники,
к.ф.–м.н., доцент
А.А. Никитин
доцент кафедры оптики и биофотоники
к.ф.-м.н.
доцент кафедры оптики и биофотоники
к.х.н.
Э.А. Генина
А.Б. Правдин
27
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от __20 мая 2011__года, протокол № _____6/11_____.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
28