СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ

СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
КОНЦЕНТРАЦИИ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ
ТЕТРАПИРРОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА
ГЛАЗНОМ ДНЕ
Модель Сергей Семенович
Лаборатория лазерной биоспектроскопии,
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН,
Москва, Россия
E-mail: [email protected]
Web: www.nsc.gpi.ru/lbs.html, www.biospec.ru
Лаборатория лазерной
биоспектроскопии ИОФРАН
Направление работ:
• исследование оптических
свойств биологических тканей;
• разработка оборудования для
флуоресцентной диагностики и
фотодинамической терапии
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
• разработка новых методов
диагностики и терапии;
В современной офтальмологии существует ряд заболеваний, лечение которых
затруднительно. Одним из таких заболеваний является сенильная макулодистрофия (СМД) с
неоваскуляризацией, оказывающая разрушительное действие на центральное зрение.
Вероятность потери зрения при СНМ колеблется значительно и зависит от стадии
заболевания, возраста, расы, пола.
В настоящее время существуют многочисленные оптические (гиперокуляры,
телескопические очки, оптико-телевизионные методы увеличения изображения, комбинация
очки-контактные
линзы),
консервативные
(медикаментозная
терапия), хирургические (удаление субретинальных мембран, транслокация сетчатки)
и лазерные методы лечения данной тяжелой группы пациентов, что свидетельствует об
отсутствии единого подхода к терапии заболевания.
Несколько лет назад единственным доступным методом лечения, который довольно
спорно можно было назвать успешным, и который применялся у небольшого числа больных,
была лазерная коагуляция сетчатки (ЛКС).
В связи с недостатками лазерной коагуляции в настоящее время наиболее успешным
методом
воздействия
на
СМД
с
субфовеальной
неоваскуляризацией,
является фотодинамическая терапия (ФДТ). ФДТ является значительно более безопасной,
чем ЛКС, так как используемые уровни энергии для ФДТ значительно ниже.
Таким образом, разработка аппаратуры для проведения ФД и ФДТ является
актуальным направлением в современной медицинской инженерии. В процессе создания
таких систем приходится преодолевать ряд трудностей.
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Введение
Ткани глаза человека являются многокомпонентной структурой. Поэтому
необходимо учитывать характер их взаимодействия с излучением разного спектрального
состава.
Даже такая прозрачная ткань, как роговица глаза человека, рассеивает свет,
поэтому полное и аксиальное (коллимированное) пропускания не являются идентичными.
Благодаря слабому рассеянию пики поглощения воды хорошо видны на 300, 980, 1180,
1450, 1900 и 2940 нм, они обеспечивают малое пропускание через роговицу в УФ и ИК
спектральных областях.
В видимой области нормальный хрусталик менее прозрачен, чем роговица,
поскольку в дополнение к рассеянию важным является поглощение различными
хромофорами, включая 3-гидрокси-L-кинуренин-O-β-глюкозид и возрастной белок
(ответственный за пожелтение хрусталика с возрастом человека).
Склера является малопрозрачной тканью за счет сильного рассеяния света на
структурных элементах (полидисперсной системе упакованных нерегулярных коллагеновых
цилиндров, внедренных в основное вещество с меньшим показателем преломления).
Для эффективной терапии и диагностики заболеваний глазного дна спектры поглощения и
флуоресценции фотохимических агентов (фотосенсибилизаторов (ФС)) должны быть
согласованы с соответствующими спектрами хромофоров и флуорофоров в тканях глаза.
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Взаимодействие излучения с
тканями глаза
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Спектры поглощения основных хромофоров и
флуорофоров, а также спектр поглощения ФС
«Фотосенс»
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Спектры флуоресценции основных
флуорофоров, а также ФС «Фотосенс»
Для повышения оперативности в данной работе представлена следующая методика.
Для получения точной количественной информации о концентрации фотосенсибилизатора
в определенных точках биоткани осуществляется ряд точечных замеров конфокальным
микроспектрофлуориметрическим
методом.
Концентрационная
карта
строиться
посредством освещения равномерной лазерной подсветкой всего операционного поля и
съемки на высокочувствительную камеру флуоресцентного отклика ткани в
соответсвующем спектральном диапазоне.
Метод
конфокальной
микроспектрофлуориметрии
позволяет
получать
количественную информацию о концентрации фотосенсибилизатора в малом,
локализоанном объеме биоткани. Как было показано выше, точная информация о
положении диагносцирующего пятна для тканей глаза очень важна вследствие ее сложного
состава.
В данном проекте разработана система, позволяющая проводить оперативный
контроль
пространственного
распределения
концентрации
фотосенсибилизатора
«Фотосенс» на глазном дне.
Препарат «Фотосенс», разработанный ФГУП «ГНЦ «НИОПИК», предназначен для
проведения ФД и ФДТ, в том числе и в офтальмологии. Этот препарат выгодно отличается
от других ФС тем, что диагностику и терапию можно проводить в рамках одной процедуры,
что существенно сокращает время лечения. Традиционно ФД и ФДТ проводились с
различными ФС. Из-за этого возникала необходимость ждать, пока выведется один
фотохимический агент, прежде чем вводить другой.
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Методы получения количественной
информации
Фантомные среды
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
В качестве фантомной среды для построения калибровочных кривых использовался
раствор «Фотосенса» в интралипиде 1% (Fresenius Kabi Austria (Австрия)). Использованные
концентрации: 10-5 г/л, 5*10-5 г/л, 10-4 г/л 5*10-4 г/л, 10-3 г/л, 5*10-3 г/л.
Структурно-функциональная
схема системы
Система анализа концентрации фотосенсибилизатора на глазном дне базируется на щелевой
лампе XCEL 250 (Reichert, США) с лазерным адаптером для проведения ФД и ФДТ и системой
визуализации глазного дна. Структурно-функциональная схема комплекса представлена ниже.
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Для получения количественной информации о концентрации ФС в системе визуализации
выделен дополнительный измерительный канал (прерывистые линии).
СПЕКТРОМЕТР
Излучение флуоресценции подается на спектрометр ЛЭСА-2 (ЗАО «БИОСПЕК»). С
помощью программного обеспечения данного спектрометра вычисляется интегральная
мощность в диапазоне флуоресценции в относительных единицах. Для того, чтобы данные
измерения были корректны, необходимо построить калибровочные кривые в тех же
относительных единицах. Таким образом, калибровочные кривые строятся с
использованием комплекса операционно-диагностического оборудования, только ткани
глаза заменены фантомными средами.
ВИДЕОАНАЛИЗАТОР
Для анализа спектрально-разрешенных видеоизображений использовалась
монохромная камера Видеоскан 415-USB (НПО «Видеоскан»), позволяющая программно
задавать время экспозиции и усиление сигнала. Перед камерой был установлен
интерференционный фильтр, подавляющий возбуждающее лазерное излучение, а также
широкополосное излучение щелевой лампы, пропускающий флуоресцентное излучение в
красной и ближней инфракрасной области оптического спектра.
Для сопоставления видеосигнала и результатов спектроскопических измерений
видеокадры, содержащие изображение фантомных сред с различной концентрацией
исследуемого фотосенсибилизатора, сохранялись в формате DAT.
Для определения оптимальных характеристик приема осуществлялся анализ
видеокадров, полученных при различных временах экспозиции и значении усиления.
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Оборудование
Алгоритм расчета глубины
проникновения
Глубина проникновения света в ткань может быть рассчитана с помощью
следующего выражения:
1

,
3  a  ( a   s `)
где μa - суммарный коэффициент поглощения, μs`- транспортный коэффициент среды. Для
сетчатки он равен 230 см-1.
Коэффициент поглощения «Фотосесна» варьирует в зависимости от его
концентрации от 0,24 см-1 до 120 см-1. Зная диапазон изменения концентраций фантомных
сред (от 10-5 г/дм3 до 5∙10-3 г/дм3) вычислим коэффициент пропорциональности:
 aft 
a
C
 24  103
дм3 1
см
.
г
 (С ) 
1
3   aft  С  (  aft  С   s `)
Где χaft=24*103 см-1*дм3/г, μs` =230 см-1.
,
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Вводим зависимость от концентрации ФС, теперь формула для расчета глубины
проникновения излучения в ткань глазного дна выглядит так:
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Калибровочные кривые
Для построения калибровочных кривых производились замеры мощности
флуоресценции для различных концентраций «Фотосенса» в фантомной среде.
Калибровочная кривая, полученная методом микроспектрофлуориметрии, позволяет
определять концентрацию фотосенсибилизатора «Фотосенс» в диапазоне от 10-5 г/л до
5*10-3 г/л. Для повышения точности калибровочной кривой необходимо провести более
подробные измерения. Точность определения концентрации данным методом составляет
10-5 г/л.
При анализе спектрально-разрешенных видеокадров происходит съемка всего
операционного поля. С каждого пикселя матрицы снимается информация о мощности
флуоресценции от малого объема биоткани. Чувствительность и точность этого метода
ниже, чем у метода микроспектрофолуометрии, так как на каждый пиксель попадает часть
излучения от других областей биоткани, а также из ее глубины. Точность определения
концентрации ФС этим методом примерно на порядок ниже, чем методом
микроспектрофлуориметрии и составляет 10-4 г/л.
Оптимально использовать метод анализа спектрально-разрешенных видеокадров
для получения общей картины распределения фотосенсибилизатора на глазном дне, а с
помощью метода микроспектрофлуориметрии производить уточненные измерения на
границах локализации новообразований.
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Результаты
Заключение
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Разработана система анализа пространственного распределения концентрации
фотосенсибилизатора «Фотосенс» на глазном дне, которая позволяет контролировать
процесс
накопления
ФС
в
пораженных
и
здоровых
тканях.
Комбинация
микроспектрофлуориметрического метода, реализованного в одном из приемных каналов
системы, с анализом спектрально-разрешенных видеокадров, реализованным в другом
канале, обеспечивает возможность прецизионного определения границ пораженной
области и исследования взаимодействия ФС с биотканью на молекулярном уровне. Для
обоих методов построены калибровочные кривые на основании экспериментов с
фантомными средами. Зная концентрацию ФС в каждой конкретной точке операционного
поля, можно определить глубину проникновения излучения в биоткань по предложенному
алгоритму. Система проста в эксплуатации и может быть использована в повседневной
врачебной практике для ускорения диагностики и повышения безопасности лечения.
Работы выполнены в рамках гранта РФФИ
«Исследование взаимодействия лазерного и
широкополосного излучения с тканями глазного
дна в условиях гипоксии»
www.nsc.gpi.ru/lbs.html
Оборудование выпускается на
производственной базе ЗАО «БИОСПЕК».