Фототерапия и бактерицидное действие света

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебнометодической работе
________________Е.Г. Елина
"__" ________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
ФОТОТЕРАПИЯ И БАКТЕРИЦИДНОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011 г.
Фототерапия и бактерицидное действие света
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Фототерапия и бактерицидное действие
света»
являются: расширение и углубление знаний студентов по вопросам действия
света на биологические системы; изучение фундаментальных основ
фотобиологических процессов, механизма фотосенсибилизированных
реакций в биологических системах и разработанных на их основе методов
фотодинамической терапии, а также явлений, лежащих в основе
бактерицидного действия света;
освоение студентами основных навыков работы с биологическими
препаратами, лазерными источниками излучения и современным
спектральным оборудованием высокого класса, и постановки эксперимента
по изучению действия света на биосистемы
2.Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина «Фототерапия и бактерицидное действие света» к
профессиональному циклу М2, вариативной части М2ДВ2, читается в 3
семестре. Форма итоговой аттестации — зачет.
Изучение дисциплины «Фототерапия и бактерицидное действие света»
дополняется дисциплинами «Биофизика клеточных процессов» и
«Биофизические основы фототерапии». На лабораторных занятиях
необходимо применять знания, полученные при изучении дисциплин:
«Качественный и количественный спектральный анализ биообъектов»,
«Лазеры и волоконно-оптические системы в биофизическом эксперименте».
При изучении дисциплины «Фототерапия и бактерицидное действие света»
студенты должны иметь теоретическую подготовку: по разделам и темам
основных дисциплин «Оптика» и «Атомная физика» базовой
(общепрофессиональной) части профессионального цикла; по специальным
курсам: «Фотобиофизика», «Введение в биофизику сложных систем»,
«Введение в оптическую биофизику», «Введение в биофизическую химию»,
«Основы физиологии клетки и организма», «Основы биохимии и биофизики
метаболизма». Студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с
учебными пособиями и монографической литературой, в том числе на
английском языке, уметь создавать презентации в редакторе Microsoft Office
PowerPoint.
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и навыки
могут быть непосредственно использованы обучаемым при выполнении
аттестационной работы магистра и в последующей профессиональной
деятельности.
2
Фототерапия и бактерицидное действие света
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины «Фототерапия и бактерицидное действие света»:
В результате освоения дисциплины «Фототерапия и бактерицидное действие
света» должны формироваться в определенной части следующие
компетенции:
общекультурные:
способность демонстрировать углубленные знания в области математики и
естественных наук (ОК-1);
способность самостоятельно приобретать с помощью информационных
технологий и использовать в практической деятельности новые знания и
умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных
со сферой деятельности, расширять и углублять своё научное мировоззрение
(ОК-З);
профессиональные:
способность использовать знания современных проблем физики, новейших
достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности (ПК-2);
способность самостоятельно ставить конкретные задачи научных
исследований в области физики (в соответствии с профилем магистерской
программы) и решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования,
информационных технологий с использованием новейшего отечественного и
зарубежного опыта (ПК-З).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать: основные физико-химические механизмы действия света на
биологические системы разных уровней организации.
•Уметь: применить интегральный подход к анализу фотобиологических
эффектов на разных уровнях их проявлений; объяснять результаты
фотобиологических экспериментов.
•Владеть: навыками безопасной работы с научной аппаратурой, в том числе
источниками красного и инфракрасного излучения, при постановке
фотобиологических экспериментов.
4. Структура и содержание дисциплины
«Фототерапия и бактерицидное действие света»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы 72 часа,
включая 12 часов лекций, 12 часов практических занятий и 48 часов на
самостоятельную работу.
3
Фототерапия и бактерицидное действие света
4.1. Структура дисциплины
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
Раздел
дисциплины
Семестр
Неделя
семестра
Виды учебной работы,
включая
самостоятельную работу
студентов и трудоемкость
(в часах)
3
1
Л(2)
ПР
(2)
СР
(8)
3
2
Л(2)
ПР
(2)
СР
(8)
Отчет по ПР
3
3
Л(2)
4
Л(2)
СР
(8)
СР
(8)
Отчет по ПР
Фотобиологиче 3
ские реакции в
коже
Фотодинамиче 3
ское действие
эндогенных и
экзогенных
сенсибилизатор
ов
Современные
3
проблемы
фототерапии
Итого
ПР
(2)
ПР
(2)
5
Л(2)
ПР
(2)
СР
(8)
6
Л(2)
ПР
(2)
СР
(8)
Л
(12)
ПР
(12)
СР
(48)
Введение.
Основные
закономерност
и
фотобиологиче
ских процессов
Действие
ультрафиолето
вого света на
нуклеиновые
кислоты, белки
и липиды
Действие света
на клетки
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям
семестра)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
Отчет по ПР
Устные
выступления
Отчет по ПР
Отчет по ПР
Устные
выступления
ПР-4, УО-3
4.2. Содержание дисциплины
1. Введение. Основные закономерности фотобиологических процессов.
Основные закономерности фотохимии. Типы фотохимических реакций.
Понятие фотобиологического процесса. Изменение свойств молекул в
электронно-возбужденном состоянии. Комплексы с переносом заряда.
Спектр фотохимического действия. Первичные фотопродукты и методы их
изучения.
4
Фототерапия и бактерицидное действие света
2. Действие ультрафиолетового света на нуклеиновые кислоты, белки и
липиды. Природа и характеристика электронно-возбужденных состояний
пуриновых и пиримидиновых оснований. Миграция энергии.
Димеризация, фотогидратация и образование сшивок ДНК-белок.
Денатурация нуклеиновых кислот. Биологическое значение повреждений
нуклеиновых
кислот.
Характеристика
электронно-возбужденных
состояний белковых хромофоров. Общая характеристика фотоинактивации
белков. Миграция энергии в белках. Фотоактивация белков. Действие
ультрафиолетового света на липиды.
3. Действие света на клетки. Общая характеристика эффекта. Инактивация
фагов
и
плазмид.
Инактивация
клеток.
Ингибирование
макромолекулярных синтезов. Репарация фотоповреждений в клетке.
Мутационные и рекомбинационные процессы. Лизогения. Световые
болезни клеток. Бактерицидное действие света.
4. Фотобиологические реакции в коже. Строение, спектральные свойства
кожи.
Фотобиологические
процессы,
инициируемые
в
коже.
Фототоксические
эффекты.
Фотоаллергические
эффекты.
Фотоиммунология.
Эритема.
Пигментация.
Фотоканцерогенез.
Фотохимиотерапия (ПУФА-терапия).
5. Фотодинамическое действие эндогенных и экзогенных сенсибилизаторов.
Понятие
фотосенсибилизатора.
Кислороднезависимые
фотосенсибилизированные
реакции.
Кислородзависимые
фотосенсибилизированные реакции. Роль синглетного кислорода.
Классификация
реакций
фотосенсибилизированного
окисления.
Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия
неопухолевых заболеваний. Примеры использования различных
сенсибилизаторов.
6. Современные проблемы фототерапии. Фотодинамическая терапия
опухолей. Фотодинамическая терапия неопухолевых заболеваний.
Примеры использования различных сенсибилизаторов. Использование
низкоинтенсивных лазеров и светодиодов в фототерапии.
Практические работы
Практическая работа №1 (к разделу 4. Фотобиологические реакции в коже)
Определение индексов эритемы и пигментации кожи.
Практическая работа №2 (к разделу 5. Фотодинамическое действие
эндогенных и экзогенных сенсибилизаторов)
Фотодинамическое повреждение клеток жировой ткани.
5
Фототерапия и бактерицидное действие света
Практическая работа №3 (к разделу 5. Фотодинамическое действие
эндогенных и экзогенных сенсибилизаторов)
Фотодинамический гемолиз.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Фототерапия и бактерицидное действие
света» используются следующие виды учебных занятий: лекции,
практические занятия, консультации, самостоятельная работа.
В рамках лекционных занятий предусмотрено использование
мультимедийных средств, дискуссия и обсуждение задаваемых студентами
вопросов.
В рамках практических занятий предусмотрено выполнение
практических работ, анализ и обсуждение результатов, устный отчет и
консультации по подготовке рефератов и устных выступлений.
Самостоятельная работа включает поиск информации в библиотеке и
через Интернет для подготовки рефератов, презентаций в программе
Microsoft Office PowerPoint и устных выступлений студентов на темы,
предложенные для самостоятельного изучения.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа
студентов
должна
включать:
изучение
теоретического материала по конспектам лекций, рекомендованным учебным
пособиям и монографической литературе, справочным источникам;
самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов программы
курса, не рассмотренных на лекциях и подготовка рефератов и презентаций
для устного выступления на предложенные темы. Контроль выполнения
осуществляется на последнем занятии.
Темы рефератов:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Фототоксические и фотоаллергические эффекты.
Фотоиммунология.
Защитные реакции организма на УФ излучение.
Эндогенные и экзогенные фотосенсибилизаторы в фототерапии.
Селективный лазерный термолиз и области его применения.
Фотосенсибилизаторы нового поколения.
Световые болезни клеток.
6
Фототерапия и бактерицидное действие света
8. Летальное действие света.
9. Использование низкоинтенсивных и высокоинтенсивных лазеров и
светодиодов в медицине.
10. Общность и специфичность фотобиологических реакций.
Темы устных выступлений:
1. Нанотехнологии в фототерапии.
2. Светолечение кожных заболеваний.
3. Что такое загар? Польза и вред искусственного загара.
4. Фототоксические и фотоаллергические эффекты в организме.
5. Лазерное излучение: биологическое действие и применение.
6. Фототерапия рака.
7. Почему свет губит бактерии?
8. Свет и происхождение жизни на земле.
9. История развития фототерапии.
10. Успехи и проблемы современной фототерапии.
Учебно-методическое обеспечение для подготовки рефератов и презентаций:
1. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы
фотобиологических процессов - М.: Дрофа, 2006. - 285 с.
2. Красновский (мл) А.А. Фотодинамическое действие и синглетный
кислород // Биофизика, Т. 49, № 2, С. 305-321, 2004
3. 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
4. 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
5. Потапенко А.Я., Малахов М.В., Кягова А.А. Фотобиофизика
фурокумаринов // Биофизика, Т. 49, № 2, С. 322-338, 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. 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
7
Фототерапия и бактерицидное действие света
9. Cunliffe W.J., Goulden V. Phototherapy and acne vulgaris // Br. J. Dermatol.,
Vol. 142, P. 855-856, 2000
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
Вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины:
Основные закономерности фотохимии.
Дать понятие внутренней и интеркомбинационной конверсий.
Описать типы фотохимических реакций.
В чем состоит понятие фотобиологического процесса?
Как изменяются свойства молекул в электронно-возбужденном
состоянии?
6. Какие существуют комплексы с переносом заряда?
7. Что такое спектр фотохимического действия?
8. Дать описание первичных фотопродуктов и методов их изучения.
9. Что такое димеризация, фотогидратация и денатурация нуклеиновых
кислот?
10. Что такое таутомеризация?
11. Внутри- и межмолекулярные сшивки в ДНК.
12. Как образуются сшивки ДНК-белок?
13. Что такое фотореактивация?
14. Общая характеристика фотоинактивации белков.
15. Роль отдельных хромофоров в фотоинактивации белков.
16. Миграция энергии в белках.
17. Особенности фотоинактивации белков в составе биологических мембран.
18. Фотоактивация белков.
19. Каково действие УФ-излучения на биологические мембраны?
20. Как происходит инактивация клеток?
21. Что такое фотореактивация и фотопротекция?
22. Темновая репарация.
23. Мутационные и рекомбинационные процессы.
24. Ингибирование процессов движения и размножения клеток.
25. Какие фотобиологические процессы инициируются в коже?
26. Описать фототоксические и фотоаллергические эффекты.
27. Что понимается под термином фотоиммунология?
28. Что такое эритема? Когда она возникает?
29. Каковы причины возникновения пигментации?
30. Что такое фотоканцерогенез?
31. Дать понятие фотосенсибилизатора.
32. Описать кислороднезависимые фотосенсибилизированные реакции.
33. Описать кислородзависимые фотосенсибилизированные реакции.
1.
2.
3.
4.
5.
8
Фототерапия и бактерицидное действие света
34. В чем состоит роль синглетного кислорода?
35. Провести кинетический анализ реакций фотосенсибилизированного
окисления.
36. Дать классификацию реакций фотосенсибилизированного окисления.
37. Что такое фотодинамическое действие?
38. Описать фотодинамическую терапию опухолевых заболеваний.
39. Как используются низкоинтенсивные и высокоинтенсивные лазеры и
светодиоды в медицине?
40. Что такое фототермолиз?
7.
Учебно-методическое
и
информационное
дисциплины «Фототерапия и бактерицидное действие света»
обеспечение
а) основная литература:
1. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы
фотобиологических процессов - М.: Дрофа, 2006. - 285 с.
2. Красновский (мл) А.А. Фотодинамическое действие и синглетный
кислород // Биофизика, Т. 49, № 2, С. 305-321, 2004
3. 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
б) дополнительная литература:
1. Конев С.В., Волотовский И.Д. Фотобиология – Минск: Изд-во БГУ, 1979.
– 384 с.
2. 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
3. Потапенко А.Я., Малахов М.В., Кягова А.А. Фотобиофизика
фурокумаринов // Биофизика, Т. 49, № 2, С. 322-338, 2004
4. 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
5. Странадко Е.Ф., Иванов А.В. Современное состояние проблемы
фотодинамической терапии рака и неопухолевых заболеваний //
Биофизика, Т. 49, № 2, С. 380-383, 2004
9
Фототерапия и бактерицидное действие света
6. Хлебцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным
резонансом // Квантовая Электроника, Т. 38, № 6, С. 504-529, 2008
7. 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
scattered cancer cells with carbon nanotubes guided by time-resolved infrared
thermal imaging // J. Biomed. Opt., Vol. 14(2), 021007, 2009
8. 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
9. 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
10. 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
11. 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
12. 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
13. Cunliffe W.J., Goulden V. Phototherapy and acne vulgaris // Br. J. Dermatol.,
Vol. 142, P. 855-856, 2000
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1.
Большая
библиотека:
http://techbiblio.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=2710&Itemid=253
2.
Российское
фотобиологическое
общество
http://www.photobiology.ru/ru/groups/index.htm
3. Кафедра оптики и биофотоники. On-line библиотека. Проблемы
оптической физики и биофотоники http://optics.sgu.ru/_media/library/pop/sfm10.pdf
8.
Материально-техническое
обеспечение
«Фототерапия и бактерицидное действие света»:
дисциплины
1. Мультимедиа-проектор
2. Ноутбук
3. Спектрофотометр
10
Фототерапия и бактерицидное действие света
4. Микроскоп
5. Цифровая видеокамера
6. Твердотельный диодный лазер (808 нм)
7. He-Ne лазер (633 нм)
8. Ультрафиолетовая лампа
9. Растворы белков (альбумин, интерферон)
10. Красители (метиленовый синий, индоцианин зеленый)
11. Образцы жировой ткани животных
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю
подготовки Физика, Медицинская фотоника.
Автор: доцент кафедры оптики и биофотоники
к.ф.-м.н.
Э.А. Генина
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники СГУ
от _14 января_2011_года, протокол № _1/11_.
Подписи:
Зав. кафедрой
д.ф.-м.н. проф. В.В. Тучин
Декан факультета
(факультет, где разрабатывалась
программа)
д.ф.-м.н., проф. В.А. Аникин
Декан факультета
(факультет, где реализуется
программа)
д.ф.-м.н., проф. В.А. Аникин
11