В настоящее время в медицине разрабатывается много новых технологий для лечения злокачественных образований. Одной из таких технологий является фотодинамическая терапия [1]. Суть данного метода заключается во введении в опухоль специального фоточувствительного вещества (фотосенсибилизатора), которое увеличивает поглощение опухолевыми клетками электромагнитного излучения определенного диапазона. Последующее облучение опухоли излучением приводит к появлению в опухоли фотохимической реакции, в результате которой опухолевые клетки разрушаются. Эффективность данного лечения напрямую зависит от интенсивности фотохимической реакции, которая возникает вследствие взаимодействия фотосенсибилизатора и электромагнитного излучения. В настоящее время не существует метода, который бы позволял контролировать качество этой операции, поэтому до сих пор в медицинской практике к фотодинамической терапии относятся настороженно, а некоторые считают эту операцию неэффективной. Все эти опасения и сомнения вполне обоснованы, так как ключевым моментом фотодинамической терапии является накопление фотосенсибилизатора опухолью в достаточной концентрации для запуска фотохимической реакции: чем больше концентрация сенсибилизатора, тем интенсивнее фотохимическая реакция, тем эффективнее разрушение опухоли. Но метода или прибора для контроля концентрации сенсибилизатора в опухоли в процессе проведения операции до сих пор не создано. Поэтому нельзя объективно определить, какие опухоли в достаточном количестве накапливают сенсибилизатор, какое время требуется для накопления сенсибилизатора в опухоли, как быстро сенсибилизатор выводится из опухоли и т. п.
В настоящей работе для решения этих вопросов предлагается использовать спектрометрический метод. Спектрометрические методы являются неинвазивными (то есть не разрушают исследуемый объект), быстрыми (позволяют мгновенно оценить изменения в исследуемом объекте) и очень чувствительными (изменения в состоянии объекта приводят к изменению спектра излучения).
Целью проекта является освоение спектрометрических методов для исследования поглотительных способностей биологических тканей по отраженному излучению.
Для достижения цели были поставлены задачи: изучить принцип работы со спектрометром Avaspec-2048, а также принципы обработки приборного спектра; создать экспериментальную установку для измерения спектра отраженного излучения от биологических тканей; провести апробацию установки на простейших фантомах биологических тканей.
Объект исследования: биологические ткани.
Предмет исследования: спектр диффузного отраженного излучения.
Актуальность: спектрометрические методы позволяют в «режиме реального времени» неинвазивно контролировать эффективность лечения раковых заболеваний с помощью лазерного излучения.
Методы исследования: анализ информационных источников, эксперимент.
Практическая значимость работы: полученный метод может быть использован для оценки эффективности процедур фотодинамической терапии для лечения рака.
Спектрометрические методы основаны на регистрации электромагнитного излучения, отраженного или прошедшего сквозь объект. Распределение отраженного и прошедшего излучения сильно зависит от внутренней структуры объекта. Следовательно, знание характеристик этого излучения позволяет получить информацию о внутренней структуре объекта. В настоящее время спектрометрия получила широкое распространение в медицине для диагностики заболеваний и оценки эффективности методик лечения.
Фотодинамическая терапия (ФДТ) — один из современных методов лечения злокачественных заболеваний. Это нехирургический метод лечения опухолей, основанный на селективном накоплении светопоглощающих препаратов (фотосенсибилизаторов) в опухолевой ткани, способных вызывать фотохимические реакции в биологических тканях после облучения светом определенном длины волны.
Применение фотосенсибилизатора (ФС) является ключевым элементом при проведении фотодинамической терапии рака. Фотосенсибилизатор представляет собой химическое вещество, обладающее рядом отличительных свойств. Во-первых, после введения в организм человека эта субстанция в большей степени локализуется в раковых клетках. Во-вторых, при воздействии на сенсибилизированные раковые клетки излучением определенной длины волны запускается цепочка химических реакций, выходом которой является гибель раковых клеток. Однако заранее точно не известно, когда именно ФС заданной концентрации накопится в опухоли, так как в этом случае весомую роль играют химико-биологические процессы организма. Поэтому очень важным моментом для успешного проведения операции является мониторинг содержания фотосенсибилизатора в раковой опухоли, что эффективно решается методами спектрального анализа вещества.
Фотодинамическая терапия выгодно отличается от других методов лечения своей избирательностью воздействия, отсутствием тяжелых последствий и осложнений, возможностью многократного повторения процедуры лечения.
Основной принцип спектрометрических методов заключается в измерении характеристик излучения, прошедшего через объект или отразившегося от него, с последующей обработкой этих данных и получением информации о внутренней структуре объекта. В результате работы спектрометра падающее на него излучение раскладывается в спектр, то есть наблюдается зависимость определенной характеристики излучения от длины волны.
Следовательно, по особенностям распределения прошедшего и диффузно отраженного излучения можно получить необходимую информацию. В частности, следует ожидать, что введение фотосенсибилизатора, увеличивающего поглотительную способность биологической ткани, скажется на спектре этого излучения: чем больше поглощение, тем меньше интенсивность диффузно отраженного и прошедшего излучения.
В ходе работы была создана экспериментальная установка для исследования зависимости спектров диффузно отраженного излучения.
Для исследования возможности применения спектра диффузно отраженного излучения для динамики накопления фотосенсибилизатора эксперимент проводился в два этапа.
На первом этапе отрабатывалась методика измерений на подобном фотосенсибилизатору веществе. В качестве этого вещества был выбран раствор хлореллы. Этот выбор неслучаен. В настоящее время большое практическое применение для проведения фотодинамической терапии получили фотосенсибилизаторы хлоринового ряда (Радахлорин, Фотодитазин, Фотолон [5]). Сырьем для всех этих сенсибилизаторов является хлорофилл. Хлорофилл обладает двумя пиками поглощения в синей и красной области спектрального диапазона. Но для биологических тканей синий свет является малопроникающим, поэтому, несмотря на большой пик поглощения, в медицинской практике используется активация фотосенсибилизатора красным светом. Красный пик хоть и небольшой по сравнению с синим, но красный свет глубоко проникает в биологические ткани и, следовательно, может в большем объеме опухоли вызывать фотохимические реакции.
С увеличением содержания воды, следовательно, уменьшением концентрации поглотителя (фотосенсибилизатора), увеличивается вероятность рассеяния излучения и, как следствие, увеличивается доля диффузно отраженного излучения.
Следующий этап эксперимента заключался в исследовании спектра реального сенсибилизатора. В качестве сенсибилизатора в работе использовался «Фотолон» (РУП «Белмедпрепараты», Республика Беларусь).
В ходе работы обратили внимание на то, что спектры по интенсивности значительно отличаются. В соединении с белком Фотолон активно поглощает, поэтому это существенно влияет на спектр прохождения. В спирте пик сдвигается в «красную» область спектра, так называемый «red shifting» эффект.
В работе представлены спектры диффузно отраженного излучения Фотолона разной концентрации, растворенного в воде. Точно вычислить изменение концентрации не удалось из-за нехватки чувствительности электронных весов. Но даже качественное сравнение графиков показывает высокую чувствительность диффузно отраженного излучения к изменению концентрации сенсибилизатора.
В результате выполнения настоящей работы освоен спектрометрический метод исследования тканеподобных структур и принципы обработки спектра. Создана экспериментальная установка для измерения спектра отраженного излучения биологических тканей. Исследованы спектры излучения для хлорофилл содержащих веществ: хлореллы и фотосенсибилизатора «Фотолон». Получена динамика изменения спектра отраженного излучения. Показано, что спектрометрические методы очень чувствительны даже к малым изменениям концентрации поглотителя излучения. Следовательно, полученный метод может быть использован для оценки эффективности процедур фотодинамической терапии в лечении злокачественных образований.
Литература:
1. Privalov V. A., Lappa A. V., Seliverstov O. V., Faizrakhmanov A. B., Yarovoy N. N., Kochneva E. V., Evnevich M. V., Anikina A. S., Reshetnicov A. V., Zalevsky I. D., Kemov Y. V. “Clinical Trials of a New Chlorin Photosensitizer for Photodynamic Therapy of Malignant Tumors”, In: Optical methods for Tumor Treatment and Detection: Mechanisms and Techniques in Photodynamic Therapy XI, T. J. Dougherty, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4612, pp.178–189, 2002.
2. Тучин, В. В. Оптика биологических тканей. Методы рассеяния света в медицинской диагностике: пер. с англ. / В. В. Тучин. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. — 811 с.
3. Паллиативная фотодинамическая терапия в онкологии [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://medica24.ru/zdorovyj-obraz-zhizni/meditsinskij-spravochnik/palliativnaya-fotodinamicheskaya-terapiya-v-onkologii.
4. Оптическая спектроскопия [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://present5.com/opticheskaya-spektroskopiya-solnechnyj-spektr-s-nizkoj-dispersiej/.
5. Решетников, А. В. Фотосенсибилизаторы в современной клинической практике (обзор).[Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://milon.ru/index.phtml?tid=198.
6. Процесс фотосинтеза в листьях растений [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://libtime.ru/agro/process-fotosinteza-v-listyax-rastenij.html.
