Физиотерапевтический лазерный ударно-волновой способ лечения живого организма от опухолевых и инфекционных заболеваний

Физиотерапевтический лазерный ударно-волновой способ лечения живого организма от опухолевых и инфекционных заболеваний

Реферат

Изобретение относится к области медицины, а именно к технике ударно-волновой терапии при опухолевых и инфекционных заболеваниях, и предназначено для подавления жизни и роста клеток злокачественных опухолей, а также болезнетворных бактерий их уничтожением в установленных диагностическими методами органах пациента.

Освобождение живого организма (пациента) от злокачественных опухолей и болезнетворных бактерий сопряжено с высокоинтенсивными формами лечения путем физического (радикального хирургического) и химического (интенсивная химиотерапия) воздействия на пациента, что обусловлено стремлением с наибольшей вероятностью уничтожать клетки опухоли и болезнетворные бактерии. Таким образом, снижается риск возобновления развития опухолевой ткани или ликвидируются бактерии или вирусы (бактерии, вирусы как причина инфекционного заболевания) с излечением от того или иного заболевания. Интенсивные формы лечения приводят к негативным для организма человека последствиям и, соответственно, к неудовлетворительному или тяжелому состоянию пациента в период реабилитации. Путем осуществления различного рода технических мероприятий предпринимаются попытки достижения повышенной вероятности уничтожения злокачественных клеток и болезнетворных бактерий или вирусов при минимальном уровне сопровождающих вредных побочных явлений в организме.

Известен способ лечения злокачественных опухолей, включающий термическое разрушение структуры вещества крови посредством ударных волн с последующим образованием тромбов в кровеносных сосудах злокачественной опухоли путем диссипации энергии ударной волны в ткани организма с ее нагревом, вследствие чего прекращается питание клеток опухоли и происходит их гибель [патент США №4905672, 06.03.1990].

Однако указанный способ лечения человека от злокачественных опухолей ударными волнами основан только на преобразовании энергии ударных волн в тепло по механизму вязкости (когда энергия направленного движения молекул вещества в результате рассеяния их импульса частично трансформируется в энергию хаотического движения частиц газовой среды организма и вызывает термическое воздействие на его ткани) и представляется малоэффективным, поскольку не позволяет достигнуть гарантированной высокой вероятности уничтожения клеток опухоли. При этом остается неосуществленной возможность реализации ударными волнами дополнительных деструктивных эффектов, связанных с воздействием типа диссоциации и изменением структуры молекул ДНК хромосом клеток (мутации).

Известен также способ уничтожения клеток злокачественных опухолей сфокусированной ударной волной [патент Германии №3921808, 17.01.1991 г. (прототип)], включающий воздействие на ткань опухоли (в которой предварительно искусственным образом созданы газовые полости) ударной волны, преобразование ее энергии в тепло в момент кумуляции энергии в области фокуса, выход ударной волны на свободную поверхность конденсированной и газовой сред и разрыв ткани опухоли растягивающим усилием за счет формирования отраженной обратно в ткань волны с возникновением в ткани отрицательного давления с усилиями растяжения.

Данный способ приводит к образованию тромбов в кровеносных сосудах ткани опухоли и прекращению питания ее клеток, что, в совокупности с термическим воздействием, повышает вероятность гибели клеток злокачественной опухоли при наличии в ней существенной концентрации искусственных газовых полостей.

Недостатком указанного способа является невозможность осуществлять лечение с минимальным уровнем вредных побочных явлений, поскольку, образующиеся в результате механических разрушений отдельные частицы ткани могут содержать непогибшие злокачественные клетки, которые будучи перенесенными потоками крови или лимфы в другие области организма приведут с недопустимо большой вероятностью к возможному образованию метастазов. В данном способе основное внимание уделено макроскопическому проявлению действия ударных волн, производящих в тканях организма нарушение механической прочности межклеточных соединений в виде разрывов ткани.

Наиболее близким к предложенному является способ нехирургического подавления роста опухоли путем воздействия на клетки опухоли в организме сфокусированной ударной волной, сформированной путем оптического пробоя жидкости в фокусе отражающего эллипсоида, и осуществляют воздействие на опухоль этой ударной волной, сфокуситрованной в другом фокусе этого эллипсоида, совмещенном с опухолью, при этом параметры ударной волны таковы, что обеспечивается разрушение ядра клетки и подавление дальнейшего роста опухоли (WO 86/05104, опубл. 12.09.1986).

Однако разрушение ядра клетки не обязательно приводит к гибели клетки. Эксперименты авторов показали, что даже после разрушения ядра клеток клетки оставались живыми и давали через клетки в известном способе некоторое время потомство целых колоний клеток. Под разрушением ядра в известном способе следует понимать его повреждение, не приводящее с гарантией к разрушению хромосом и молекул ДНК, необходимому для прекращения жизнедеятельности клетки. Кроме того, известный способ не предназначен для лечения инфекционных заболеваний, сопровождающихся скоплением болезнетворных бактерий или вирусов.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение вероятности уничтожения клеток злокачественной опухоли, или бактерий, или вирусов при действии ударной волны за счет использования ударной волны с такими параметрами, которые обеспечивают расщепление и деформации молекул ДНК и других генов, и прекращение жизнедеятельности клеток опухоли, или бактерий, или вирусов, избегая при этом макроскопических разрывов тканей, внутренних кровоизлияний и угрозы провоцирования метастазов. При том эвакуация шлаков разрушенных клеток из организма человека может осуществляться различными способами, в том числе вследствие естественных процессов фагоцитоза.

Технический результат достигается тем, что в способе лечения живого организма от опухолевых или инфекционных заболеваний, заключающемся в том, что воздействуют на опухоль или на область органа, в которой существуют вредные бактерии или вирусы, сфокусированной ударной волной, сформированной путем оптического пробоя жидкости в фокусе отражающего эллипсоида, осуществляют воздействие на опухоль или на эту область органа этой ударной волной, сфокусированной в другом фокусе этого эллипсоида, совмещенном с опухолью или областью органа, в которой существуют вредные бактерии или вирусы, для создания оптического пробоя используют световой импульс энергией не менее 30 мДж и длительностью не более 30 нс с обеспечением расщепления и деформации на фронте ударной волны молекул ДНК и других генов с их мутацией в структурах клеток, а также прекращения жизнедеятельности клеток опухоли, или бактерий, или вирусов.

Предпочтительно воздействие сфокусированной ударной волной осуществлять путем перемещения другого фокуса эллипсоида по всему объему опухоли или по области органа, в которой существуют вредные бактерии или вирусы.

Таким образом, в предлагаемом способе уничтожение клеток злокачественных опухолей и болезнетворных бактерий сфокусированной ударной волной в локальной области, определенной каким-либо диагностическим методом, и включающем воздействие на ткань опухоли, или на бактерии, или на вирусы сильной ударной микроволны с кумуляцией энергии в области фокуса в пределах фронта волны, сопровождается деструктивным воздействием на молекулы ДНК хромосом клеток опухоли или уничтожающим воздействием на болезнетворные бактерии, исключающем в данном случае ненужное существенное преобразование энергии ударной волны в тепло. При этом осуществляют энерговклад в формирование требуемой ударной волны путем генерирования возбуждающего импульса (определяющего давление на фронте ударной волны) в технологической жидкости (вода, физиологический раствор и др.). Формируют импульс оптическим пробоем технологической жидкости.

Сущность изобретения поясняется представленной на чертеже схемой устройства, осуществляющего предложенный способ. Примером конкретного устройства 5 фокусировки ударной волны может быть усеченный металлический эллипсоид вращения с герметизацией тонкой мембраной 6 по плоскости сечения и заполнением внутренней полости технологической жидкостью (водой). В фокусе 1 эллипсоида осуществляется оптический пробой воды 11, формирование сферической ударной волны 12 в жидкости, отражение которой от внутренней поверхности эллипсоида 1 порождает поток ударных волн, сходящихся в области его второго мнимого фокуса 2, совмещаемого с областью 3 опухолевой ткани или скопления болезнетворных бактерий или вирусов. Световой поток 7, поставляемый по волокнам оптического кабеля 9 с оболочкой 8, поступает от лазера 13 с регулируемой выходной энергией импульса света непосредственно на фокусирующую линзу 10, с помощью которой в ее фокусе 1, совпадающем с фокусом эллипсоида вращения, осуществляется оптический пробой воды с энергией и длительностью импульса лазера, достаточными для формирования ударной волны в воде необходимой интенсивности и длительности (ориентировочно, при диаметре оптического кабеля не более 3 мм, энергии светового импульса 30 мДж и более, длительностью не более 30 нс).

Волокно оптического кабеля 9 и его оболочка 8 в конструктивном отношении представляют фокусирующий конус - конусообразный единичный волоконный световод либо жгут, изготовленный из спеченных вместе конических световодов (фокон). Материалом оптического волокна 9 является высокопрозрачный диэлектрик с показателем преломления большим, чем у оболочки 8. Главное назначение фокона - повышение концентрации света в оптической системе и обеспечение надежного пропускания лазерного импульса без механического разрушения им волоконного световода. Использование либо единичного световода, либо жгута световодов определяется биофизическими характеристиками объекта, к которому применяется предлагаемый способ лечения. Также может использоваться обычный цилиндрический волоконный световод или жгут из таких световодов.

В исходном положении устройство 5 фокусировки посредством своей герметизирующей мембраны 6 находится в контакте с внешней поверхностью организма пациента 4 таким образом, чтобы совместить мнимый фокус 2 эллипсоида вращения с опухолевой тканью и (или) областью органа, где существуют вредные бактерии или вирусы, как показано на фиг.1, либо в контакте с поверхностями внутренних органов путем размещения устройства 5 внутри организма при внедрении в него через естественные полости или при проникновении одним из хирургических способов. В любом варианте контакта устройство 5 устанавливается так, чтобы расстояние между фокусом 1 оптического пробоя технологической жидкости 77 и фокусом 2 кумуляции энергии сходящейся ударной волны соответствовало заданной конструктивной величине, а сам фокус 2 был бы размещен внутри области 3 опухолевой ткани области органа, где существуют вредные бактерии или вирусы.

Предлагаемый способ лечения живого организма от опухолевых или инфекционных заболеваний осуществляется следующим образом.

При подаче светового импульса от лазера 13 по оптическому волокну через фокусирующую линзу 10 в технологическую жидкость 77 фокусирующего устройства 5 в его фокусе 7 возникает оптический пробой жидкости, формирующий импульс сферической ударной волны высокого давления и малой длительности. После отражения сферической расходящейся ударной волны 12 от внутренней поверхности эллипсоида вращения фокусирующего устройства 5 сферическая расходящаяся ударная волна преобразуется в сходящуюся в фокусе 2 ударную волну высокого давления и малой длительности, в результате чего в области 3 опухолевой ткани или болезнетворных бактерий происходит уничтожение ткани, или бактерий, или вирусов.

К величине удельной внутренней энергии во фронте ударной волны, дошедшей до опухолевой ткани или скопления бактерий или вирусов, и к длительности импульса давления Δt в фокусе 2 предъявляются определенные требования. Величина удельной внутренней энергии во фронте ударной волны должна превосходить удельную энергию связей во внутриклеточных биополимерах (молекулы ДНК, РНК, белковые молекулы хромосом клеток) в целях разрушения их структур (мутация или уничтожение живых клеток опухолевой ткани или бактерий), а время **t должно быть минимальным для ограничения возможных внутренних кровоизлияний, возникающих при длительном механическом воздействии, разрывающем кровеносные сосуды. Ширина фронта такой ударной волны должна быть существенно меньше линейных масштабов подвергаемых деструкции внутриклеточных биополимеров, причем именно в жидкой среде и ткани организма человека осуществляется такое соотношение ширины фронта (составляет несколько расстояний между молекулами среды) и размеров биологических молекул, при котором происходит их механическое дробление путем последовательного отделения одной части молекулы от другой ударноволновым скальпелем субмолекулярного масштаба. Приведенная ниже характеристика физических свойств тканей организма человека указывает на принципиальную и техническую осуществимость указанных требований.

Известно, что молекулярную основу организма составляют макромолекулы и молекулярные комплексы (нуклеиновые кислоты, белки и др.), которые образуют молекулярные агрегаты (клеточные структуры), причем наиболее сильные ковалентные связи (порядка 1 эВ на молекулу) в этих молекулярных структурах не участвуют. Целостность структур макромолекул обеспечивается относительно слабыми водородными связями (порядка 0,01-0,1 эВ на молекулу), возникающими между отдельными компонентами структур, ионными, гидрофобными взаимодействиями, а также слабыми ван-дер-ваальсовскими силами. Физиологическую среду, образованную такими структурами и находящуюся в нормальных условиях, можно охарактеризовать как конденсированное жидкое состояние вещества, которому соответствует близкое к единице отношение значений средней энергии взаимодействия молекул к их средней кинетической энергии. При этом тепловое движение макромолекул определяется структурой среды и носит промежуточную форму между тепловым движением в газах и твердых телах.

Структура любого конденсированного жидкого вещества, включая и вещество организма человека, имеет ближний порядок - для всех молекул, в среднем, число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаково. Движение молекул в таких условиях представляет собой нерегулярные колебания, амплитуда которых определяется «свободным объемом», предоставленным соседями. Центр колебаний определяется флуктуирующим полем соседних молекул и смещается вместе с ними, поэтому положения равновесия молекул в жидкости временны, неустойчивы: молекулы в жидкости перемещаются путем совершения скачков с преодолением потенциального барьера, разделяющего два возможных положения частицы. При подводе энергии активации, необходимой для изменения равновесных положений молекул, они, преодолевая потенциальный барьер, разделяющий два возможных их состояния, совершают скачкообразные изменения в своих состояниях. Центр тяжести молекул всегда смещается на малые расстояния порядка размеров самих молекул (≥10^-8 см). Время г свободной жизни молекулы во временном положении равновесия между двумя активированными скачками зависит от природы жидкости и ее состояния и для жидкости с низкой вязкостью составляет τ˜10^-11 с и растет с ростом вязкости, достигая часов и даже суток (у стекол).

Под действием развиваемой в жидкости переменной силы с длительностью, меньшей τ, обычные свойства жидкости резко меняются: вместо текучести проявляется в основном ее свойство упругости (сжимаемости). При этом возникают упругие сдвиговые деформации в жидкости. Действие значительных по величине сил в течение промежутка времени меньшего τ приводит к тому, что в жидкости возникают разломы и трещины. Осуществление в масштабах внутриклеточных биополимеров деструктивного воздействия такого качества также положено в основу предлагаемого способа. При этом продукты разрушений являются объектами, подвергаемыми процессам фагоцитоза.

В соответствии с изложенным представлением о реакции жидкости на силовое воздействие [Крокстон К. Физика жидкого состояния, пер. с англ., М., 1978] в предлагаемом способе деструктивное действие переменной силы с длительностью меньшей τ осуществляется действием силы в пределах фронта ударной волны. В предложенном способе гибель клеток опухоли или болезнетворных бактерий обеспечивается осуществлением во внутриклеточной среде (в масштабах структур нуклеиновых кислот, белков, жиров и других внутриклеточных биологических полимеров) разрушительного действия ударной волны, а именно механическим разрушением клеток опухолевой ткани или болезнетворных бактерий или вирусов, в том числе структур их субклеточных макромолекул.

Считая критерием разрушения субклеточных молекул превышение энергией активации молекулы энергии ее водородных связей (≥0,1 эВ), можно показать, что интенсивность ударной волны при оптическом пробое технологической жидкости, как скачок давления на ее фронте, должна составлять не менее Δр≥2·10¹⁰ Па, что приблизительно соответствует 200 тыс. атмосфер и указанным ранее параметрам лазерного импульса (Q=30 мДж, Δt=30 нс). При мощности в импульсе P=Q/Δt=30·10^-3 Дж/30·10^-9c=10⁶ Bm=1 МВт и при удельной энергии, приходящейся на одну молекулу с их концентрацией в жидкости n≈10²⁸ м^-3, и с учетом соотношения между единицами 1 Дж=1,6·10¹⁹ эВ, давлению в 1 Па соответствует энергия 4,8·10^-12 эВ/ молекула, а давлению Δр=2·10¹⁰Па отвечает энергия 2·10¹⁰·4,8·10^-12=9,6·10^-2≅10^-1 эВ/молекула, совпадающая с энергией водородных связей в биологических молекулах и, следовательно, достаточная для разрушения структур клеток опухолевых тканей, болезнетворных бактерий и вирусов.

Что касается длительности действия импульса скоростного напора, следующего за фронтом ударной волны и приводящего к смещению одних частей ткани относительно других с возникающей в результате такого смещения вероятностью повреждений капилляров и других мелких сосудов, то эта длительность имеет порядок и более длительности импульса лазера. Если скорость ускоренной ударной волной массы ткани (1,5 км/с) составляет приблизительно половину скорости ее фронта, составляющей в воде около 3 км/с, то капилляры диаметром около 20 мкм и менее могут быть разрушены импульсом скоростного напора ударной волны за время 30 нс при сдвиге капилляров на расстояние их диаметров. С уменьшением длительности импульса лазера уменьшается также вероятность повреждения этих и более мелких сосудов.

Длительность силового взаимодействия на фронте ударной волны, распространяющегося с указанной выше фазовой скоростью, с субклеточными структурами, имеющими линейный масштаб порядка нескольких десятков нанометров (например, 30 нм), составляет 10^-11 с, что соответствует предельному значению критерия τ. Из этого следует с учетом приведенных выше оценок энергетических параметров взаимодействия описываемых объектов, что указанные параметры пробоя технологической среды (энергия светового импульса 30 мДж с длительностью 30 нс) являются начальными, необходимыми условиями для осуществления предлагаемого способа лечения. Осуществление более высокого энерговклада в возбуждение ударной волны за более короткое время, что в настоящее время может быть технически достижимым при использовании современных лазерных устройств, оставляет возможность дальнейшего повышения качества лечения. При этом повышается вероятность уничтожения злокачественных клеток и соответственно достигается требуемая степень удовлетворительности лечения, а также практическое снижение возможности повреждений даже самых мелких кровеносных сосудов и соответственно полное исключение кровоизлияний.

Необходимо подчеркнуть, поскольку различные ткани организма человека имеют качественное сходство приведенных выше физических характеристик, то все разновидности опухолевых и очаговых бактериальных поражений организма могут быть подвержены предлагаемому способу лечения.

Таким образом, в предложенном техническом способе для осуществления уничтожения клеток злокачественных опухолей, вредных бактерий или вирусов используется воздействие на внутриклеточную среду фактора разрушения молекул клеток на фронте ударной волны с одновременным предупреждением разрыва мелких сосудов (внутреннее кровоизлияние). Указанное деструктивное воздействие приводит к нарушению протекания в клетках опухоли, вредных бактерий или вирусов биохимических реакций и, в конечном итоге, к прекращению обеспечения метаболизма, подвижности и деления их клеток. Это вызывает гибель клеток и в целом разрушение опухоли или очага бактериального или вирусного поражения. Распространением деструктивного действия ударной волны путем перемещения фокуса 2 по всему объему опухоли или области существования вредных бактерий или вирусов 3 и согласованием цикличности повторения этих процедур с интенсивностью процессов фагоцитоза достигается уничтожение злокачественной опухоли и болезнетворных бактерий с эвакуацией шлаков разрушенных и уничтоженных клеток злокачественной опухоли, вредных бактерий или вирусов.

1. Способ лечения живого организма от опухолевых или инфекционных заболеваний, заключающийся в том, что воздействуют на опухоль или на область органа, в которой существуют болезнетворные бактерии или вирусы, сфокусированной ударной волной, сформированной путем оптического пробоя жидкости в фокусе отражающего эллипсоида, и осуществляют воздействие на опухоль или на область органа, в которой существуют болезнетворные бактерии или вирусы, этой ударной волной, сфокусированной в другом фокусе этого эллипсоида, совмещенном с опухолью или указанной областью органа, причем для оптического пробоя используют световой импульс энергией не менее 30 мДж и длительностью не более 30 нс с обеспечением расщепления и деформации на фронте ударной волны молекул ДНК и других генов с их мутацией в структурах клеток, а также с прекращением жизнедеятельности клеток опухоли, или бактерий, или вирусов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие сфокусированной ударной волной осуществляют путем перемещения другого фокуса эллипсоида по всему объему опухоли или области органа, в котором существуют вредные бактерии или вирусы.