Способ повышения концентрации молекулярного кислорода в дерме кожной ткани

Способ повышения концентрации молекулярного кислорода в дерме кожной ткани

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к неинвазивному получению кислорода в слое дермы путем фотодиссоциации оксигемоглобина крови под действием света заданного спектрального состава. Он может быть использован при лечении патологий приповерхностных участков кожи и, в частности, при низкоинтенсивной лазерной и фотодинамической терапии.

Известно [1], что при облучении кожной ткани светом с частотой ν (или длиной волны λ=c/ν, где с - скорость света в среде) происходит фотодиссоциация оксигемоглобина HbO₂, который распадается на деоксигемоглобин Hb и молекулярный кислород O₂

Этот механизм используют для повышения уровня О₂ в кожных тканях с целью устранению гипоксии (недостатка кислорода), стимулирования аэробного (связанного с потреблением кислорода) обмена веществ в клетках и достижения соответствующих терапевтических эффектов.

Известен способ повышения концентрации молекулярного кислорода (оксигенации) в биоткани, заключающийся в том, что одновременно проводят гипербарическую оксигенацию (ГБО) и низкоинтенсивное лазерное облучение на длине волны от 600 до 1000 нм и тем самым неинвазивно воздействуют через кожу на зону, в которой необходимо повысить концентрацию кислорода [2].

Недостатком этого способа является сложность из-за необходимости сочетать ГБО и облучение, а также невозможность повысить концентрацию кислорода в заданном месте биоткани, где имеется патологический участок, т.к. процесс ГБО включает оксигенации всего организма в целом. Для реализации метода ГБО требуется громоздкое стационарное оборудование. Кроме того, он обуславливает высокий риск кислородной токсемии (отравление крови токсинами бактерий) как результат длительного воздействия О₂ на организм при повышенном давлении.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ [3] неинвазивной генерации молекулярного кислорода в толще дермы, заключающийся в облучении поверхности кожи светом с λ=632.8 нм и одновременном локальном (в месте облучения) повышении температуры ткани примерно до 42°С. Недостатком данного способа является малое число образующихся молекул O₂ из-за использования света с λ=632.8 нм.

Задачей настоящего изобретения является увеличение числа образуемых молекул кислорода в толще дермы кожной ткани.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе неинвазивной генерации молекулярного кислорода в дерме кожной ткани, основанном на фотодиссоциации оксигемоглобина крови при облучении поверхности кожи световым пучком, облучение световым пучком осуществляют на длине волны 575±5 нм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображено отношение R интегральных эффективностей фогодиссоциации (ИЭФ) при монохроматическом облучении поверхности кожи на длинах волн 575 и 632.8 нм при C_V=0.04 (сплошная кривая) и C_V=0.08 (штриховая) в зависимости от объемной концентрации меланина f_m в эпидермисе. Символы соответствуют аналогичному отношению R* при облучении в спектральных интервалах 575±5 нм и 632.8±5 нм при C_V=0.04.

На фиг.2 показаны значения R при монохроматическом облучении поверхности кожи на длинах волн 575 и 418 нм (кривые 1), 575 и 585 нм (2) при C_V=0.04 (сплошные кривые) и C_V=0.08 (штриховые) в зависимости от объемной концентрации меланина. Символы соответствуют аналогичному отношению R* при облучении в спектральном интервале 575±5 нм, 418±5 нм и 585±5 нм при C_V=0.04.

Введем понятие интегральной эффективности фотодиссоциации ИЭФ, под которой понимается количество молекул кислорода N, образующихся в единицу времени во всей толще дермы единичной площади, при падении единичной плотности мощности монохроматического света на поверхность

Здесь

µ_а(λ) - спектральная зависимость показателя поглощения оксигемоглобина (1/см);

H - гематокрит (объемная концентрация эритроцитов в крови);

ƒ - объемная доля гемоглобина в эритроцитах;

S - степень оксигенации крови (отношение количества оксигемоглобина к полному гемоглобину);

q - квантовый выход фотодиссоциации (при освещении в видимом диапазоне спектра (λ≅300-650 нм), он примерно постоянен и составляет 3-5% в зависимости от температуры и других факторов [4]);

z₀ - координата верхней границы дермы;

C_v - объемная концентрация капилляров крови (доля единичного объема ткани, занятая капиллярами);

z - глубина в дерме, отсчитываемая от поверхности кожи;

E(z, λ) плотность излучения в биоткани, (Вт/см²), где I(λ,z,Ω) - интенсивность света как функция угловых координат ϑ и ϕ, dΩ=sin(ϑ)dϑdφ - элементарный телесный угол;

h=6.63·10^-34 Дж с - постоянная Планка;

с=3·10¹⁰ см/с - скорость света.

Величина N(λ) имеет размерность см^-2 c^-1. Верхний предел интегрирования в (1) положен равным ∞ для наглядности, т.к. плотность излучения в глубоких слоях дермы пренебрежимо мала.

В формуле (1) учтено, что в общем случае объемная концентрация капилляров C_v может зависеть от глубины z [5]. Для конкретности полагаем, что Н=0.4, ƒ=0.25 согласно модели [5].

Введем отношение

показывающее, во сколько раз ИЭФ при облучении поверхности кожи на длине волны λ₁ больше (или меньше) соответствующей величины при облучении на длине волны λ.

Формулы (1) и (2) соответствуют монохроматическому освещению поверхности кожи на длине волны λ. Если для генерации кислорода используется световой пучок в спектральном интервале Δλ, то формула (2) принимает вид

Для конкретности Δλ=±5 нм относительно длины волны λ.

Ниже будет показано, что нами найдена длина волн λ₁ (или интервал длин волн λ₁±Δλ₁), при которой значения ИЭФ для всей толщи дермы максимальны, или, иными словами, когда R(λ₁,λ)>1 и R*(λ₁,λ)>1 (λ₁≠λ).

Величины, определенные формулами (1)-(3), зависят, через плотность излучения E(z,λ), от структурных, биофизических и оптических характеристик всех слоев кожи - рогового, эпидермиса и дермы. В расчетах зависимостей E(z,λ) использована модель [6] кожного покрова человека. Биофизические параметры кожи ƒ_m и C_v, варьировались в пределах, типичных для светлой кожи. На фиг.1 и 2 сплошные кривые и символы соответствуют объемной концентрации капилляров C_v=0.04, штриховые - 0.08. Степень оксигенации крови S=0.75, толщины рогового слоя d_s=100 мкм и эпидермиса d_e=100 мкм.

На фиг.1 сопоставлены значения R и R* для λ₁=575 нм и λ=632.8 нм (прототип). Как видно, облучение на длине волны λ₁=575 нм обеспечивает более эффективную интегральную генерацию молекулярного кислорода (примерно в 20-25 раз) во всей толще дермы по сравнению с прототипом.

Нами было обнаружено, что облучение поверхности кожи на длине волны 575 нм обеспечивает максимальные значения ИЭФ по сравнению с другими λ в ближней УФ - видимой области спектра, отличающимися от 632.8 нм, предложенной в прототипе. Чтобы проиллюстрировать это, на фиг.2 сопоставлены значения R и R* для λ₁=575 нм и λ=418 (кривые 1), λ₁=575 нм и 585 нм (2). Длина волны 418 нм соответствует наибольшему поглощению крови и оксигемоглобина µ_a(λ) [6] в ближней УФ, видимой и ближней ИК областях спектра. Длина волны 585 нм была рекомендована в работе [3] в качестве обеспечивающей во всей толще дермы максимальный эффективный показатель поглощения HbO₂, пропорциональный произведению µ_а(λ)E(z,λ). Из данных фиг.2 можно сделать вывод, что рост ИЭФ при облучении на длине волны 575 нм составляет примерно 1.1-2.5 раза по сравнению с λ=418 и 585 нм. Отметим, что небольшие значения R(λ) (порядка 1.1-1.2) при λ=418 нм имеют место при низких концентрациях меланина ƒ_m≤0.02, характерных для патологии кожи - витилиго [6], и поэтому они не очень типичны.

Источники информации

1. Q.И.Gibson, S.Ainsworth. Photosensitivity of heme compounds // Nature. 1957. V.180. No.4599. P.1416-1417.

2. М.М.Асимов, Р.М.Асимов, А.Н.Рубинов. Способ повышения локальной концентрации кислорода в биологических тканях пациента. Патент BY №9855 C1. 30.10.2007.

3. М.М.Асимов, А.Н. Королевич, Е.Э. Константинова. Кинетика оксигенации кожной ткани под воздействием низкоинтенсивного лазерного излучения // Журн. прикл. спектроск. 2007. Т.74. №1. С.120-125.

4. С.В.Лепешкевич, Н.В.Коновалова, Б.М.Джагаров. Исследование методом лазерной кинетической спектроскопии бимолекулярных стадий реакции оксигенации α- и β-субъединиц гемоглобина человека в R-состоянии // Биохимия. 2003. Т.68. №5. С.676-685.

5. И.В.Меглинский. Моделирование методом Монте Карло спектров отражения случайных многослойных сильно рассеивающих и поглощающих свет сред // Квантовая электроника 2001. Т.31. №12. С.1101-1107.

6. В.В.Барун, А.П.Иванов, А.В.Волотовская, В.С.Улащик. Спектры поглощения и глубина проникновения света в нормальную и патологически измененную кожу человека // Журнал прикладной спектроскопии. 2007. Т.74. №3. С.387-394.

Способ повышения концентрации молекулярного кислорода в дерме кожной ткани, основанный на фотодиссоциации оксигемоглобина крови посредством облучения поверхности кожи световым пучком, отличающийся тем, что облучение световым пучком осуществляют на длине волны 575 нм при полуширине спектра не более 5 нм.