Модель Сергей Семенович

1. 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: biospec@nsc.gpi.ru Web: www.nsc.gpi.ru/lbs.html, www.biospec.ru

2. Лаборатория лазерной биоспектроскопии ИОФРАН • Направление работ: • исследование оптических свойств биологических тканей; • разработка новых методов диагностики и терапии; • разработка оборудования для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии

3. Введение 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.

4. Взаимодействие излучения с тканями глаза 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.

5. Спектры поглощения основных хромофоров и флуорофоров, а также спектр поглощения ФС «Фотосенс»

6. Спектры флуоресценции основных флуорофоров, а также ФС «Фотосенс»

7. Методы получения количественной информации 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.

8. Фантомные среды 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.

9. 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. Для получения количественной информации о концентрации ФС в системе визуализации выделен дополнительный измерительный канал (прерывистые линии).

10. Оборудование 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.

11. Алгоритм расчета глубины проникновения Глубина проникновения света в ткань может быть рассчитана с помощью следующего выражения: , 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: . Вводим зависимость от концентрации ФС, теперь формула для расчета глубины проникновения излучения в ткань глазного дна выглядит так: , Где χaft=24*103 см-1*дм3/г,μs` =230 см-1.

12. Калибровочные кривые

13. Результаты 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/лдо 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.

14. Заключение 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.

15. Работы выполнены в рамках гранта РФФИ«Исследование взаимодействия лазерного и широкополосного излучения с тканями глазного дна в условиях гипоксии» Оборудование выпускается на производственной базе ЗАО «БИОСПЕК».