Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из наиболее перспективных тенденций в развитии современной биомедицины является системный подход к реализации комплекса диагностических и терапевтических процедур при лечении различных патологий, определяемый в специальной и научно-популярной литературе как «тераностика»[Алисова М.А. 2015].
Очень важным при развитии тераностики с применением физических
воздействий является решение комплекса биофизических задач, связанных с
определением безопасности и эффективности диагностических и
терапевтических процедур. Среди многообразия возможных физических воздействий на биоткани следует выделить электромагнитное излучение ближнего УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов. Известно, что оптические методы воздействия являются достаточно привлекательными с точки зрения морфофункциональной диагностики биотканей вследствие неинвазивности, отсутствия ионизирующих влияний (видимый и ближний ИК диапазоны), потенциальной возможности многопараметрической диагностики, достижения пространственного разрешения на клеточном и даже субклеточном уровнях [et al. 2010;Тучин В. В.2012; Wang L. V., Wu H. 2007].
Несмотря на значительные успехи, достигнутые к настоящему времени в фундаментальной и прикладной биомедицинской оптике, при зондировании биологических объектов когерентным и частично когерентным излучением возникают определенные проблемы. В связи с этим представляет интерес разработка и внедрение в лабораторную и клиническую диагностику методов регистрации и анализа спекл-модулированных составляющих диффузно рассеянного зондируемой биотканью лазерного или частично когерентного излучения, а также использование принципов оптического просветления биотканей.
Перспективным объектом для тераностических приложений в
дерматологии с использованием оптических технологий является такое хроническое воспалительное заболевание, как КПЛ. Данный дерматоз привлекает к себе внимание не только дерматологов, но и терапевтов, иммунологов, трансплантологов, стоматологов, так как, по современным представлениям, он является специфическим типом клеточно-опосредованной реактивности кожи и слизистых оболочек к ряду определенных антигенов. Кроме того, КПЛ часто протекает на фоне сопутствующей патологии внутренних органов. Следует отметить, что в последние годы увеличилась частота рецидивирования заболевания, отмечается рост числа больных с атипичными проявлениями КПЛ, с формами, которые трудно поддаются как системной, так и местной терапии, чаще стали болеть дети [Кубанова А. А. 2016; Довжанский С. И. , Слесаренко Н. А. , Утц С. Р. 2013].
Одним из перспективных методов немедикаментозного лечения КПЛ является фототерапия (узкополосная средневолновая УФ-терапия, ПУВА-терапия, УФА-1 терапия) [Gonzalez E., Momtaz T., Freedman S.1984; Polderman
M. C., van Kooten C., Smit N.P., et al. 2004; , et al. 2011]. УФA-1 терапия (=340-400 нм) находит все более широкое распространение в лечении различных кожных заболеваний, в иностранных литературных источниках имеются единичные случаи применения этого метода у пациентов с КПЛ [Polderman M. C. et al. 2004]. В oтличие от ПУВА-терапии данный метод является более безопасным, так как обладает меньшим количеством побочных эффектов, не требует использования фотосенсибилизирующих препаратов, что позволяет применять его у соматически отягощенных больных и в более раннем возрасте, а также не включает волны 320-340 нм, характеризующиеся более высоким канцерогенным потенциалом. Вопреки более поверхностному действию УФБ-излучения, которое главным образом реализуется на уровне эпидермиса, УФА-1-лучи проникают глубже, в дерму.
Однако применение данного метода в клинической практике может ограничиваться рядом факторов. К числу наиболее значимых из них относится определение критериев безопасности и эффективности фототерапевтического воздействия, непосредственно связанное с количественной характеризацией особенностей переноса оптического излучения в патологически измененной и здоровой коже. Если в нормальной коже УФ - излучение способно преодолеть эпидермис и достигнуть верхних слоев дермы, то при хроническом дерматозе, таком как КПЛ, патоморфологические изменения в эпидермисе и дерме создают препятствие для проникновения излучения в глубь ткани. Таким образом, существует необходимость усиления действия именно в зоне основных патологических изменений при КПЛ, и разработка безопасных методик для улучшения светопроведения при УФА-1 терапии, возможно, является решением данной проблемы.
В связи с этим развитие и внедрение в клиническую практику тераностики КПЛ с использованием оптических диффузионных технологий и УФА-1 терапии является актуальным и своевременным.
Цель диссертационного исследования заключается в разработке инструментально-методических основ и внедрении в практику комплекса диагностических и терапевтических оптических диффузионных методов с использованием излучения ближнего УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов, предназначенных для эффективного лечения КПЛ.
Для реализации поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1) применительно к характеризации обусловленных различными
патологиями структурных изменений кожи человека разработать метод
сканирующей спекл-поляриметрии in vitro образцов эпидермиса,
приготовленных с использованием технологии кожных отрывов;
2) провести сравнительный анализ различных статистических
характеристик локальной поляризационной структуры зондирующего
лазерного излучения, рассеянного вперед in vitro образцами эпидермиса, и на
данной основе осуществить выбор диагностических параметров для
интерпретации данных сканирующей спекл-поляриметрии;
3) провести развитие биофизических основ и разработать метод
интерпретации эмпирических данных о морфологии нормальной и
патологически измененной кожи, получаемых с использованием
низкокогерентной рефлектометрии на основе компенсации затухания
«шумовой» спекл-модулированной составляющей сигнала рефлектометра в
зависимости от глубины зондирования;
4) провести экспериментальные исследования различных
биосовместимых иммерсионных агентов применительно к увеличению глубины
зондирования и отношения «сигнал-шум» в низкокогерентной
рефлектометрической диагностике кожи и к увеличению эффективности
фототерапии красного плоского лишая; на основании сравнительного анализа
полученных эмпирических данных и рассмотрения физико-химических свойств
различных агентов произвести выбор наиболее эффективного иммерсионного
агента, характеризуемого оптимальной комбинацией длительности
«инкубационного» периода и эффективности просветления;
5) провести оценку эффективности УФА-1 терапии у больных КПЛ с
применением оптического иммерсирования, без него и в сравнении с
узкополосной средневолновой фототерапией с применением комплексного
диагностического подхода (анализ динамики кожного процесса (Index lichen
planus, ILP), индекса зуда (пруриндекса) и ДИКЖ, показателей иммунного
воспаления (интерлейкинов IL-2, IL-6), ангиогенеза (ФРЭС, VEGF),
результатов НКР).
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод спекл-поляризационного мониторинга оптически тонких
образцов in vitro биотканей, заключающийся в сканировании образца
сфокусированным линейно поляризованным лазерным пучком, регистрации
локальных состояний поляризации прошедшего пучка в отдельных спеклах и
оценке статистических моментов параметров локальных эллипсов поляризации
рассеянного вперед излучения, позволяет проводить оценку морфологических
изменений, обусловленных кожными патологиями.
2. Среди исследованных in vitro образцов эпидермиса кожи человека с
различными патологиями для КПЛ и демодекоза характерны средние значения
эксцентриситета и азимутального угла локальных эллипсов поляризации,
наиболее близкие к исходным параметрам зондирующего пучка.
3. Наиболее информативной характеристикой морфологического
состояния биоткани при in vivo низкокогерентном рефлектометрическом
зондировании кожи человека, в том числе и подвергнутой воздействию
иммерсионных агентов, является распределение фактора эффективности
обратного рассеяния биоткани по глубине, восстанавливаемое из усредненного
по группе А-сканов рефлектометрического сигнала путем компенсации его
экспоненциального затухания.
4. При иммерсировании in vivo кожи человека с целью увеличения
эффективности низкокогерентной рефлектометрии и УФА-1 терапии среди
исследованных иммерсионных агентов (глицерин 99.5%, 40%-й раствор
глюкозы, олеиновая кислота 50%, 1,2-пропиленгликоль 50%) максимальный эффект достигается в результате применения 1,2-пропиленгликоля (1,2-ПГ).
5. Применение УФА-1 терапии как с оптическим иммерсированием, так и
без него приводит к нормализации уровней цитокинов IL-2, IL-6, а также VEGF
у больных КПЛ до значений, сопоставимых со значениями контролируемых
показателей у здоровых индивидуумов.
6. Оптическое иммерсирование кожи во время фототерапевтических
процедур с использованием 1,2-пропиленгликоля как иммерсионного агента
способствует повышению эффективности УФА-1 терапии у больных КПЛ до
84% при уровне эффективности 68% в отсутствии оптического иммерсирования
и 40% при применении узкополосной средневолновой УФ-терапии.
Научная новизна полученных результатов:
1. Для характеризации in vitro патологически измененных образцов
эпидермиса кожи человека применен метод сканирующей спекл-поляриметрии
с использованием сфокусированного лазерного пучка и статистического
анализа локальных поляризационных структур рассеянного вперед
зондирующего излучения.
2. Установлены закономерности, определяющие свойства эмпирических
распределений значений эксцентриситета и азимутального угла локальных
эллипсов поляризации в отдельных спеклах рассеянного вперед образцами
эпидермиса монохроматического светового поля для случая перехода от
малократного режима рассеяния зондирующего излучения в зондирующих
образцах к многократному.
3. Путем оценки клинической эффективности, лабораторных показателей,
структурно-морфологических характеристик кожи обоснован и использован в
клинических условиях метод УФА-1 терапии совместно с иммерсированием
кожи у больных КПЛ.
4. С использованием различных оптических диффузионных технологий
(спектроскопии диффузного пропускания, низкокогерентной рефлектометрии)
на ex vivo образцах кожи и in vivo проведен сравнительный анализ различных
иммерсионных агентов с точки зрения их безопасности и эффективности
фототерапии и осуществлен выбор 1,2-пропиленгликоля для применений в
тераностике красного плоского лишая.
Теоретическая и практическая значимость работы. В ходе выполнения диссертационного исследования разработан и апробирован в лабораторных и клинических условиях комплексный подход к оптической диффузионной диагностике и фототерапии красного плоского лишая, в котором применяемые методы оптического воздействия на биоткани взаимно дополняют друг друга. С учетом современных тенденций развития медицины данный подход может быть определен как тераностика красного плоского лишая.
Получен набор эмпирических данных, характеризующих эффективность контролируемого оптического иммерсирования верхних слоев кожи с использованием биосовместимых агентов и имеющих практическое значение
не только для повышения эффективности фототерапии кожных заболеваний, но
и для диагностических процедур с использованием оптических технологий
(низкокогерентной рефлектометрии и конфокальной сканирующей
микроскопии кожи, спекл-корреляционного мониторинга микрогемодинамики в дерме и др.).
Предложенный новый подход к интерпретации эмпирических данных, получаемых с использованием низкокогерентной рефлектометрии на основе анализа фактора эффективности обратного рассеяния биоткани в зависимости от глубины зондирования, имеет практическое значение не только для характеризации морфологических особенностей верхних слоев кожи, но и для ряда других приложений, включая не относящиеся к биомедицине (например, диагностика слоистых композитных структур в материаловедении).
На основании оценки клинической картины, лабораторных данных,
структурно-морфологических изменений кожи при проведении
низкокогерентной рефлектометрии предложен алгоритм проведения УФА-1 терапии с учетом начальной дозы облучения, общей кумулятивной дозы и количества процедур на курс, а также выбран наиболее оптимальный иммерсионный агент, что позволило существенно повысить эффективность фототерапии КПЛ.
Методология и методы исследования. Методологической основой
диссертационного исследования явилось последовательное применение
методов научного познания. Работа выполнена в дизайне открытого
сравнительного проспективного рандомизированного клинического
исследования. Исследования, проведенные в условиях in vitro, носили пилотный характер. Диссертационная работа выполнялась в лабораторных и клинических условиях; при проведении экспериментов применялись хорошо обоснованные биофизические методы получения информации об оптических и морфологических характеристиках биологических тканей: сканирующая спекл-коррелометрия, оптическая когерентная томография и низкокогерентная рефлектометрия, спектроскопия диффузного пропускания. Обработка и анализ получаемых экспериментальных данных осуществлялись с применением статистических методов, адекватных решаемым задачам.
Достоверность полученных научных результатов исследования определяется соответствием его дизайна критериям доказательной медицины, анализом обследованных пациентов, достаточным объемом выполненных наблюдений с использованием современных разноплановых исследований, обработкой и анализом эмпирических данных. Примененные статистические методы адекватны поставленным задачам, а сформулированные положения, выводы и практические рекомендации аргументированы и логически вытекают из анализа полученных данных.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в
диссертационной работе, докладывались на следующих российских и международных конференциях: 13-й международной научной школе по оптике, лазерной физике и биофотонике «Saratov Fall Meeting-2013» (Саратов, 2013); V
Всероссийский конгресс дерматовенерологов и косметологов (Казань, 2013); XXXI научно-практической конференции с международным участием «Рахмановские чтения: иммунозависимые дерматозы» (Москва, 2014); на XVII Всероссийском съезде дерматовенерологов и косметологов (Москва, 2017); на XV Всероссийском молодежном Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (Самара,2017).
Личный вклад соискателя. Личный вклад автора диссертации заключался в наборе исследуемых пациентов и контрольной групп, получении информированного согласия на участие в исследовании, изучении историй болезни, проведении врачебного осмотра, получении материала для дополнительных исследований, обработке полученных данных, анализе и обсуждении полученных результатов, в написании глав диссертации, научных статей и апробации результатов исследований на конференциях, симпозиумах. Большая часть экспериментальных результатов получена лично автором совместно с коллегами из СГТУ имени Гагарина Ю.А. и ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В. И. Разумовского Минздрава России.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 работ, из которых 11 – в рецензируемых журналах из списка ВАК, 3 научные статьи – в реферируемых изданиях, 1 статья из баз данных WoS и SCOPUS, 6 статей – в трудах российских и международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (200 наименований). Объем работы составляет 170 страниц текста с 56 рисунками и 19 таблиц.