Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА I. Исследование термических механизмов действия
лазерного излучения на биологические объекты 16
РАЗДЕЛ I. Особенности повреждающего действия лазерного
излучения на животные ткани.... 16
1.1.1. Повреждающее действие лазерного излучения на
животные ткани 17
Повреждающее действие лазерного излучения на клетки крови 31
Влияние параметров лазерного излучения на характер повреждения животных тканей 40
РАЗДЕЛ И. Экспериментально-теоретическое обоснование методов
деструкции опухолей высокоинтенсивным излучением 55
I.II. 1. Фототермический эффект в кварцевом световоде,
контактирующем с биотканью 58
I.II.2. Контактная лазерная хирургия 63
I.II.3. Математическая модель нестационарного тепловыделения
в биотканях при действии лазерного излучения ближнего
РЖ диапазона 72
І.И.4. Экспериментальная проверка предложенных методов
контактной деструкции биотканей 81
І.ІІ.5. Лазерная хирургическая установка «ЛАСКА» 85
ГЛАВА И. Фотохимические механизмы действия лазерного излучения
на опухоли и пути повышения их эффективности.. 93
РАЗДЕЛ I. Фотодинамическая терапия: механизмы и пути повышения
эффективности 93
Фотодинамический эффект, фотодинамическая терапия 93
Структурно-функциональный подход - основа направленного синтеза фотосенсибилизаторов 101
Оценка биологической активности ряда отечественных фотосенсибилизаторов. 107
П.І.4. Пути повышения эффективности фотодинамической
терапии опухолей 118
РАЗДЕЛ II. Физические основы и технические приемы повышения
эффективности фотодинамической терапии 125
П.П. 1. Оптические характеристики биотканей 127
П.П.2. Активные оптические системы на парах металлов для
избирательного воздействия 134
Активные проекционные системы для биологических исследований 146
Управление лазерным излучением в фотодинамической терапии опухолей 149
Диагностико-терапевтический комплекс для фотодинамической терапии опухолей «ФОТОС» и его возможности 153
ГЛАВА III. Низкоэнергетическое лазерное излучение в онкологии 162
РАЗДЕЛ I. Феноменологические механизмы биостимулирующего
действия низкоэнергетического лазерного излучения 163
Регенерация ран 163
Влияние излучения He-Ne-лазера на метастазирование опухолевых штаммов мышей 170
Изменение иммунологических показателей лимфоцитов
человека под действием низкоэнергетического лазерного
излучения 180
IIIЛ.4. Изменение поверхностной ультраструктуры лимфоцитов... 185
Изменение магнитных свойств лимфоцитов 188
Лазерная адоптивная иммунокоррекция 191
РАЗДЕЛ И. Идентификация первичного фотоакцептора при
низкоэнергетической лазерной терапии 193
ІІІЛІ.1. Современные гипотезы о ПФА (обзор) 194
Ш.П.2. Аппаратурно-методическое обеспечение 203
ІІІЛІ.З. Лазерный цитодифрактометр 211
ІІІЛІ.4. Исследование ФДЭ методом лазерной
цитодифрактометрии 214
Спектры действия 232
Роль воды 241
Ш.П.7. Светокислородный эффект в экспериментальной
онкологии 245
ГЛАВА IV. Физические основы спектрально-оптических
методов диагностики опухолей ,
РАЗДЕЛ I. Спектрофотометрические методы диагностики опухолей... 251 IV.1.1. Спектрально-оптические характеристики тканей - основа
для разработки диагностических методик 251
IV.I.2. Использование акустооптического спектрофотометра для
диагностики опухолей 255
IV.I.3. Спектроанализатор изображений и его использование для
морфометрии биологических микропрепаратов 270
РАЗДЕЛ II. Релеевское рассеяние света в диагностике злокачественных
новообразований 283
IV.II. 1. Теоретические основы релеевского рассеяния света в
жидкости 283
IV.II.2. Биофизические основы диагностической методики 296
IV.II.3. Метод динамического рассеяния света в диагностике
злокачественных опухолей 301
IV.II.4. Аппарат ЛКА-1 и его возможности. 305
Заключение 317
Литература 330
Введение к работе
Важность проблемы "Злокачественные новообразования" определяет постоянный поиск новых и совершенствование имеющихся средств и методов диагностики и лечения опухолей. Исследования в области применения лазерного излучения (ЛИ) в онкологии ведутся уже около 40 лет и направлены в основном на поиск путей разрушения опухолей [1-10]. Определенные успехи в разработке лазерных методов лечения опухолей [11-25] и промышленный выпуск специализированных лазерных медицинских установок [26-39] создали условия для использования лазерного излучения в практической онкологии. При этом в каждом конкретном случае в зависимости от вида, локализации и распространенности опухолевого заболевания встает вопрос о выборе источника излучения и оптимального режима воздействия на опухоль для достижения большего лечебного эффекта. Однако набор применяемых в онкологических клиниках лазерных методов повреждения опухолей и самих лазеров весьма ограничен, хотя современная промышленная технология предоставляет широкие аппаратурные и методические возможности деструктивно-термической обработки очагов патологии.
Многие приемы лазерной обработки материалов [40-48] еще не нашли , применения в отечественной медицине, хотя области их применения очевидны. Несомненно, что привлечение в медицину, и в онкологию в частности, отработанных и апробированных в промышленности приемов лазерной технологии в ближайшем же времени даст значительный положительный эффект. В связи с этим экспериментальное и теоретическое обоснование привлечения для целей практической онкологии новых источников излучения и новых режимов обработки злокачественных новообразований, разработка на этой основе новых методов и средств лечения опухолей представляются важными и актуальными.
В последние два десятилетия в онкологии повышенный интерес проявляется к новому направлению лечения опухолей - фотодинамической терапии (ФДТ), являющейся результатом совместной работы ученых разных областей науки: медиков, биологов, химиков, физиков [49-55, 64]. Это активно развивающееся направление в России еще не вышло за стены крупных онкологических институтов и клиник [56-59]. Тем не менее, накопленный клинический опыт уже заставляет ставить вопрос о поиске путей повышения эффективности ФДТ опухолей [60, 61].
С созданием лазеров начался также новый этап в развитии светолечения [62, 63], приведший к разработке методов низкоэнергетической лазерной терапии (НЛТ) [65-69]. Экспериментальные исследования и данные клиники показывают, что низкоэнергетическое лазерное излучение (НЛИ) обладает отчетливо выраженной биологической активностью, оказывает болеутоляющее, сосудорасширяющее и противовоспалительное действие [70-74]. Однако для широкого применения методов НЛТ в практической онкологии необходимо проведение углубленного исследования, направленного на отработку оптимальных условий лазерной терапии, выяснение механизмов биостимулирующего действия НЛИ и специфики его действия на опухолевый процесс.
При всем многообразии биологических эффектов ЛИ, обнаруживаемых на различных уровнях биологической организации и закономерно связанных между собой временной последовательностью проявления, до сих пор крайне недостаточно исследованы начальные фотофизические стадии преобразования кванта света в реакцию биологической системы [75-82]. Остается нерешенным принципиальный вопрос о первичном фотоакцепторе (ПФА), который в результате первичного фотофизического акта запускает цепь последовательных биохимических, структурных и физиологических изменений, проявляющихся на организменном уровне в виде эффектов
биостимуляции. Идентификация ПФА составляет основное звено научного обоснования практических методик лазерной терапии.
Рост заболеваемости злокачественными новообразованиями во всем мире выдвигает проблему их ранней диагностики в ряд первоочередных [85-87]. Имеющиеся в распоряжении онкологов методы скринингового обследования с целью формирования групп повышенного онкологического риска, последующее клиническое обследование которых позволяет выявить заболевание на ранней стадии, далеки от совершенства [88-90]. Необходимо развитие объективных аппаратурных методов и создание соответствующих методик и приборов для диагностики рака, простых и доступных для оперативного применения в повседневной практике.
Совершенно очевидно, что конечный клинический результат применения лазерных методов лечения и диагностики определяется пониманием физических явлений [92], лежащих в их основе и обеспечивающих их адекватное использование.
Цель и задачи.
Целью работы является исследование биологических эффектов и изучение механизмов биологического действия ЛИ, экспериментально-теоретическое обоснование и разработка на их основе новых методов и средств диагностики и лечения опухолевых заболеваний с использованием свойств лазерного излучения.
В соответствии с этим задачами настоящей работы было: 1) исследовать физические эффекты, возникающие при воздействии мощного ЛИ на биологические ткани, и на их основе предложить новые эффективные способы деструкции опухолей ЛИ; изучить возможность технической реализации этих способов;
оценить возможности ФДТ опухолей с использованием фотосенсибилизаторов отечественного производства; дать рекомендации по повышению эффективности ФДТ опухолей;
выявить основные звенья механизма биостимулирующего действия НЛИ; изучить влияние ЛИ различных длин волн на клетки крови, определить оптимальные условия лазерного воздействия для разработки методик клинического использования методов НЛТ онкологических больных;
провести исследования по идентификации первичного фотоакцептора биостимулирующего действия ЛИ;
5) исследовать спектрально-оптические характеристики нормальных и
. опухолевых тканей и изучить возможность разработки на их основе
спектральных методик диагностики опухолей; провести поиск путей усиления спектральных различий нормальных и опухолевых тканей.
Научная новизна.
Научная новизна проведенных исследований определяется следующими положениями, выдвинутыми на защиту.
1. Практически весь спектр технологических возможностей лазеров может быть использован в медицинских целях при корректной медико-технической постановке задачи.
Сформулирована математическая модель нестационарного
тепловыделения в биологической ткани при действии ЛИ ближнего ИК диапазона, обладающая прогностической ценностью,, подтвержденной исследованиями в клинике экспериментальных животных [93, 94, 95]. Теоретически предсказаны (рассчитаны) и экспериментально реализованы режимы работы лазера, позволяющие производить рассечение любых биологических тканей, включая костные, на заданную глубину [96, 97, 98]. Для целей хирургии, в частности, онкохирургии предпочтительным является
импульсно-периодический режим работы лазера, который может быть рекомендован для разработки специализированных лазерных хирургических установок [96, 99-101].
Предложен и аппаратурно реализован метод контактной лазерной хирургии с использованием импульсно-периодического YAG : Nd+3 - лазера [102]. Разработаны и реализованы методика лазерной внутритканевой термодеструкции метастазов в печени и методика лазерной декомпрессии межпозвонковых дисков [103, 104].
2. Наиболее эффективное использование возможностей ФДТ опухолей определяется разработкой наукоемких медицинских технологий, включающих комплексное использование направленного химического синтеза соединений с заданными фотофизическими характеристиками и биотехнологических подходов в сочетании с искусственной регуляцией метаболической активности тканей и современной лазерной и оптоэлектронной техникой [105-110]. Активные оптические системы с лазерными усилителями яркости, а также пространственно-временными модуляторами света (ПВМС) являются эффективным средством для повышения избирательности воздействия ЛИ на патологически измененные ткани [95, 97, 111-115].
Предложен аппаратурный метод повышения селективности лазерной фото- и фотодинамической терапии опухолей на основе активных оптических систем с усилителями яркости [116]; исследованы различные схемы повышения контраста изображения. Впервые осуществлено избирательное воздействие ЛИ на опухоль путем формирования действующего пучка по форме очага патологии на основе спектрально-оптических характеристик ткани с использованием ПВМС и управлением параметрами потока ЛИ от персональной ЭВМ [117-120].
3. Впервые проведено комплексное исследование, раскрывающее один из механизмов биологического действия оптического излучения от первичного
фотофизического акта (поглощения фотона) до тканевых реакций и реакций отдельных систем организма [121-126]. Начальным звеном биостимуляции, вызываемой ЛИ, является обратимая модификация плазматических мембран клеток, в частности, мембран форменных элементов крови и структурная перестройка водной матрицы [125, 127]. Низкоэнергетическое лазерное излучение является биологически активным модификатором иммунитета и может быть использовано на различных этапах лечения больных [123, 128-130].
4. Одним из основных ПФА, ответственных за биологические эффекты
низкоэнергетического излучения оптического диапазона, является
молекулярный кислород, в значительном количестве содержащийся во всех
живых биологических объектах [131-133]. Впервые получены детальные
спектры биологического действия оптического излучения в диапазоне 570-
600 нм, 615-650 нм, 740-830 нм и 1240-1290 нм, выявившие полное
совпадение их с полосами поглощения молекулярного кислорода [134-137].
Этими экспериментами впервые был надежно идентифицирован один из первичных фотоакцепторов, ответственных за биологические эффекты НЛИ видимого и ближнего ИК диапазона: молекулярный кислород -универсальный фотоакцептор для всех живых биологических систем.
Предложен принципиально новый метод беспрепаратной фототерапии опухолей, основанный на действии излучением в полосах основного эндогенного фотоакцептора - молекулярного кислорода, по первичному фотопродукту аналогичный ФДТ [99, 132, 138]. Открыт с вето кислородный эффект (СКЭ), лежащий в основе новой медицинской технологии -светокислородной терапии (СКТ).
5. Даже незначительные различия спектрально-оптических характеристик
нормальных и опухолевых тканей являются отличительным признаком для
разработки объективных аппаратурных методов диагностики опухолей.
Проведено изучение спектрально-оптических характеристик нормальных и
патологически измененных тканей человека in vitro и in vivo; обнаружены
спектральные отличия между нормальными, воспаленными,
доброкачественно и злокачественно измененными тканями [139-142].
Усиление спектральных различий нормальных и опухолевых тканей может
быть достигнуто применением туморотропных контрастирующих
соединений как за счет их люминесцентных, так и абсорбционных свойств [143, 144]. На основе проведенных исследований предложено несколько способов и устройств для диагностики опухолей, доступных для визуального и эндоскопического обследования [145-148].
Разработан способ морфометрии тканевых структур в гисто- и цитологических исследованиях с использованием акустооптического микроспектрофлуориметра; создан макет устройства для реализации этого способа, и проведены его испытания [149-156].
На основе изучения методом лазерной корреляционной спектроскопии подвижности белковых молекул в растворе разработана методика массового онкологического скрининга с целью формирования групп повышенного онкологического риска [157, 158].
Научная новизна проведенных исследований подтверждена 19 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, полученными в процессе выполнения работы [101-104, 116, 127, 131-137, 143-151, 159-163].
Научно-практическая значимость.
Получены новые данные в области фундаментальных проблем фотобиологии животной клетки, позволяющие выйти на физический структурно-функциональный уровень понимания фотобиологических реакций клеток, а в ряде случаев и первичных механизмов патогенеза [125, 127, 135, 136]. Выявленные закономерности действия ЛИ видимого и ближнего ИК-диапазона на опухолевый процесс значительно углубляют
существующие представления о характере и механизмах действия ЛИ на * биологические системы.
Создана научная основа для разработки новых биомедицинских технологий, в том числе методов фототерапии широкого круга заболеваний, включая онкологические. Разработаны и внедрены в практику ряда лечебных учреждений метод адоптивной лазерной фотоиммунотерапии [159] для ранней профилактики рецидивов и метастазирования у онкологических больных и метод НЛТ постлучевых, послеоперационных и воспалительных осложнений [160, 164-173].
Проведенные экспериментальные исследования по идентификации ПФА определяют направления технической реализации наиболее оптимальной лечебно-диагностической аппаратуры, в основе которой могут лежать не только лазеры, но и достаточно широкополосные источники излучения.
Созданы теоретические основы и проведено экспериментальное обоснование новой медицинской технологии - контактной лазерной хирургии и ее сочетание с тепловой деструкцией опухолей. Разработаны медико-технические требования на лазерную медицинскую установку для деструкции опухолей, на основе которых создана современная лазерная медицинская установка для контактной хирургии опухолей "ЛАСКА", разрешенная к серийному производству и нашедшая уже применение в клинической практике.
Проведенное комплексное исследование физико-химических и биологических свойств ряда фотосенсибилизаторов является основой для создания научных критериев отбора и оценки фотодинамической эффективности при скрининге потенциальных фотосенсибилизаторов [174-177]. Предложены и представлены к клиническим испытаниям новые фотосенсибилизаторы на основе хлорина Єб - «Фотодитазин» и «Радахлорин» [163].
Реализованный в работе метод повышения селективности фототерапии опухолей на основе активных оптических систем с усилителями яркости и пространственно-временными модуляторами света может быть использован не только в онкологии, но и для воздействия на любые очаги патологии, имеющие спектральные отличия от окружающей нормальной ткани, локализованные как на поверхности организма, так и во внутренних органах при использовании эндоскопической техники с регулярными световолоконными жгутами, передающими изображения [161-162]. Разработанный и созданный для этих целей диагностико-терапевтический комплекс «ФОТОС» удостоен медали «Лауреат ВВЦ» [118].
Установленные спектральные различия нормальных и патологически измененных тканей человека явились базой для разработки ряда диагностических методик и аппаратуры; созданная по разработанным медико-техническим требованиям спектрометрическая приставка к эндосклпу «Кварц 3102-В-ГЭ» прошла клинические испытания и рекомендована к применению и серийному производству.
Принципы диагностического обследования, положенные в основу представленной в работе методики массового онкологического скрининга с целью формирования групп повышенного онкологического риска и онкологического мониторинга получивших лечение пациентов, могут быть использованы в диспансерном наблюдении пациентов и с другими заболеваниями, например, сердечно-сосудистыми или при патологии печени на уже разработанной аппаратурной базе; созданный для этих целей лазерный компьютерный анализатор находится на сертификации в Комитете по новой медицинской технике МЗ РФ.
Некоторые результаты работы внедрены в практику лечебных учреждений Москвы и ряда регионов России. Часть результатов диссертации использована в лекционном курсе для студентов МГИЭМ.
