Метыленавы сіні і апраменьванне святлом: даўжыня хвалі, энергетычная асветленасць і геаметрыя ўздзеяння

Дзве навуковыя працы паведамляюць пра апраменьванне метыленавага сіняга святлом у дозе 10 J на квадратны cm. У адной бактэрыі гінуць. У другой няма ніякага вымернага выніку. Чытач, які параўноўвае толькі дозу, робіць выснову, што ў гэтай галіне ёсць супярэчнасці. Але галіна паслядоўная. Доза ніколі не апісвала ўсяго ўздзеяння.

Апраменьванне святлом — гэта невялікая сістэма параметраў, якія дзейнічаюць разам: даўжыня хвалі, энергетычная асветленасць, працягласць, выніковы флюенс, даступнасць кіслароду, канцэнтрацыя фарбавальніка і стан яго агрэгацыі, інтэрвал паміж увядзеннем фарбавальніка і апраменьваннем, а таксама аптычны шлях, які святло фактычна праходзіць праз узор. Змена аднаго параметра змяняе фотахімію. У гэтым артыкуле разбіраецца кожны параметр, а затым размяжоўваюцца фотабіямадуляцыя ў блізкім інфрачырвоным дыяпазоне і непасрэдная фотаактывацыя фарбавальніка, бо менавіта гэтыя два рэжымы найчасцей блытаюць.

Даўжыня хвалі вызначае, ці ўдзельнічае фарбавальнік у працэсе

Метыленавы сіні ў вадзе ў выглядзе манамера моцна паглынае чырвонае святло: пік знаходзіцца каля 664–665 nm, а плячо ў вобласці карацейшых хваль каля 610 nm узрастае па меры агрэгацыі фарбавальніка ў дымеры і буйнейшыя стэкі. Малярны каэфіцыент экстынкцыі паблізу піка складае прыкладна 65,000–85,000 M-1 cm-1, таму нават мікрамалярныя растворы маюць інтэнсіўны сіні колер. У раннім аглядзе фотахіміі метыленавага сіняга з ДНК і біялагічнымі субстратамі апісаны гэтыя асаблівасці паглынання і наступныя хімічныя працэсы ва ўзбуджаным стане: паглынанне пераводзіць малекулы ў кароткажывучы сінглетны стан, з якога яны пераходзяць у даўжэйшы трыплетны стан з апублікаванымі значэннямі выхаду каля 0.5; у аэраваным растворы гэты стан гасіцца кіслародам прыкладна за 2 мікрасекунды.

Менавіта на этапе гэтага гашэння разыходзяцца два фотахімічныя шляхі. У хіміі тыпу II фарбавальнік у трыплетным стане перадае энергію кіслароду ў асноўным стане і ўтварае сінглетны кісларод; часта цытаваныя значэнні выхаду складаюць каля 0.52. У хіміі тыпу I трыплет замест гэтага перадае субстрату электрон або вадарод, утвараючы радыкалы, у тым ліку супераксідныя і гідраксільныя часціцы. Абодва шляхі могуць дзейнічаць адначасова, і звычайны фотадынамічны эфект застаецца моцна залежным ад кіслароду нават пры ўкладзе рэакцый тыпу I.

З гэтага вынікае простае правіла выбару даўжыні хвалі для метыленавага сіняга. Чырвонае святло прыкладна ад 630 да 680 nm перакрываецца з паласой паглынання фарбавальніка, прычым 660–665 nm знаходзяцца каля максімуму манамера, таму такое святло можа запускаць фотасенсібілізаваныя хімічныя працэсы ўсюды, дзе прысутнічае істотная колькасць фарбавальніка. Блізкае інфрачырвонае святло пры 810 nm знаходзіцца далёка па-за паласой паглынання асноўнага стану, таму гэтая даўжыня хвалі дрэнна падыходзіць для непасрэднага ўзбуджэння фарбавальніка. Канцэнтрацыя ўскладняе карціну з адной рэальнай прычыны: з яе ростам большая доля фарбавальніка знаходзіцца ў дымерных і агрэгаваных формах, якія паглынаюць бліжэй да 610 nm і маюць меншую эфектыўнасць фотасенсібілізацыі ў разліку на малекулу. Таму падваенне колькасці фарбавальніка не падвойвае эфект. У суправаджальным аглядзе метыленавага сіняга і тэрапіі чырвоным святлом гэтае правіла паглынання разглядаецца як неабходная ўмова любой фотасенсібілізаванай рэакцыі.

Энергетычная асветленасць, працягласць і флюенс — тры параметры, а не адзін

Флюенс, вымераны ў J на квадратны cm, — гэта энергетычная асветленасць, памножаная на час. Калі паведамляецца толькі флюенс, застаецца невядомай хуткасць паступлення энергіі, а яна мае значэнне.

Высокая энергетычная асветленасць на працягу кароткага часу і нізкая на працягу доўгага часу могуць даваць аднолькавы флюенс, але розныя хімічныя працэсы. Высокая энергетычная асветленасць прыводзіць да расходавання растворанага кіслароду хутчэй, чым дыфузія папаўняе яго запас, што абмяжоўвае кіслародзалежны шлях тыпу II яшчэ падчас апраменьвання. Яна таксама перадае цяпло, а тканка рэагуе на награванне зменамі крывацёку, якія ўплываюць і на насычэнне кіслародам, і на размеркаванне фарбавальніка. Нізкая энергетычная асветленасць пры працяглым апраменьванні дазваляе падтрымліваць паступленне кіслароду, але таксама дае час працэсам аднаўлення і паўторнага насычэння кіслародам дзейнічаць падчас самога ўздзеяння. У падручніках па фотахіміі дапушчэнне, што мае значэнне толькі сумарная доза, называюць прынцыпам узаемазамяняльнасці. Ён не выконваецца, калі ў працэсе ўдзельнічаюць кісларод, награванне або біялагічныя механізмы, што ў тканках адбываецца амаль заўсёды.

Пры антымікробным фотадынамічным апраменьванні людзей з метыленавым сінім звычайна выкарыстоўваюць 6–18 J на квадратны cm, што перакрываецца са значэннямі для фотабіямадуляцыі. Таму адзін толькі флюенс не дазваляе вызначыць рэжым. Апраменьванне ў дозе 10 J на квадратны cm пры 660 nm тканкі, якая змяшчае фарбавальнік, — гэта фотахімія, абумоўленая фотасенсібілізатарам. Той жа флюенс пры 810 nm у тканцы са следавымі колькасцямі фарбавальніка — зусім іншая з’ява. Лік супадае. Канцэпцыя адрозніваецца.

Аптычны шлях і геаметрыя ўзору вызначаюць, з чым сустракаецца святло

Закон Бугера — Ламберта — Бера азначае, што пярэдняя частка ўзору атрымлівае значна больш святла, чым задняя. У кювеце з канцэнтрацыяй фарбавальніка ў дзясяткі мікрамоляў на літр першы міліметр можа паглынуць большую частку падаючага чырвонага святла, пакідаючы глыбейшыя пласты фактычна неапромененымі. Калі змясціць той жа раствор у неглыбокую лунку ў малым аб’ёме, апраменьванне стане амаль раўнамерным. Той жа фарбавальнік, тая ж лямпа, той жа флюенс на паверхні — іншы вынік.

У тканках да паглынання дадаецца рассейванне. Чырвонае святло каля 660 nm пранікае на глыбіню парадку міліметраў, а дакладная глыбіня залежыць ад утрымання крыві, пігментацыі і тыпу тканкі. Лункі дадаюць уласныя артэфакты: лінзавы эфект меніска, адбіццё ад сценак, зацяненне крайніх лунак і награванне малых аб’ёмаў пад крыніцай святла. Дзве лабараторыі, якія паведамляюць пра аднолькавыя налады лямпы, але выкарыстоўваюць розныя тыпы планшэтаў, аб’ёмы або адлегласці да крыніцы, праводзяць розныя эксперыменты.

Адлегласць варта асабліва падкрэсліць, бо гэта самая распаўсюджаная зменная, пра якую не паведамляюць. Энергетычная асветленасць хутка зніжаецца з павелічэннем адлегласці ад некалімаванай крыніцы, таму перамяшчэнне лямпы з 2 cm да 5 cm над планшэтам можа зменшыць яе ў некалькі разоў, хоць апісанне ў раздзеле метадаў застанецца тым жа. Без вымярэння энергетычнай асветленасці на паверхні ўзору апублікаваныя значэнні флюенсу, разлічаныя паводле заяўленай вытворцам магутнасці, з’яўляюцца ацэнкамі, а не вымярэннямі.

Даведнік па параметрах з тлумачэннямі: што робіць апраменьванне ўзнаўляльным

Арыгінальны матэрыял для гэтай старонкі — кантрольны спіс. Апраменьванне святлом у любым даследаванні, дзе прапушчаны гэтыя пункты, нельга параўноўваць з іншым, якой бы падобнай ні выглядала заяўленая доза.

1. Даўжыня хвалі і шырыня паласы. Пік і поўная шырыня, а не назва колеру. Чырвоныя святлодыёды ахопліваюць дыяпазон ад 630 да 680 nm, у якім паглынанне фарбавальніка істотна адрозніваецца.
2. Энергетычная асветленасць на паверхні ўзору, вымераная ў mW на квадратны cm. Магутнасць у ватах, указаная вытворцам, — не энергетычная асветленасць.
3. Працягласць і імпульсны рэжым. Бесперапыннае або імпульснае ўздзеянне, з указаннем частаты імпульсаў і каэфіцыента запаўнення, калі гэта дастасавальна.
4. Флюенс, разлічаны па прыведзенай вышэй пары вымераных велічынь, у J на квадратны cm.
5. Канцэнтрацыя фарбавальніка, склад прэпарату і стан агрэгацыі. Манамер з паглынаннем каля 664 nm фотасенсібілізуе інакш, чым агрэгаты з паглынаннем каля 610 nm.
6. Інтэрвал паміж увядзеннем рэчыва і апраменьваннем. Ад хвілін да гадзін паміж увядзеннем фарбавальніка і апраменьваннем; гэты інтэрвал вызначае, дзе знаходзіцца фарбавальнік на момант паступлення святла.
7. Насычэнне кіслародам. Розніца паміж аэраваным растворам і гіпаксічнай тканкай непасрэдна змяняе суадносіны рэакцый тыпу I і тыпу II.
8. Геаметрыя. Глыбіня ўзору, аб’ём, тып пасудзіны, адлегласць і вугал крыніцы, а таксама глыбіня мэтавага ўчастка тканкі.

Карысная звычка пры чытанні навуковых прац: спачатку правярайце інтэрвал паміж увядзеннем рэчыва і апраменьваннем. Ён раскрывае задуму. У фотадынамічных схемах наўмысна апраменьваюць тканку, якая змяшчае фарбавальнік. У камбінаваных схемах гэтыя два ўздзеянні могуць мэтанакіравана раздзяляць, як паказана ніжэй.

Фотабіямадуляцыя ў блізкім інфрачырвоным дыяпазоне — не фотаактывацыя фарбавальніка

Фотабіямадуляцыя, якую звычайна абазначаюць PBM, выкарыстоўвае чырвонае або блізкае інфрачырвонае святло для мадуляцыі эндагенных сігнальных працэсаў без дадання фотасенсібілізатара. Фотадынамічная тэрапія, якую звычайна абазначаюць PDT, выкарыстоўвае разам тры кампаненты: святло, якое паглынае сенсібілізатар, сам сенсібілізатар і кісларод, каб стварыць рэзкі ўсплёск утварэння рэакцыйназдольных часціц, якія пашкоджваюць мішэнь. У аглядзе мітахондрый як мішэні нейрапратэкцыі метыленавы сіні разглядаецца разам з PBM, бо яны ўплываюць на дыханне з розных бакоў: фарбавальнік дзейнічае як каталітычны ўдзельнік акісляльна-аднаўленчых цыклаў, падтрымліваючы перанос электронаў, а PBM, паводле гіпотэзы, спрыяе аддзяленню інгібіруючага аксіду азоту ад цытахром-c-аксідазы ў комплексе IV. Гэты ферментатыўны механізм павінен і надалей пазначацца як гіпотэза.

У двух найбольш цытаваных даследаваннях камбінаванага ўздзеяння на мышах выкарыстоўваецца святло пры 810 nm, і менавіта таму яны не дэманструюць фотаактывацыю фарбавальніка. У даследаванні папярэдняга ўздзеяння перад пазбаўленнем сну мышы перад пазбаўленнем сну штодня атрымлівалі метыленавы сіні ў дозе 0.5 mg на kg, апраменьванне імпульсным лазерам пры 810 nm праз дзень або абодва ўздзеянні. Камбінаванае папярэдняе ўздзеянне захоўвала паводзінныя паказчыкі памяці і сінаптычныя бялкі гіпакампа, тады як паасобныя ўздзеянні ў асноўным не давалі такога выніку. У даследаванні хранічнага стрэсу з паралельным прымяненнем уздзеянняў мышы атрымлівалі PBM пры 810 nm з флюенсам 8 J на квадратны cm разам са штодзённым увядзеннем фарбавальніка ў дозе 0.5 mg на kg. Пры гэтым спачатку ўжывалі лазер, а праз дзве гадзіны ўводзілі фарбавальнік — спецыяльна, каб пазбегнуць апраменьвання тканкі, якая яго змяшчае. Ва ўсіх трох групах парушэнні навучання былі ліквідаваныя, а дадатковая карысць камбінацыі датычылася пераважна кортізолу ў сыроватцы і актыўных формаў кіслароду ў мозгу. Гэтыя вынікі правяраюць сумеснае прымяненне двух уздзеянняў на мітахондрыі; зборнік фотадынамічных даследаванняў захоўвае гэтае адрозненне відавочным, фіксуючы даўжыню хвалі для кожнага паказання.

Дадзеныя па скуры знаходзяцца па іншы бок гэтага размежавання. Дадзеныя пра прымяненне метыленавага сіняга са святлом на скуры людзей пераважна датычацца дыяпазону 630–680 nm, мясцовага нанясення або ўвядзення фарбавальніка ў ачаг і мэты разбурэння або перабудовы тканкі, што паводле вызначэння з’яўляецца PDT. Спасылацца на такое ліквідаванне паражэнняў як на доказ таго, што фарбавальнік узмацняе PBM, або на аднаўленне ў мышэй пры 810 nm як на доказ таго, што панэль пры 660 nm разам з фарбавальнікам з’яўляецца пратаколам для кагнітыўных функцый, — значыць змешваць рэжымы. Даведнік па дазаванні і фармакалогіі, а таксама дапаможнік па бяспецы і ўзаемадзеяннях падрабязней разглядаюць звязаныя з гэтым пытанні канцэнтрацыі і супрацьпаказанняў.

Перш чым параўноўваць лікі, вызначце канцэпцыю. Даўжыня хвалі вызначае, ці паглынае фарбавальнік святло. Энергетычная асветленасць і працягласць вызначаюць, якія хімічныя працэсы адбываюцца ў выніку гэтага паглынання. Геаметрыя вызначае, якая частка ўзору наогул зазнае такое ўздзеянне. Два апраменьванні, якія супадаюць па адным параметры і адрозніваюцца па астатніх, — гэта розныя эксперыменты, і разглядаць іх як узаемазаменныя — памылка, для прадухілення якой і створаны гэты дапаможнік. Ніякі хатні пратакол з гэтага не вынікае; святло з даўжынёй хвалі, сумяшчальнай з паглынаннем фарбавальніка, у спалучэнні з яго сістэмным увядзеннем ператварае ўздзеянне, якое інакш было б мадуляцыйным, у фотахімію, абумоўленую фотасенсібілізатарам, а гэта павінна заставацца ў руках клінічных спецыялістаў.