Метиленово синьо и светлинно облъчване: дължина на вълната, облъченост и геометрия на процедурата

Две публикации съобщават за облъчване на метиленово синьо със светлинна доза от 10 J на квадратен cm. В едната това убива бактерии. В другата няма измерим резултат. Читател, който сравнява само дозата, заключава, че резултатите в областта са противоречиви. Те не са. Дозата никога не е описвала цялото облъчване.

Светлинното облъчване е малка система от параметри, които действат съвместно: дължина на вълната, облъченост, продължителност, полученият флуенс, наличност на кислород, концентрация и състояние на агрегация на багрилото, времевият интервал между прилагането на багрилото и светлината, както и оптичният път, който светлината действително изминава през пробата. Променете един от тях и фотохимията се променя. Тази статия разглежда всеки параметър, а след това разграничава фотобиомодулацията с близка инфрачервена светлина от прякото фотоактивиране на багрилото, защото тези два режима най-често се бъркат.

Дължината на вълната определя дали багрилото участва

Метиленовото синьо във вода поглъща силно червената светлина като мономер, с максимум около 664 до 665 nm и рамо към по-късите дължини на вълната около 610 nm, което нараства, когато багрилото се агрегира в димери и по-големи подредени агрегати. Моларният коефициент на екстинкция близо до максимума е от порядъка на 65,000 до 85,000 M-1 cm-1, затова дори микромоларните разтвори са наситено сини. Ранният обзор на фотохимията на метиленовото синьо с ДНК и биологични субстрати документира това поведение при поглъщане и последващата химия на възбуденото състояние: поглъщането води до краткоживеещо синглетно състояние, което преминава в по-дългоживеещо триплетно състояние с докладвани добиви около 0.5; в аериран разтвор то се гаси от кислорода за около 2 микросекунди.

Именно при тази стъпка на гасене двата фотохимични пътя се разклоняват. При химията от тип II багрилото в триплетно състояние предава енергия на кислорода в основно състояние и образува синглетен кислород, с често цитирани добиви около 0.52. При химията от тип I триплетното състояние вместо това предава електрон или водород на субстрат, като образува радикали, включително супероксидни и хидроксилни частици. Двата пътя могат да протичат едновременно, а обичайният фотодинамичен ефект остава силно зависим от кислорода дори когато тип I има принос.

Оттук следва просто правило за избора на дължина на вълната за метиленово синьо. Червената светлина от около 630 до 680 nm се припокрива с лентата на поглъщане на багрилото, като 660 до 665 nm е близо до максимума на мономера, затова може да задвижва фотосенсибилизирани реакции навсякъде, където има съществено количество багрило. Близката инфрачервена светлина при 810 nm е далеч извън лентата на поглъщане в основно състояние, затова тази дължина на вълната е неподходяща за пряко възбуждане на багрилото. Концентрацията усложнява картината по един конкретен начин: с повишаването ѝ по-голяма част от багрилото е в димерни и агрегирани форми, които поглъщат към 610 nm и фотосенсибилизират по-неефективно на молекула, така че удвояването на багрилото не удвоява ефекта. Допълващият обзор за метиленовото синьо и терапията с червена светлина разглежда това правило за поглъщането като предварително условие за всяка фотосенсибилизирана реакция.

Облъчеността, продължителността и флуенсът са три параметъра, а не един

Флуенсът, в J на квадратен cm, е облъчеността, умножена по времето. Посочването само на флуенса скрива скоростта, с която е постъпила енергията, а тази скорост има значение.

Висока облъченост за кратко време и ниска облъченост за дълго време могат да дадат един и същ флуенс, но различна химия. Високата облъченост изчерпва разтворения кислород по-бързо, отколкото дифузията го възстановява, което ограничава кислородозависимия път от тип II още по време на облъчването. Тя също така внася топлина, а тъканта реагира на нагряването с промени в кръвотока, които изменят както снабдяването с кислород, така и разпределението на багрилото. Ниската облъченост при продължително облъчване поддържа снабдяването с кислород, но дава време на възстановителните процеси и повторното насищане с кислород да действат по време на самото облъчване. Учебниците по фотохимия наричат допускането, че само общата доза има значение, реципрочност. То не е валидно, когато участват кислородът, нагряването или биологични процеси, което в тъканите означава почти винаги.

Антимикробните фотодинамични облъчвания с метиленово синьо при хора обичайно използват 6 до 18 J на квадратен cm, което се припокрива със стойностите за фотобиомодулация. Следователно само флуенсът не може да определи режима. Облъчване с 10 J на квадратен cm при 660 nm върху тъкан, съдържаща багрило, представлява фотохимия, задвижвана от фотосенсибилизатор. Същият флуенс при 810 nm върху тъкан със следи от багрило е нещо съвсем различно. Числото съвпада. Концепцията е различна.

Оптичният път и геометрията на пробата определят какво среща светлината

Зависимостта по закона на Беер–Ламберт означава, че предната част на пробата получава много повече светлина от задната. В кювета с багрило в концентрация от десетки микромоли първият милиметър може да погълне по-голямата част от падащата червена светлина, като остави по-дълбоките слоеве практически необлъчени. Ако поставите малък обем от същия разтвор в плитка ямка, облъчването става почти равномерно. Същото багрило, същата лампа, същият флуенс на повърхността, различен резултат.

Тъканта добавя разсейване към поглъщането. Червената светлина около 660 nm прониква на дълбочина от порядъка на милиметри, като точната дълбочина се определя от съдържанието на кръв, пигментацията и типа тъкан. Ямките добавят собствени артефакти: фокусиране от менискуса, отражение от стените, засенчване на крайните ямки и затопляне на малки обеми под източника. Две лаборатории, които съобщават еднакви настройки на лампата, но използват различни типове плаки, обеми или разстояния до източника, са провели различни експерименти.

Разстоянието заслужава особено внимание, защото е най-честата неотчитана променлива. Облъчеността намалява бързо с разстоянието от неколимиран източник, така че преместването на лампа от 2 cm на 5 cm над плаката може да намали облъчеността няколко пъти, докато разделът за методите остава непроменен. Без измерена облъченост на повърхността на пробата публикуваните флуенси, изчислени от номиналната мощност, посочена от производителя, са оценки, а не измервания.

Ръководство за параметрите с пояснения: какво прави облъчването възпроизводимо

Оригиналният материал за тази страница е контролен списък. Всяко светлинно облъчване в изследване, при което липсват тези данни, не може да бъде сравнено с друго, колкото и сходна да изглежда основната посочена доза.

1. Дължина на вълната и ширина на спектралната лента. Максимум и пълна ширина, а не име на цвят. Червените LED покриват 630 до 680 nm, където поглъщането на багрилото е много различно.
2. Измерена облъченост на повърхността на пробата, в mW на квадратен cm. Мощността във ватове, посочена от производителя, не е облъченост.
3. Продължителност и импулсен режим. Непрекъснато или импулсно облъчване, включително честота на импулсите и коефициент на запълване, когато е приложимо.
4. Флуенс, изчислен от горепосочената двойка измерени параметри, в J на квадратен cm.
5. Концентрация, състав и състояние на агрегация на багрилото. Мономерът около 664 nm фотосенсибилизира различно от агрегатите около 610 nm.
6. Интервал между прилагането на багрилото и светлината. Минути до часове между прилагането на багрилото и облъчването, което определя къде е багрилото, когато пристигне светлината.
7. Снабдяване с кислород. Аерираният разтвор спрямо хипоксичната тъкан променя пряко баланса между тип I и тип II.
8. Геометрия. Дълбочина и обем на пробата, тип съд, разстояние и ъгъл на източника и дълбочина на целевата тъкан.

Полезен навик при четене на публикации: първо проверявайте интервала между прилагането на багрилото и светлината. Той разкрива целта. При фотодинамичните схеми тъканта, съдържаща багрило, се облъчва целенасочено. Комбинираните схеми могат умишлено да разделят двете във времето, както е показано по-долу.

Фотобиомодулацията с близка инфрачервена светлина не е фотоактивиране на багрилото

Фотобиомодулацията, обикновено съкращавана като PBM, използва червена или близка инфрачервена светлина за модулиране на ендогенната сигнализация, без добавяне на фотосенсибилизатор. Фотодинамичната терапия, обикновено съкращавана като PDT, използва съвместно три компонента: светлина, която сенсибилизаторът поглъща, самия сенсибилизатор и кислород, за да създаде рязко образуване на реактивни частици, които увреждат мишената. Обзор за митохондриите като мишена за неврозащита разглежда метиленовото синьо заедно с PBM, защото те въздействат върху клетъчното дишане по различни пътища: багрилото действа като катализатор на окислително-редукционни цикли, подпомагащ потока от електрони, докато според хипотезата PBM насърчава отделянето на инхибиращия азотен оксид от цитохром c оксидазата в комплекс IV. Този ензимен механизъм трябва да продължи да се обозначава като хипотеза.

Двете най-цитирани изследвания на комбинацията при мишки използват светлина при 810 nm, което е именно причината да не демонстрират фотоактивиране на багрилото. В изследване с предварително третиране преди лишаване от сън мишките получават ежедневно метиленово синьо по 0.5 mg на kg, импулсно лазерно облъчване при 810 nm през ден или и двете преди лишаването от сън. Комбинираното предварително третиране запазва поведенческите показатели за паметта и синаптичните белтъци в хипокампа, докато отделните третирания до голяма степен не постигат това. В изследване на хроничен стрес с паралелно третиране мишките получават PBM при 810 nm с 8 J на квадратен cm наред с ежедневно багрило по 0.5 mg на kg, като първо се прилага лазерът, а багрилото се инжектира два часа по-късно, именно за да се избегне облъчване на тъкан, съдържаща багрило. И трите групи показват възстановяване на нарушеното учене, с адитивна полза главно по отношение на серумния кортизол и реактивните кислородни частици в мозъка. Тези резултати изпитват две митохондриални интервенции, използвани заедно — разграничение, което колекцията от фотодинамични изследвания запазва ясно, като записва дължината на вълната за всяко показание.

Данните за кожата са от другата страна на това разграничение. Данните при хора за метиленово синьо плюс светлина върху кожата са съсредоточени при 630 до 680 nm, с локално или вътрелезионно приложено багрило и цел разрушаване или ремоделиране, което по определение е PDT. Да се цитира това изчистване на лезиите като доказателство, че багрилото усилва PBM, или да се цитира възстановяване при мишки при 810 nm като доказателство, че панел при 660 nm плюс багрило е протокол за когнитивни функции, означава смесване на режимите. Справочникът за дозиране и фармакология и ръководството за безопасност и взаимодействия разглеждат по-подробно частите от тази тема, свързани с концентрацията и противопоказанията.

Назовете концепцията, преди да сравнявате числата. Дължината на вълната определя дали багрилото поглъща. Облъчеността и продължителността определят какво прави химията с това поглъщане. Геометрията определя коя част от пробата изобщо е подложена на тези процеси. Две облъчвания, които съвпадат по един параметър и се различават по останалите, са различни експерименти, а третирането им като взаимозаменяеми е грешката, която това ръководство цели да предотврати. От всичко това не следва никакъв домашен протокол; светлина със съвместима дължина на вълната плюс системно приложено багрило превръщат иначе модулиращото облъчване във фотохимия, задвижвана от фотосенсибилизатор, която трябва да бъде в ръцете на клинични специалисти.