Metüleensinine ja valguskiiritus: lainepikkus, kiiritustihedus ja kiiritamise geomeetria

Kaks teadusartiklit kirjeldavad metüleensinise kiiritamist valgusdoosiga 10 J ruutsentimeetri kohta. Ühes hävivad bakterid. Teises ei juhtu midagi mõõdetavat. Ainult doosi võrdlev lugeja järeldab, et valdkonna tulemused on vastuolulised. Valdkond on siiski järjekindel. Doos ei ole kunagi kirjeldanud kogu kiiritust.

Valguskiiritus on väike koos toimivate parameetrite süsteem: lainepikkus, kiiritustihedus, kestus, neist tulenev energiatihedus, hapniku kättesaadavus, värvaine kontsentratsioon ja agregatsiooni olek, värvaine manustamise ja kiiritamise vaheline aeg ning optiline teepikkus, mille valgus proovis tegelikult läbib. Muutke üht neist ja fotokeemia muutub. See artikkel käsitleb iga parameetrit eraldi ning eristab seejärel lähiinfrapunase valgusega fotobiomodulatsiooni värvaine otsesest fotoaktiveerimisest, sest just neid kahte režiimi aetakse kõige sagedamini segamini.

Lainepikkus määrab, kas värvaine osaleb

Metüleensinine neelab vees monomeerina tugevalt punast valgust: neeldumismaksimum asub ligikaudu 664 kuni 665 nm juures ning lühema lainepikkuse poolne õlg ligikaudu 610 nm juures suureneb, kui värvaine agregeerub dimeerideks ja suuremateks virnadeks. Molaarne ekstinktsioonikordaja on maksimumi lähedal suurusjärgus 65,000 kuni 85,000 M-1 cm-1, mistõttu on juba mikromolaarsed lahused intensiivselt sinised. Varajane fotokeemiline ülevaade metüleensinise koostoimest DNA ja bioloogiliste substraatidega kirjeldab seda neeldumiskäitumist ja sellele järgnevat ergastatud oleku keemiat: neeldumine viib molekuli lühiealisse singlettsesse olekusse, millest see läheb üle pikema elueaga tripletsesse olekusse. Selle ülemineku avaldatud saagised on ligikaudu 0.5 ning õhustatud lahuses kustutab hapnik tripletse oleku umbes 2 mikrosekundiga.

Just selles kustutusetapis lahknevad kaks fotokeemilist rada. II tüübi keemias annab tripletses olekus värvaine energia üle põhiolekus hapnikule ja tekitab singlettset hapnikku; sageli viidatud saagised on ligikaudu 0.52. I tüübi keemias annab tripletses olekus värvaine selle asemel substraadile üle elektroni või vesiniku, tekitades radikaale, sealhulgas superoksiid- ja hüdroksüülradikaale. Mõlemad rajad võivad toimida korraga ning tavapärane fotodünaamiline toime jääb tugevalt hapnikust sõltuvaks ka siis, kui I tüübi rada sellesse panustab.

Metüleensinise jaoks lainepikkuse valimisel järeldub sellest lihtne reegel. Punane valgus ligikaudu 630 kuni 680 nm kattub värvaine neeldumisribaga ning 660 kuni 665 nm jääb monomeeri neeldumismaksimumi lähedale. Seega võib see käivitada fotosensibilisaatori keemilised reaktsioonid kõikjal, kus värvainet on arvestatavas koguses. Lähiinfrapunane valgus lainepikkusel 810 nm jääb põhioleku neeldumisribast kaugele väljapoole, mistõttu sobib see värvaine otseseks ergastamiseks halvasti. Kontsentratsioon muudab pilti ühel selgelt põhjendatud viisil: kontsentratsiooni suurenedes on rohkem värvainet dimeeride ja agregaatidena, mis neelavad pigem 610 nm lähedal ning fotosensibiliseerivad molekuli kohta vähem tõhusalt. Seetõttu ei kahekordista värvaine koguse kahekordistamine toimet. Seotud ülevaade metüleensinisest ja punase valguse teraapiast käsitleb seda neeldumisreeglit iga fotosensibiliseeritud reaktsiooni eeltingimusena.

Kiiritustihedus, kestus ja energiatihedus on kolm parameetrit, mitte üks

Energiatihedus, ühikuga J ruutsentimeetri kohta, on kiiritustiheduse ja aja korrutis. Ainult energiatiheduse esitamine varjab energia saabumise kiirust ning see kiirus on oluline.

Lühiajaliselt rakendatud suur kiiritustihedus ja pikaajaliselt rakendatud väike kiiritustihedus võivad anda sama energiatiheduse, kuid erineva keemia. Suure kiiritustiheduse korral kulub lahustunud hapnik kiiremini, kui difusioon seda juurde toob, ning see piirab hapnikust sõltuvat II tüübi rada juba kiiritamise käigus. Samuti tekitab see soojust ning kude reageerib soojenemisele verevoolu muutustega, mis mõjutavad nii hapnikuga varustatust kui ka värvaine jaotumist. Väike kiiritustihedus pika kiiritusaja jooksul säilitab hapniku juurdevoolu, kuid annab taastumis- ja taasoksügenatsiooniprotsessidele aega toimida juba kiiritamise ajal. Fotokeemiaõpikud nimetavad eeldust, et oluline on ainult kogudoos, vastastikkuse printsiibiks. See ei kehti, kui protsessis osalevad hapnik, soojenemine või bioloogia — koes tähendab see peaaegu alati.

Inimestel metüleensinisest lähtuvaks antimikroobseks fotodünaamiliseks kiiritamiseks kasutatakse tavaliselt 6 kuni 18 J ruutsentimeetri kohta, mis kattub fotobiomodulatsiooni väärtustega. Seetõttu ei saa üksnes energiatiheduse järgi režiimi tuvastada. Kiiritamine doosiga 10 J ruutsentimeetri kohta lainepikkusel 660 nm värvainet sisaldavas koes on fotosensibilisaatorist lähtuv fotokeemia. Sama energiatihedus lainepikkusel 810 nm koes, kus leidub vaid värvaine jälgi, on midagi täiesti muud. Arv on sama. Käsitlus erineb.

Optiline teepikkus ja proovi geomeetria määravad, millega valgus kokku puutub

Beer–Lamberti seaduse kohaselt saab proovi esiosa palju rohkem valgust kui tagaosa. Küvetis, kus värvaine kontsentratsioon on kümneid mikromooli liitri kohta, võib esimene millimeeter neelata suurema osa langevast punasest valgusest, jättes sügavamad kihid sisuliselt kiiritamata. Kui sama lahus paigutada väikese mahuga madalasse süvendisse, muutub kiiritus peaaegu ühtlaseks. Sama värvaine, sama lamp, sama energiatihedus pinnal, kuid erinev tulemus.

Koes lisandub neeldumisele hajumine. Punane valgus ligikaudu 660 nm juures tungib koesse millimeetrite suurusjärgus; täpse sügavuse määravad veresisaldus, pigmentatsioon ja koetüüp. Süvendid lisavad oma artefakte: meniski läätseefekt, peegeldumine seintelt, ääresüvendite varjutamine ning väikeste vedelikumahtude soojenemine valgusallika all. Kaks laborit, mis esitavad identsed lambi seadistused, kuid kasutavad erinevaid plaaditüüpe, mahtusid või valgusallika kaugusi, on teinud erinevad katsed.

Kaugus väärib rõhutamist, sest see on kõige levinum märkamata jääv muutuja. Kollimeerimata valgusallika puhul väheneb kiiritustihedus kaugusega kiiresti. Seega võib lambi liigutamine plaadi kohal 2 cm kõrguselt 5 cm kõrgusele vähendada kiiritustihedust mitu korda, kuigi meetodite jaotise kirjeldus jääb samaks. Kui kiiritustihedust proovi pinnal ei mõõdeta, on tootja võimsusandmete põhjal arvutatud ja avaldatud energiatihedused hinnangud, mitte mõõtmised.

Selgitustega parameetrijuhend: mis teeb kiirituse korratavaks

Selle lehe jaoks loodud materjal on kontrollnimekiri. Kui uuringus kirjeldatud valguskiirituse kohta puuduvad need andmed, ei saa seda teisega võrrelda, ükskõik kui sarnane põhinäitajana esitatud doos ka ei paistaks.

1. Lainepikkus ja ribalaius. Maksimum ja kogulaius, mitte värvinimetus. Punaste LED-ide vahemik 630 kuni 680 nm hõlmab lainepikkusi, mille juures värvaine neeldumine on väga erinev.
2. Mõõdetud kiiritustihedus proovi pinnal, ühikuga mW ruutsentimeetri kohta. Tootja märgitud võimsus vattides ei ole kiiritustihedus.
3. Kestus ja pulseerimine. Pidev või pulseeriv kiiritamine, sealhulgas vajaduse korral impulsside sagedus ja täitetegur.
4. Eespool nimetatud mõõdetud parameetripaari põhjal arvutatud energiatihedus, ühikuga J ruutsentimeetri kohta.
5. Värvaine kontsentratsioon, koostis ja agregatsiooni olek. Monomeer fotosensibiliseerib 664 nm lähedal teisiti kui agregaadid 610 nm lähedal.
6. Ravimi manustamise ja valguskiirituse vaheline aeg. Minutitest tundideni ulatuv aeg värvaine manustamise ja kiiritamise vahel, mis määrab, kus värvaine valguse saabudes paikneb.
7. Hapnikuga varustatus. Õhustatud lahuse ja hüpoksilise koe erinevus muudab otseselt I ja II tüübi radade tasakaalu.
8. Geomeetria. Proovi sügavus, maht, anuma tüüp, valgusallika kaugus ja nurk ning sihtkoe sügavus.

Teadusartiklite lugemisel on kasulik harjumus kontrollida esmalt ravimi manustamise ja valguskiirituse vahelist aega. See näitab eesmärki. Fotodünaamilistes katseplaanides kiiritatakse värvainet sisaldavat kude teadlikult. Kombineeritud katseplaanides võidakse need kaks sekkumist sihilikult lahutada, nagu allpool kirjeldatud.

Lähiinfrapunane fotobiomodulatsioon ei ole värvaine fotoaktiveerimine

Fotobiomodulatsioon, mille tavapärane lühend on PBM, kasutab punast või lähiinfrapunast valgust endogeense signaaliülekande mõjutamiseks ilma fotosensibilisaatorit lisamata. Fotodünaamiline ravi, mille tavapärane lühend on PDT, kasutab koos kolme komponenti: sensibilisaatori neelatavat valgust, sensibilisaatorit ennast ja hapnikku, et tekitada sihtmärki kahjustav reaktiivsete ühendite puhang. Ülevaade mitokondritest kui neuroprotektsiooni sihtmärgist seostab metüleensinist PBM-iga, sest need mõjutavad rakuhingamist eri suundadest: värvaine toimib katalüütilise redokstsükli vahendajana, toetades elektronide liikumist, samal ajal kui PBM-i kohta on püstitatud hüpotees, et see soodustab pärssiva lämmastikmonooksiidi eraldumist IV kompleksi tsütokroom c oksüdaasist. Seda ensüümimehhanismi tuleb jätkuvalt käsitleda hüpoteesina.

Kaks enim viidatud kombineeritud sekkumistega hiireuuringut kasutavad mõlemad 810 nm valgust, mistõttu need ei tõenda värvaine fotoaktiveerimist. Unepuudusele eelneva sekkumise uuringus said hiired enne unepuuduse tekitamist iga päev metüleensinist koguses 0.5 mg kg kohta, üle päeva 810 nm impulsslaseri kiiritust või mõlemat. Kombineeritud eelsekkumine kaitses mäluga seotud käitumisnäitajaid ja hipokampuse sünaptilisi valke, samal ajal kui eraldi sekkumised jäid suuresti tulemuseta. Samaaegsete sekkumistega kroonilise stressi uuringus said hiired 810 nm PBM-i energiatihedusega 8 J ruutsentimeetri kohta ning iga päev värvainet koguses 0.5 mg kg kohta. Laserit rakendati esimesena ja värvainet süstiti kaks tundi hiljem, just selleks, et vältida värvainet sisaldava koe kiiritamist. Kõik kolm katserühma näitasid õppimispuudujääkide taandumist; liituv kasu ilmnes peamiselt seerumi kortisooli ja aju reaktiivsete hapnikuühendite puhul. Need tulemused käsitlevad kahe mitokondritele suunatud sekkumise kooskasutamist. Fotodünaamiliste uuringute kogumik toob selle eristuse esile, märkides lainepikkuse iga näidustuse kohta.

Nahka puudutavad tõendid jäävad teisele poole seda eristust. Inimestel metüleensinise ja valguse kooskasutamist nahal käsitlevad andmed koonduvad vahemikku 630 kuni 680 nm, paikse või kahjustuskoldesisese värvaine manustamise ning hävitamise või ümberkujundamise eesmärgiga. See on määratluse järgi PDT. Sellisele kahjustuste taandumisele viitamine tõendina, et värvaine võimendab PBM-i, või 810 nm juures hiirtel täheldatud taastumise kasutamine tõendina, et 660 nm valguspaneel koos värvainega moodustab kognitiivse võimekuse protokolli, ajab need režiimid segamini. Annustamise ja farmakoloogia teatmematerjal ning ohutuse ja koostoimete juhend käsitlevad selle teema kontsentratsiooni ja vastunäidustusi puudutavaid osi põhjalikumalt.

Enne arvude võrdlemist määratlege, millisest käsitlusest räägite. Lainepikkus määrab, kas värvaine neelab valgust. Kiiritustihedus ja kestus määravad, mida keemilised protsessid selle neeldumisega teevad. Geomeetria määrab, milline proovi osa sellest üldse mõjutatud saab. Kaks kiiritust, mille üks parameeter kattub ja ülejäänud erinevad, on erinevad katsed. Nende käsitlemine samaväärsetena on viga, mida see juhend aitab vältida. Sellest kõigest ei tulene ühtki kodust protokolli: värvaine neeldumisega sobiva lainepikkusega valgus koos süsteemselt manustatud värvainega muudab muidu moduleeriva kiirituse fotosensibilisaatorist lähtuvaks fotokeemiaks, mis kuulub kliiniliste spetsialistide pädevusse.