मेथिलीन ब्लू और प्रकाश उद्भासन: तरंगदैर्घ्य, विकिरण तीव्रता और उपचार की ज्यामिति

दो शोधपत्र मेथिलीन ब्लू को 10 J per square cm प्रकाश के संपर्क में रखने की बात करते हैं। एक में बैक्टीरिया नष्ट होते हैं। दूसरे में कोई मापने योग्य परिणाम नहीं मिलता। केवल ऊर्जा-मात्रा की तुलना करने वाला पाठक निष्कर्ष निकालता है कि इस क्षेत्र के परिणाम असंगत हैं। क्षेत्र संगत है। ऊर्जा-मात्रा कभी पूरे उद्भासन का वर्णन नहीं थी।

प्रकाश उद्भासन कई मापदंडों की एक छोटी व्यवस्था है, जो मिलकर काम करते हैं: तरंगदैर्घ्य, विकिरण तीव्रता, अवधि, उनसे उत्पन्न फ्लुएंस, ऑक्सीजन की उपलब्धता, रंजक की सांद्रता और एकत्रीकरण की अवस्था, रंजक देने और प्रकाश डालने के बीच का समय तथा वह प्रकाशीय पथ जिससे प्रकाश वास्तव में नमूने के भीतर गुजरता है। इनमें से एक को बदलने पर प्रकाश-रसायन बदल जाता है। यह लेख हर मापदंड की पड़ताल करता है, फिर निकट-अवरक्त प्रकाश जैवमॉड्यूलेशन और रंजक के प्रत्यक्ष प्रकाश-सक्रियण में अंतर स्पष्ट करता है, क्योंकि इन दोनों प्रक्रियाओं को सबसे अधिक एक-दूसरे से भ्रमित किया जाता है।

तरंगदैर्घ्य तय करता है कि रंजक भाग लेगा या नहीं

पानी में मेथिलीन ब्लू एकलक के रूप में लाल प्रकाश का प्रबल अवशोषण करता है। इसका अवशोषण शिखर लगभग 664 से 665 nm पर होता है और लगभग 610 nm के छोटे तरंगदैर्घ्य पर एक सहायक उभार होता है, जो रंजक के द्विलकों और बड़े समूहों में एकत्रित होने पर बढ़ता है। शिखर के पास मोलर अवशोषण गुणांक लगभग 65,000 से 85,000 M-1 cm-1 होता है, इसलिए माइक्रोमोलर विलयन भी गहरे नीले होते हैं। DNA और जैविक पदार्थों के साथ मेथिलीन ब्लू की प्रकाश-रासायनिक क्रियाओं की प्रारंभिक समीक्षा इस अवशोषण व्यवहार और उसके बाद होने वाले उत्तेजित-अवस्था रसायन का वर्णन करती है: अवशोषण से अल्पजीवी सिंगलेट अवस्था बनती है, जो अधिक दीर्घजीवी ट्रिपलेट अवस्था में संक्रमण करती है। इस संक्रमण की रिपोर्ट की गई उपज लगभग 0.5 है, और वायुमिश्रित विलयन में ऑक्सीजन लगभग 2 माइक्रोसेकंड के भीतर इस अवस्था का शमन कर देती है।

इसी शमन चरण पर दोनों प्रकाश-रासायनिक मार्ग अलग होते हैं। Type II रसायन में ट्रिपलेट रंजक मूल-अवस्था वाली ऑक्सीजन को ऊर्जा देता है और सिंगलेट ऑक्सीजन बनाता है, जिसकी सामान्यतः उद्धृत उपज लगभग 0.52 है। Type I रसायन में ट्रिपलेट इसके बजाय किसी क्रियाधार को इलेक्ट्रॉन या हाइड्रोजन देता है, जिससे सुपरऑक्साइड और हाइड्रॉक्सिल जैसी प्रजातियों सहित मुक्त मूलक बनते हैं। दोनों प्रक्रियाएँ एक साथ चल सकती हैं, और Type I के योगदान देने पर भी पारंपरिक प्रकाशगतिक प्रभाव ऑक्सीजन पर अत्यधिक निर्भर रहता है।

मेथिलीन ब्लू के लिए तरंगदैर्घ्य चुनने का निष्कर्ष एक सरल नियम है। लगभग 630 से 680 nm का लाल प्रकाश रंजक के अवशोषण बैंड से मेल खाता है, और 660 से 665 nm एकलक के अधिकतम अवशोषण के पास है। इसलिए जहाँ पर्याप्त रंजक मौजूद हो, वहाँ यह प्रकाशसंवेदीकारक रसायन को चला सकता है। 810 nm का निकट-अवरक्त प्रकाश मूल-अवस्था के अवशोषण बैंड से काफी बाहर है, इसलिए रंजक को सीधे उत्तेजित करने के लिए यह उपयुक्त तरंगदैर्घ्य नहीं है। सांद्रता इस तस्वीर को एक वास्तविक तरीके से जटिल बनाती है: सांद्रता बढ़ने पर अधिक रंजक द्विलक और एकत्रित रूपों में मौजूद होता है, जो लगभग 610 nm की ओर अवशोषण करते हैं और प्रति अणु कम कुशलता से प्रकाशसंवेदीकरण करते हैं। इसलिए रंजक को दोगुना करने से प्रभाव दोगुना नहीं होता। लाल प्रकाश चिकित्सा के साथ मेथिलीन ब्लू की संबंधित समीक्षा इस अवशोषण नियम को किसी भी प्रकाशसंवेदीकृत अभिक्रिया की पूर्वशर्त मानती है।

विकिरण तीव्रता, अवधि और फ्लुएंस तीन मापदंड हैं, एक नहीं

J per square cm में व्यक्त फ्लुएंस, विकिरण तीव्रता और समय का गुणनफल है। केवल फ्लुएंस बताने से ऊर्जा पहुँचने की दर छिप जाती है, और यह दर मायने रखती है।

थोड़े समय के लिए दी गई उच्च विकिरण तीव्रता और लंबे समय तक दी गई कम विकिरण तीव्रता समान फ्लुएंस दे सकती हैं, लेकिन उनका रसायन अलग हो सकता है। उच्च विकिरण तीव्रता घुली हुई ऑक्सीजन को उस दर से अधिक तेजी से खर्च करती है, जिस दर से विसरण उसकी भरपाई करता है। इससे उद्भासन के दौरान ही ऑक्सीजन-निर्भर Type II मार्ग धीमा पड़ जाता है। यह ऊष्मा भी जमा करती है, और गर्म होने पर ऊतक में रक्त प्रवाह बदलता है, जिससे ऑक्सीजन की उपलब्धता और रंजक का वितरण, दोनों बदल जाते हैं। लंबे उद्भासन के दौरान कम विकिरण तीव्रता ऑक्सीजन की आपूर्ति बनाए रखती है, लेकिन मरम्मत और पुनः ऑक्सीजन मिलने की प्रक्रियाओं को उद्भासन के दौरान ही काम करने का समय भी देती है। प्रकाश-रसायन की पाठ्यपुस्तकें इस धारणा को पारस्परिकता कहती हैं कि केवल कुल ऊर्जा-मात्रा मायने रखती है। जब भी ऑक्सीजन, ऊष्मा या जैविक प्रक्रियाएँ भाग लेती हैं, यह धारणा विफल हो जाती है; ऊतक में ऐसा लगभग हमेशा होता है।

मनुष्यों में मेथिलीन ब्लू के साथ रोगाणुरोधी प्रकाशगतिक उद्भासन में सामान्यतः 6 से 18 J per square cm का उपयोग होता है, जो प्रकाश जैवमॉड्यूलेशन के मानों से मेल खाता है। इसलिए केवल फ्लुएंस से प्रक्रिया की पहचान नहीं की जा सकती। रंजक युक्त ऊतक पर 660 nm पर 10 J per square cm का उद्भासन प्रकाशसंवेदीकारक द्वारा संचालित प्रकाश-रसायन है। बहुत थोड़े रंजक वाले ऊतक पर 810 nm पर वही फ्लुएंस पूरी तरह अलग प्रक्रिया है। संख्या समान है। अवधारणा अलग है।

प्रकाशीय पथ और नमूने की ज्यामिति तय करते हैं कि प्रकाश किससे मिलेगा

बीयर–लैम्बर्ट व्यवहार का अर्थ है कि नमूने के सामने वाले हिस्से को पीछे वाले हिस्से की तुलना में कहीं अधिक प्रकाश मिलता है। दसियों माइक्रोमोलर रंजक वाले क्यूवेट में पहला मिलीमीटर ही आने वाले अधिकांश लाल प्रकाश को अवशोषित कर सकता है, जिससे गहरी परतें व्यावहारिक रूप से अनुद्भासित रह जाती हैं। उसी विलयन को कम आयतन वाले उथले वेल में रखने पर उद्भासन लगभग एकसमान हो जाता है। वही रंजक, वही लैम्प, सतह पर वही फ्लुएंस, लेकिन परिणाम अलग।

ऊतक में अवशोषण के साथ प्रकीर्णन भी जुड़ जाता है। लगभग 660 nm का लाल प्रकाश मिलीमीटर के स्तर तक प्रवेश करता है; सटीक गहराई रक्त की मात्रा, वर्णकता और ऊतक के प्रकार से तय होती है। वेल अपने अलग विकृति-कारक जोड़ते हैं: मेनिस्कस का लेंस जैसा प्रभाव, दीवारों से परावर्तन, किनारे के वेल पर छाया पड़ना और प्रकाश स्रोत के नीचे कम आयतन का गर्म होना। समान लैम्प सेटिंग बताने वाली दो प्रयोगशालाओं ने, यदि उनकी प्लेटों के प्रकार, आयतन या स्रोत की दूरियाँ अलग थीं, तो अलग प्रयोग किए हैं।

दूरी पर विशेष ध्यान देना चाहिए, क्योंकि यह सबसे आम अनुल्लिखित चर है। असमानांतर किरणों वाले स्रोत से दूरी बढ़ने पर विकिरण तीव्रता तेजी से घटती है। इसलिए प्लेट के ऊपर लैम्प को 2 cm से 5 cm पर ले जाने से विकिरण तीव्रता कई गुना घट सकती है, जबकि विधि खंड का विवरण वैसा ही बना रहता है। नमूने की सतह पर विकिरण तीव्रता मापे बिना, निर्माता की शक्ति रेटिंग से गणना किए गए प्रकाशित फ्लुएंस अनुमान हैं, मापन नहीं।

टिप्पणियों सहित मापदंड मार्गदर्शिका: उद्भासन को पुनरुत्पादनीय क्या बनाता है

इस पृष्ठ की मूल सामग्री एक जाँचसूची है। किसी अध्ययन के प्रकाश उद्भासन में यदि ये विवरण नहीं दिए गए हैं, तो उसकी तुलना दूसरे अध्ययन से नहीं की जा सकती, भले ही मुख्य रूप से बताई गई ऊर्जा-मात्रा कितनी भी समान लगे।

1. तरंगदैर्घ्य और बैंडविड्थ। शिखर और पूरी चौड़ाई, केवल रंग का नाम नहीं। लाल LED 630 से 680 nm तक का दायरा समेटती हैं, जिसमें रंजक का अवशोषण बहुत अलग होता है।
2. नमूने की सतह पर मापी गई विकिरण तीव्रता, mW per square cm में। निर्माता द्वारा बताई गई वाट क्षमता विकिरण तीव्रता नहीं है।
3. अवधि और स्पंदन। सतत बनाम स्पंदित प्रकाश देना, जिसमें लागू होने पर स्पंदन आवृत्ति और ड्यूटी चक्र भी शामिल हों।
4. ऊपर दिए गए दो मापों से गणना किया गया फ्लुएंस, J per square cm में।
5. रंजक की सांद्रता, सूत्रण और एकत्रीकरण की अवस्था। लगभग 664 nm पर एकलक का प्रकाशसंवेदीकरण लगभग 610 nm पर एकत्रित रूपों से अलग होता है।
6. औषधि–प्रकाश अंतराल। रंजक देने और विकिरण के बीच मिनटों से घंटों का समय, जो तय करता है कि प्रकाश पहुँचने पर रंजक कहाँ होगा।
7. ऑक्सीजन की उपलब्धता। वायुमिश्रित विलयन बनाम कम ऑक्सीजन वाला ऊतक Type I और Type II के संतुलन को सीधे बदलता है।
8. ज्यामिति। नमूने की गहराई, आयतन, पात्र का प्रकार, स्रोत की दूरी और कोण तथा ऊतक में लक्ष्य की गहराई।

शोधपत्र पढ़ते समय एक उपयोगी आदत है: पहले औषधि–प्रकाश अंतराल देखें। इससे उद्देश्य स्पष्ट होता है। प्रकाशगतिक प्रयोगों में जानबूझकर रंजक युक्त ऊतक पर प्रकाश डाला जाता है। संयुक्त प्रयोगों में दोनों को जानबूझकर अलग रखा जा सकता है, जैसा कि नीचे बताया गया है।

निकट-अवरक्त प्रकाश जैवमॉड्यूलेशन रंजक का प्रकाश-सक्रियण नहीं है

प्रकाश जैवमॉड्यूलेशन, जिसका सामान्य संक्षिप्त रूप PBM है, बिना प्रकाशसंवेदीकारक जोड़े शरीर के भीतर के संकेत तंत्रों को प्रभावित करने के लिए लाल या निकट-अवरक्त प्रकाश का उपयोग करता है। प्रकाशगतिक चिकित्सा, जिसका सामान्य संक्षिप्त रूप PDT है, तीन घटकों का एक साथ उपयोग करती है: ऐसा प्रकाश जिसे संवेदीकारक अवशोषित करे, स्वयं संवेदीकारक और ऑक्सीजन। इनसे प्रतिक्रियाशील प्रजातियों का तीव्र निर्माण होता है, जो लक्ष्य को क्षति पहुँचाता है। तंत्रिका-संरक्षण के लक्ष्य के रूप में माइटोकॉन्ड्रिया की समीक्षा मेथिलीन ब्लू को PBM के साथ जोड़ती है, क्योंकि दोनों अलग दिशाओं से श्वसन पर असर डालते हैं: रंजक इलेक्ट्रॉन प्रवाह को सहारा देने वाले उत्प्रेरक रेडॉक्स चक्रक के रूप में कार्य करता है, जबकि PBM के बारे में यह परिकल्पना है कि वह कॉम्प्लेक्स IV में साइटोक्रोम c ऑक्सिडेज़ से अवरोधक नाइट्रिक ऑक्साइड के अलग होने को बढ़ावा देता है। एंज़ाइम की इस क्रियाविधि को परिकल्पना के रूप में ही चिह्नित रखा जाना चाहिए।

चूहों पर किए गए दो सबसे अधिक उद्धृत संयुक्त अध्ययनों में 810 nm प्रकाश का उपयोग हुआ है, और ठीक इसी कारण वे रंजक का प्रकाश-सक्रियण प्रदर्शित नहीं करते। नींद से वंचित करने से पहले उपचार के अध्ययन में चूहों को नींद से वंचित करने से पहले प्रतिदिन 0.5 mg per kg मेथिलीन ब्लू, हर दूसरे दिन 810 nm स्पंदित लेज़र या दोनों दिए गए। संयुक्त पूर्व-उपचार ने स्मृति-संबंधी व्यवहारों और हिप्पोकैम्पस के सिनैप्टिक प्रोटीनों की रक्षा की, जबकि अकेले दिए गए उपचार मोटे तौर पर विफल रहे। दीर्घकालिक तनाव में साथ-साथ उपचार के अध्ययन में चूहों को प्रतिदिन 0.5 mg per kg रंजक के साथ 8 J per square cm पर 810 nm PBM दिया गया। लेज़र पहले लगाया गया और रंजक का इंजेक्शन दो घंटे बाद दिया गया, विशेष रूप से इसलिए कि रंजक युक्त ऊतक पर प्रकाश न पड़े। तीनों उपचार समूहों ने सीखने की कमियों को उलट दिया, और अतिरिक्त संयुक्त लाभ मुख्यतः सीरम कॉर्टिसोल तथा मस्तिष्क की प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों में दिखा। ये परिणाम माइटोकॉन्ड्रिया पर कार्य करने वाले दो हस्तक्षेपों को साथ उपयोग करने की जाँच करते हैं। प्रकाशगतिक अध्ययनों का संग्रह प्रत्येक उपयोग-संदर्भ का तरंगदैर्घ्य दर्ज करके इस अंतर को स्पष्ट रखता है।

त्वचा से जुड़े प्रमाण दूसरी ओर हैं। मनुष्यों की त्वचा पर मेथिलीन ब्लू और प्रकाश के संयुक्त उपयोग के आँकड़े मुख्यतः 630 से 680 nm पर केंद्रित हैं, जिनमें रंजक त्वचा पर लगाया जाता है या घाव के भीतर दिया जाता है, और उद्देश्य ऊतक को नष्ट करना या उसकी संरचना में बदलाव लाना होता है। परिभाषा के अनुसार यह PDT है। उस तरह घाव के समाप्त होने को इस बात का प्रमाण बताना कि रंजक PBM को बढ़ाता है, या 810 nm पर चूहों में सुधार को इस बात का प्रमाण बताना कि 660 nm पैनल और रंजक संज्ञान के लिए कोई प्रोटोकॉल हैं, इन प्रक्रियाओं की सीमाएँ लाँघना है। खुराक और औषध-विज्ञान का संदर्भ तथा सुरक्षा और पारस्परिक क्रियाओं की मार्गदर्शिका इस विषय के सांद्रता और निषेध स्थितियों से जुड़े पहलुओं को आगे विस्तार देते हैं।

संख्याओं की तुलना करने से पहले अवधारणा का नाम तय करें। तरंगदैर्घ्य निर्धारित करता है कि रंजक अवशोषण करेगा या नहीं। विकिरण तीव्रता और अवधि निर्धारित करते हैं कि उस अवशोषण के बाद रसायन क्या करेगा। ज्यामिति निर्धारित करती है कि नमूने का कौन-सा हिस्सा इनमें से किसी भी प्रभाव का अनुभव करेगा। एक मापदंड में समान और बाकी में अलग दो उद्भासन अलग प्रयोग हैं। उन्हें परस्पर विनिमेय मानना वही गलती है जिसे रोकने के लिए यह मार्गदर्शिका बनाई गई है। इससे कोई घरेलू प्रोटोकॉल नहीं निकलता; रंजक के अवशोषण से मेल खाने वाले तरंगदैर्घ्य का प्रकाश और पूरे शरीर में पहुँचने वाला रंजक मिलकर, सामान्यतः मॉड्यूलेशन करने वाले उद्भासन को प्रकाशसंवेदीकारक द्वारा संचालित प्रकाश-रसायन में बदल देते हैं, जिसे चिकित्सकीय विशेषज्ञों के हाथों में ही होना चाहिए।