Biru metilena dan paparan cahaya: panjang gelombang, iradians, dan geometri perlakuan

Dua makalah melaporkan paparan biru metilena terhadap cahaya sebesar 10 J per square cm. Yang satu membunuh bakteri. Yang lain tidak menghasilkan apa pun yang dapat diukur. Pembaca yang hanya membandingkan dosis akan menyimpulkan bahwa bidang ini tidak konsisten. Bidang ini sebenarnya konsisten. Dosis memang tidak pernah menjadi keseluruhan paparan.

Paparan cahaya adalah suatu sistem kecil yang terdiri atas parameter-parameter yang bekerja bersama: panjang gelombang, iradians, durasi, fluens yang dihasilkan, ketersediaan oksigen, konsentrasi zat warna dan keadaan agregasinya, jeda waktu antara zat warna dan cahaya, serta lintasan optik yang benar-benar dilalui cahaya di dalam sampel. Ubah salah satunya, maka fotokimianya berubah. Artikel ini membahas setiap parameter tersebut, lalu membedakan fotobiomodulasi inframerah dekat dari fotoaktivasi langsung zat warna, karena kedua rezim inilah yang paling sering tertukar.

Panjang gelombang menentukan apakah zat warna berperan

Biru metilena dalam air menyerap cahaya merah dengan kuat sebagai monomer, dengan puncak di sekitar 664 hingga 665 nm dan bahu pada panjang gelombang yang lebih pendek di sekitar 610 nm yang semakin menonjol ketika zat warna beragregasi menjadi dimer dan tumpukan yang lebih besar. Koefisien ekstingsi molar di dekat puncak berada pada kisaran 65,000 hingga 85,000 M-1 cm-1, sehingga larutan mikromolar pun sudah berwarna biru pekat. Tinjauan fotokimia awal tentang biru metilena dengan DNA dan substrat biologis mendokumentasikan perilaku absorpsi ini dan kimia keadaan tereksitasi yang mengikutinya: absorpsi mengisi keadaan singlet berumur pendek, kemudian beralih ke keadaan triplet yang berumur lebih panjang dengan hasil yang dilaporkan mendekati 0.5, yang dalam larutan teraerasi dipadamkan oleh oksigen dalam waktu sekitar 2 microseconds.

Tahap pemadaman tersebut adalah titik tempat kedua jalur fotokimia bercabang. Dalam kimia Tipe II, zat warna triplet memindahkan energi ke oksigen keadaan dasar dan menghasilkan oksigen singlet, dengan hasil yang umum dikutip mendekati 0.52. Dalam kimia Tipe I, keadaan triplet justru memindahkan elektron atau hidrogen ke substrat, menghasilkan radikal termasuk superoksida dan spesies hidroksil. Keduanya dapat berlangsung sekaligus, dan efek fotodinamik konvensional tetap sangat bergantung pada oksigen bahkan ketika Tipe I ikut berkontribusi.

Konsekuensinya bagi pemilihan panjang gelombang biru metilena mengikuti aturan sederhana. Cahaya merah dari sekitar 630 hingga 680 nm bertumpang tindih dengan pita zat warna, dengan 660 hingga 665 nm berada dekat maksimum monomer, sehingga dapat mendorong kimia fotosensitizer di mana pun terdapat zat warna dalam jumlah berarti. Inframerah dekat pada 810 nm berada jauh di luar pita absorpsi keadaan dasar, sehingga merupakan panjang gelombang yang buruk untuk eksitasi langsung zat warna. Konsentrasi memperumit gambaran ini dalam satu hal yang nyata: ketika konsentrasi meningkat, lebih banyak zat warna berada dalam bentuk dimer dan agregat yang menyerap ke arah 610 nm dan melakukan fotosensitisasi dengan efisiensi per molekul yang lebih rendah, sehingga menggandakan jumlah zat warna tidak menggandakan efeknya. Tinjauan pendamping tentang biru metilena dengan terapi cahaya merah memperlakukan aturan absorpsi ini sebagai prasyarat bagi setiap reaksi yang difotosensitisasi.

Iradians, durasi, dan fluens adalah tiga parameter, bukan satu

Fluens, dalam J per square cm, adalah iradians dikalikan waktu. Melaporkan fluens saja menyembunyikan laju datangnya energi, padahal laju tersebut penting.

Iradians tinggi yang diberikan sebentar dan iradians rendah yang diberikan dalam waktu lama dapat menghasilkan fluens yang sama dengan kimia yang berbeda. Iradians tinggi mengonsumsi oksigen terlarut lebih cepat daripada kemampuan difusi untuk menggantikannya, sehingga membatasi jalur Tipe II yang bergantung pada oksigen saat paparan masih berlangsung. Iradians tinggi juga menghasilkan panas, dan jaringan merespons pemanasan dengan perubahan aliran darah yang mengubah baik oksigenasi maupun distribusi zat warna. Iradians rendah dalam paparan lama mempertahankan pasokan oksigen tetapi memberi waktu bagi proses perbaikan dan reoksigenasi untuk berlangsung selama paparan itu sendiri. Buku teks fotokimia menyebut asumsi bahwa hanya dosis total yang penting sebagai resiprositas. Asumsi ini gagal setiap kali oksigen, pemanasan, atau biologi ikut berperan, yang pada jaringan berarti hampir selalu.

Paparan fotodinamik antimikroba pada manusia dengan biru metilena umumnya menggunakan 6 hingga 18 J per square cm, yang bertumpang tindih dengan nilai fotobiomodulasi. Karena itu, fluens saja tidak dapat mengidentifikasi rezimnya. Paparan 10 J per square cm pada 660 nm ke jaringan yang mengandung banyak zat warna merupakan fotokimia yang digerakkan oleh fotosensitizer. Fluens yang sama pada 810 nm ke jaringan dengan hanya jejak zat warna adalah hal yang sama sekali berbeda. Angkanya sama. Konsepnya berbeda.

Lintasan optik dan geometri sampel menentukan apa yang ditemui cahaya

Perilaku Beer Lambert berarti bagian depan sampel menerima jauh lebih banyak cahaya daripada bagian belakang. Dalam kuvet dengan zat warna berkonsentrasi puluhan mikromolar, milimeter pertama dapat menyerap sebagian besar cahaya merah yang datang, sehingga lapisan yang lebih dalam praktis tidak terpapar. Jika larutan yang sama ditempatkan dalam sumur dangkal dengan volume rendah, paparannya menjadi hampir seragam. Zat warna sama, lampu sama, fluens di permukaan sama, hasil berbeda.

Jaringan menambahkan hamburan di atas absorpsi. Cahaya merah di sekitar 660 nm menembus pada kisaran milimeter, dengan kedalaman tepatnya ditentukan oleh kandungan darah, pigmentasi, dan jenis jaringan. Sumur juga menimbulkan artefaknya sendiri: efek lensa meniskus, pantulan dari dinding, pembayangan pada sumur tepi, dan pemanasan volume kecil di bawah sumber cahaya. Dua laboratorium yang melaporkan pengaturan lampu identik tetapi menggunakan jenis pelat, volume, atau jarak sumber yang berbeda telah menjalankan eksperimen yang berbeda.

Jarak perlu ditekankan karena merupakan variabel tersembunyi yang paling umum. Iradians turun dengan cepat seiring bertambahnya jarak dari sumber yang tidak terkolimasi, sehingga lampu yang dipindahkan dari 2 cm menjadi 5 cm di atas pelat dapat mengurangi iradians beberapa kali lipat sementara bagian metode tetap tampak sama. Tanpa pengukuran iradians pada permukaan sampel, fluens yang dipublikasikan dan dihitung dari nilai daya pabrikan adalah estimasi, bukan pengukuran.

Panduan parameter beranotasi: apa yang membuat paparan dapat direproduksi

Aset asli untuk halaman ini adalah daftar periksa. Setiap studi paparan cahaya yang menghilangkan entri berikut tidak dapat dibandingkan dengan studi lain, betapapun mirip dosis utamanya.

1. Panjang gelombang dan lebar pita. Puncak dan lebar penuh, bukan nama warna. LED merah mencakup 630 hingga 680 nm dengan absorpsi zat warna yang sangat berbeda.
2. Iradians pada permukaan sampel, diukur, dalam mW per square cm. Daya watt dari pabrikan bukan iradians.
3. Durasi dan pemulsaan. Pemberian kontinu versus berpulsa, termasuk frekuensi pulsa dan duty cycle jika berlaku.
4. Fluens yang dihitung dari pasangan hasil pengukuran di atas, dalam J per square cm.
5. Konsentrasi zat warna, formulasi, dan keadaan agregasi. Monomer dekat 664 nm melakukan fotosensitisasi secara berbeda dari agregat dekat 610 nm.
6. Interval zat warna-cahaya. Menit hingga jam antara pemberian zat warna dan iradiasi, yang menentukan lokasi zat warna saat cahaya tiba.
7. Oksigenasi. Larutan teraerasi versus jaringan hipoksik secara langsung mengubah keseimbangan Tipe I dan Tipe II.
8. Geometri. Kedalaman sampel, volume, jenis wadah, jarak dan sudut sumber, serta kedalaman target jaringan.

Kebiasaan yang berguna saat membaca makalah: periksa interval zat warna-cahaya terlebih dahulu. Parameter itu menunjukkan tujuan eksperimen. Desain fotodinamik sengaja menyinari jaringan yang telah mengandung zat warna. Desain kombinasi dapat sengaja memisahkan keduanya, seperti di bawah ini.

Fotobiomodulasi inframerah dekat bukan fotoaktivasi zat warna

Fotobiomodulasi, biasanya disingkat PBM, menggunakan cahaya merah atau inframerah dekat untuk memodulasi pensinyalan endogen tanpa menambahkan fotosensitizer. Terapi fotodinamik, biasanya disingkat PDT, menggunakan tiga komponen secara bersamaan: cahaya yang diserap oleh sensitizer, sensitizer itu sendiri, dan oksigen untuk menciptakan lonjakan spesies reaktif yang merusak target. Sebuah tinjauan tentang mitokondria sebagai target neuroproteksi memasangkan biru metilena dengan PBM karena keduanya bertemu pada respirasi dari arah yang berbeda: zat warna bertindak sebagai pengayuh redoks katalitik yang mendukung aliran elektron, sedangkan PBM dihipotesiskan mendorong disosiasi oksida nitrat penghambat dari sitokrom c oksidase pada Kompleks IV. Mekanisme enzim tersebut harus tetap diberi label sebagai hipotesis.

Dua studi kombinasi pada tikus yang paling sering dikutip sama-sama menggunakan cahaya 810 nm, dan justru karena itulah keduanya tidak menunjukkan fotoaktivasi zat warna. Dalam sebuah studi praperlakuan deprivasi tidur, tikus menerima biru metilena harian pada 0.5 mg per kg, laser berpulsa 810 nm setiap dua hari sekali, atau keduanya sebelum deprivasi. Praperlakuan gabungan melindungi perilaku memori dan protein sinaptik hipokampus, sementara perlakuan tunggal sebagian besar gagal. Dalam sebuah studi stres kronis dengan perlakuan bersamaan, tikus menerima PBM 810 nm pada 8 J per square cm bersama zat warna harian pada 0.5 mg per kg, dengan laser diterapkan terlebih dahulu dan zat warna disuntikkan dua jam kemudian secara khusus untuk menghindari penyinaran jaringan yang telah mengandung zat warna. Ketiga kelompok perlakuan membalikkan defisit belajar, dengan manfaat aditif terutama pada kortisol serum dan spesies oksigen reaktif di otak. Hasil ini menguji dua intervensi mitokondria yang digunakan bersama, suatu perbedaan yang tetap dibuat jelas oleh kumpulan studi fotodinamik dengan mencatat panjang gelombang untuk setiap indikasi.

Bukti pada kulit berada di sisi lain. Data manusia tentang biru metilena plus cahaya pada kulit terkonsentrasi pada 630 hingga 680 nm dengan zat warna topikal atau intralesional serta tujuan destruktif atau remodeling, yang secara definisi merupakan PDT. Mengutip pembersihan tersebut sebagai bukti bahwa zat warna meningkatkan PBM, atau mengutip pemulihan pada tikus dengan 810 nm sebagai bukti bahwa panel 660 nm plus zat warna merupakan protokol kognisi, berarti mencampuradukkan rezim. Referensi dosis dan farmakologi serta panduan keamanan dan interaksi membahas lebih lanjut bagian cerita ini yang berkaitan dengan konsentrasi dan kontraindikasi.

Tentukan konsepnya sebelum membandingkan angka. Panjang gelombang menentukan apakah zat warna menyerap cahaya. Iradians dan durasi menentukan apa yang dilakukan kimia terhadap absorpsi tersebut. Geometri menentukan bagian sampel mana yang benar-benar mengalaminya. Dua paparan yang sama pada satu parameter tetapi berbeda pada parameter lainnya merupakan eksperimen yang berbeda, dan memperlakukannya seolah dapat dipertukarkan adalah kesalahan yang ingin dicegah oleh panduan ini. Tidak ada protokol rumahan yang dapat diturunkan dari semua ini; cahaya dengan panjang gelombang yang kompatibel plus zat warna sistemik mengubah paparan yang seharusnya bersifat modulatif menjadi fotokimia yang digerakkan oleh fotosensitizer, yang merupakan ranah klinis.