Metilēnzilais un gaismas iedarbība: viļņa garums, apstarojuma intensitāte un apstarošanas ģeometrija

Divos rakstos ziņots par metilēnzilā apstarošanu ar gaismu, kuras enerģijas blīvums ir 10 J uz kvadrātcentimetru. Vienā gadījumā baktērijas tiek iznīcinātas. Otrā nav izmērāma rezultāta. Lasītājs, kurš salīdzina tikai devu, secina, ka šīs jomas rezultāti ir pretrunīgi. Taču tie nav pretrunīgi. Deva nekad nav raksturojusi visu iedarbību.

Gaismas iedarbību veido neliela savstarpēji saistītu parametru sistēma: viļņa garums, apstarojuma intensitāte, ilgums, iegūtais enerģijas blīvums, skābekļa pieejamība, krāsvielas koncentrācija un agregācijas stāvoklis, intervāls starp krāsvielas ievadīšanu un apstarošanu, kā arī optiskais ceļš, ko gaisma faktiski veic paraugā. Mainot vienu no tiem, mainās fotoķīmiskās reakcijas. Šajā rakstā aplūkots katrs parametrs un pēc tam nošķirta tuvo infrasarkano staru fotobiomodulācija no tiešas krāsvielas fotoaktivācijas, jo šos divus režīmus sajauc visbiežāk.

Viļņa garums nosaka, vai krāsviela piedalās reakcijā

Metilēnzilais ūdenī monomēra formā spēcīgi absorbē sarkano gaismu; absorbcijas maksimums ir aptuveni pie 664 līdz 665 nm, bet īsāku viļņu pusē ap 610 nm ir absorbcijas plecs, kas pieaug, krāsvielai agregējoties dimēros un lielākos sakopojumos. Molārais ekstinkcijas koeficients maksimuma tuvumā ir aptuveni 65,000 līdz 85,000 M-1 cm-1, tāpēc jau mikromolāri šķīdumi ir intensīvi zili. Agrīnajā pārskatā par metilēnzilā fotoķīmiju ar DNS un bioloģiskiem substrātiem aprakstīta šī absorbcija un tai sekojošā ierosinātā stāvokļa ķīmija: absorbcija rada īslaicīgu singleta stāvokli, kas pāriet ilgāk pastāvošā tripleta stāvoklī ar ziņoto iznākumu ap 0.5; aerētā šķīdumā skābeklis šo stāvokli dzēš aptuveni 2 mikrosekundēs.

Tieši šajā dzēšanas posmā abi fotoķīmiskie ceļi atšķiras. II tipa reakcijās krāsviela tripleta stāvoklī nodod enerģiju skābeklim pamatstāvoklī un rada singleta skābekli; bieži minētais iznākums ir ap 0.52. Savukārt I tipa reakcijās triplets nodod substrātam elektronu vai ūdeņradi, radot radikāļus, tostarp superoksīda un hidroksilradikāļus. Abi ceļi var darboties vienlaikus, un tradicionālā fotodinamiskā iedarbība joprojām ir stipri atkarīga no skābekļa arī tad, ja piedalās I tipa reakcijas.

No tā izriet vienkāršs noteikums metilēnzilā apstarošanas viļņa garuma izvēlei. Sarkanā gaisma aptuveni no 630 līdz 680 nm pārklājas ar krāsvielas absorbcijas joslu, un 660 līdz 665 nm ir tuvu monomēra absorbcijas maksimumam, tāpēc tā var izraisīt fotosensibilizatora fotoķīmiskās reakcijas visur, kur ir ievērojams krāsvielas daudzums. Tuvā infrasarkanā gaisma pie 810 nm atrodas tālu ārpus pamatstāvokļa absorbcijas joslas, tāpēc šis viļņa garums nav piemērots tiešai krāsvielas ierosināšanai. Koncentrācija šo ainu sarežģī vienā būtiskā ziņā: pieaugot koncentrācijai, arvien vairāk krāsvielas ir dimēru un agregātu formās, kas absorbē tuvāk 610 nm un uz vienu molekulu fotosensibilizē mazāk efektīvi, tāpēc divkāršs krāsvielas daudzums nenozīmē divkāršu iedarbību. Saistītajā pārskatā par metilēnzilo un sarkanās gaismas terapiju šis absorbcijas noteikums aplūkots kā jebkuras fotosensibilizētas reakcijas priekšnoteikums.

Apstarojuma intensitāte, ilgums un enerģijas blīvums ir trīs parametri, nevis viens

Enerģijas blīvums, ko izsaka J uz kvadrātcentimetru, ir apstarojuma intensitātes un laika reizinājums. Norādot tikai enerģijas blīvumu, netiek atklāts, cik ātri enerģija tika pievadīta, un šim ātrumam ir nozīme.

Īslaicīga apstarošana ar augstu intensitāti un ilgstoša apstarošana ar zemu intensitāti var nodrošināt vienādu enerģijas blīvumu, taču atšķirīgas ķīmiskās reakcijas. Augsta apstarojuma intensitāte patērē izšķīdušo skābekli ātrāk, nekā difūzija to atjauno, tādējādi apstarošanas gaitā ierobežojot no skābekļa atkarīgo II tipa reakciju ceļu. Tā rada arī siltumu, un audi uz sasilšanu reaģē ar asinsrites izmaiņām, kas maina gan skābekļa piegādi, gan krāsvielas sadalījumu. Zema intensitāte ilgstošas apstarošanas laikā ļauj uzturēt skābekļa piegādi, taču dod laiku atjaunošanās un atkārtotas oksigenācijas procesiem jau pašas apstarošanas laikā. Fotoķīmijas mācību grāmatās pieņēmumu, ka svarīga ir tikai kopējā deva, sauc par savstarpīguma principu. Tas nav spēkā, ja iesaistās skābeklis, sasilšana vai bioloģiskie procesi, tātad audos — gandrīz vienmēr.

Cilvēkiem veiktā pretmikrobu fotodinamiskā apstarošanā ar metilēnzilo bieži izmanto 6 līdz 18 J uz kvadrātcentimetru, kas pārklājas ar fotobiomodulācijas vērtībām. Tāpēc tikai pēc enerģijas blīvuma nevar noteikt režīmu. Apstarošana ar 10 J uz kvadrātcentimetru pie 660 nm audos, kuros ir krāsviela, ir fotosensibilizatora izraisīta fotoķīmija. Tas pats enerģijas blīvums pie 810 nm audos ar niecīgu krāsvielas daudzumu ir pavisam kas cits. Skaitlis sakrīt. Koncepcija atšķiras.

Optiskais ceļš un parauga ģeometrija nosaka, ko gaisma sasniedz

Bēra–Lamberta likums nozīmē, ka parauga priekšējo daļu sasniedz daudz vairāk gaismas nekā aizmugurējo. Kivetē ar krāsvielas koncentrāciju desmitiem mikromolu litrā pirmais milimetrs var absorbēt lielāko daļu krītošās sarkanās gaismas, atstājot dziļākos slāņus faktiski neapstarotus. Ja to pašu šķīdumu nelielā tilpumā ievieto seklā iedobē, apstarošana kļūst gandrīz vienmērīga. Tā pati krāsviela, tā pati lampa, tas pats enerģijas blīvums uz virsmas — atšķirīgs rezultāts.

Audos absorbcijai pievienojas arī izkliede. Sarkanā gaisma ap 660 nm iekļūst aptuveni dažus milimetrus dziļi; precīzu dziļumu nosaka asiņu daudzums, pigmentācija un audu veids. Iedobes rada arī savus artefaktus: meniska lēcas efektu, atstarošanos no sieniņām, malējo iedobju noēnojumu un nelielu tilpumu sasilšanu zem gaismas avota. Divas laboratorijas, kas ziņo par vienādiem lampas iestatījumiem, bet izmanto atšķirīgu tipu plates, tilpumus vai attālumus līdz avotam, ir veikušas atšķirīgus eksperimentus.

Attālums ir īpaši jāuzsver, jo tas ir visbiežāk nenorādītais mainīgais. Apstarojuma intensitāte strauji samazinās, palielinoties attālumam no nekolimēta avota, tāpēc lampas pārvietošana no 2 cm uz 5 cm augstumu virs plates var vairākas reizes samazināt intensitāti, lai gan metožu sadaļas apraksts paliek nemainīgs. Ja apstarojuma intensitāte pie parauga virsmas nav izmērīta, publicētie enerģijas blīvumi, kas aprēķināti no ražotāja norādītās jaudas, ir aplēses, nevis mērījumi.

Parametru ceļvedis ar skaidrojumiem: kas padara apstarošanu reproducējamu

Šīs lapas oriģinālais materiāls ir kontrolsaraksts. Pētījumā aprakstītu gaismas iedarbību, kuras aprakstā trūkst šo punktu, nevar salīdzināt ar citu, lai cik līdzīga šķistu galvenā norādītā deva.

1. Viļņa garums un joslas platums. Maksimums un pilnais platums, nevis krāsas nosaukums. Sarkanās LED gaismas diapazons aptver 630 līdz 680 nm, kur krāsvielas absorbcija ļoti atšķiras.
2. Izmērīta apstarojuma intensitāte pie parauga virsmas, mW uz kvadrātcentimetru. Ražotāja norādītā jauda vatos nav apstarojuma intensitāte.
3. Ilgums un pulsācija. Nepārtraukta vai impulsu apstarošana, attiecīgajos gadījumos norādot arī impulsu frekvenci un darba ciklu.
4. Enerģijas blīvums, kas aprēķināts no iepriekš minētā izmērīto parametru pāra, J uz kvadrātcentimetru.
5. Krāsvielas koncentrācija, sastāvs un agregācijas stāvoklis. Monomērs pie aptuveni 664 nm fotosensibilizē citādi nekā agregāti pie aptuveni 610 nm.
6. Intervāls starp preparāta ievadīšanu un apstarošanu. Minūtes līdz stundas starp krāsvielas ievadīšanu un apstarošanu nosaka, kur krāsviela atrodas, kad to sasniedz gaisma.
7. Oksigenācija. Aerēts šķīdums un hipoksiski audi tieši atšķirīgi ietekmē I un II tipa reakciju līdzsvaru.
8. Ģeometrija. Parauga dziļums, tilpums, trauka veids, attālums līdz avotam un tā leņķis, kā arī mērķa dziļums audos.

Noderīgs ieradums, lasot pētījumus: vispirms pārbaudiet intervālu starp preparāta ievadīšanu un apstarošanu. Tas atklāj ieceri. Fotodinamiskos pētījumos ar krāsvielu piesātinātus audus apstaro apzināti. Kombinētos pētījumos abas darbības var būt apzināti nodalītas, kā aprakstīts tālāk.

Tuvo infrasarkano staru fotobiomodulācija nav krāsvielas fotoaktivācija

Fotobiomodulācija, ko parasti saīsina kā PBM, izmanto sarkano vai tuvo infrasarkano gaismu, lai modulētu endogēno signālu pārraidi, nepievienojot fotosensibilizatoru. Fotodinamiskā terapija, ko parasti saīsina kā PDT, apvieno trīs komponentus: gaismu, ko sensibilizators absorbē, pašu sensibilizatoru un skābekli, lai radītu strauju reaktīvo daļiņu veidošanos, kas bojā mērķi. Pārskatā par mitohondrijiem kā neiroprotekcijas mērķi metilēnzilais aplūkots kopā ar PBM, jo tie ietekmē elpošanu no atšķirīgām pusēm: krāsviela darbojas kā katalītisks oksidēšanās–reducēšanās cikla dalībnieks, atbalstot elektronu plūsmu, savukārt pastāv hipotēze, ka PBM veicina inhibējošā slāpekļa monoksīda disociāciju no citohroma c oksidāzes IV kompleksā. Šis enzīma darbības mehānisms joprojām ir jānorāda kā hipotēze.

Abos visbiežāk citētajos kombinētas iedarbības pētījumos ar pelēm izmanto 810 nm gaismu, un tieši tāpēc tie nepierāda krāsvielas fotoaktivāciju. Pētījumā par iepriekšēju iedarbību pirms miega lieguma peles pirms miega lieguma katru dienu saņēma metilēnzilo 0.5 mg uz kg, katru otro dienu tika apstarotas ar 810 nm impulsu lāzeru vai saņēma abas iedarbības. Kombinētā iepriekšējā iedarbība pasargāja ar atmiņu saistītos uzvedības rādītājus un hipokampa sinaptiskos proteīnus, savukārt atsevišķās iedarbības lielākoties nesniedza šādu rezultātu. Hroniska stresa pētījumā ar vienlaicīgu terapiju peles saņēma 810 nm PBM ar 8 J uz kvadrātcentimetru līdztekus ikdienas krāsvielas ievadīšanai 0.5 mg uz kg; vispirms izmantoja lāzeru, bet krāsvielu injicēja divas stundas vēlāk, tieši lai izvairītos no ar krāsvielu piesātinātu audu apstarošanas. Visās trijās grupās mācīšanās traucējumi tika novērsti, un aditīvs ieguvums galvenokārt bija vērojams kortizola līmenim serumā un reaktīvajām skābekļa formām smadzenēs. Šie rezultāti pārbauda divas kopā izmantotas uz mitohondrijiem vērstas iedarbības; fotodinamisko pētījumu apkopojumā šī atšķirība tiek saglabāta redzama, katrai indikācijai norādot viļņa garumu.

Pierādījumi par ādu attiecas uz otru režīmu. Cilvēku ādas pētījumos par metilēnzilo kopā ar gaismu pārsvarā izmanto 630 līdz 680 nm, krāsvielu lietojot lokāli vai ievadot bojājumā, ar mērķi izraisīt destrukciju vai pārveidi; pēc definīcijas tā ir PDT. Atsaukšanās uz šādu bojājumu izzušanu kā pierādījumu, ka krāsviela pastiprina PBM, vai uz uzlabojumu pelēm pie 810 nm kā pierādījumu, ka 660 nm panelis kopā ar krāsvielu ir kognitīvo funkciju protokols, sajauc šos režīmus. Uzziņu materiālā par devām un farmakoloģiju, kā arī drošuma un mijiedarbību ceļvedī šī tēma tālāk aplūkota saistībā ar koncentrāciju un kontrindikācijām.

Pirms salīdzināt skaitļus, nosauciet koncepciju. Viļņa garums nosaka, vai krāsviela absorbē gaismu. Apstarojuma intensitāte un ilgums nosaka, kādas ķīmiskās reakcijas šī absorbcija izraisa. Ģeometrija nosaka, kuru parauga daļu vispār sasniedz šī iedarbība. Divas apstarošanas, kas sakrīt vienā parametrā un atšķiras pārējos, ir atšķirīgi eksperimenti, un to uzskatīšana par savstarpēji aizstājamiem ir kļūda, kuru šis ceļvedis palīdz novērst. No tā visa neizriet nekāds mājas apstākļos izmantojams protokols; gaisma ar krāsvielas absorbcijai atbilstošu viļņa garumu kopā ar sistēmiski ievadītu krāsvielu citādi modulējošu iedarbību pārvērš fotosensibilizatora izraisītā fotoķīmijā, kas jāatstāj klīnisko speciālistu ziņā.