Metilena biru dan pendedahan cahaya: panjang gelombang, iradians dan geometri rawatan

Dua makalah melaporkan pendedahan metilena biru kepada cahaya sebanyak 10 J per cm persegi. Satu membunuh bakteria. Satu lagi tidak menghasilkan apa-apa kesan yang boleh diukur. Pembaca yang hanya membandingkan dos menyimpulkan bahawa bidang ini tidak konsisten. Bidang ini sebenarnya konsisten. Dos tidak pernah merangkumi keseluruhan pendedahan.

Pendedahan cahaya ialah satu sistem kecil yang terdiri daripada parameter yang bertindak bersama: panjang gelombang, iradians, tempoh, fluens yang terhasil, ketersediaan oksigen, kepekatan pewarna dan keadaan pengagregatannya, selang masa antara pemberian pewarna dengan penyinaran cahaya, serta laluan optik yang benar-benar dilalui cahaya dalam sampel. Ubah satu daripadanya dan fotokimia turut berubah. Artikel ini meneliti setiap parameter, kemudian membezakan fotobiomodulasi inframerah dekat daripada pengaktifan pewarna secara langsung oleh cahaya, kerana kedua-dua rejim ini paling kerap dikelirukan.

Panjang gelombang menentukan sama ada pewarna terlibat

Metilena biru dalam air menyerap cahaya merah dengan kuat dalam bentuk monomer, dengan puncak berhampiran 664 hingga 665 nm dan bahu spektrum pada panjang gelombang yang lebih pendek, berhampiran 610 nm, yang meningkat apabila pewarna beragregat menjadi dimer dan susunan bertindan yang lebih besar. Pekali pemadaman molar berhampiran puncak berada pada julat sekitar 65,000 hingga 85,000 M-1 cm-1, maka larutan pada kepekatan mikromolar pun sudah berwarna biru pekat. Ulasan fotokimia awal tentang metilena biru dengan DNA dan substrat biologi mendokumentasikan tingkah laku penyerapan ini dan kimia keadaan teruja yang menyusul: penyerapan menghasilkan keadaan singlet yang berjangka hayat pendek, kemudian beralih kepada keadaan triplet yang berjangka hayat lebih panjang dengan hasil yang dilaporkan sekitar 0.5, yang dalam larutan berudara dinyahaktifkan oleh oksigen dalam kira-kira 2 mikrosaat.

Pada langkah penyahaktifan itulah kedua-dua laluan fotokimia berpisah. Dalam kimia Jenis II, pewarna dalam keadaan triplet memindahkan tenaga kepada oksigen dalam keadaan asas dan menghasilkan oksigen singlet, dengan hasil yang lazim disebut sekitar 0.52. Dalam kimia Jenis I, keadaan triplet sebaliknya memindahkan elektron atau hidrogen kepada substrat, lalu menghasilkan radikal termasuk spesies superoksida dan hidroksil. Kedua-duanya boleh berlaku serentak, dan kesan fotodinamik konvensional kekal sangat bergantung pada oksigen walaupun Jenis I turut menyumbang.

Implikasinya terhadap pemilihan panjang gelombang metilena biru boleh dirumuskan sebagai satu peraturan mudah. Cahaya merah dari sekitar 630 hingga 680 nm bertindih dengan jalur penyerapan pewarna, dengan 660 hingga 665 nm berhampiran maksimum monomer, maka cahaya ini boleh memacu kimia pemeka cahaya di mana-mana terdapat pewarna dalam jumlah yang ketara. Inframerah dekat pada 810 nm berada jauh di luar jalur penyerapan keadaan asas, maka ia merupakan panjang gelombang yang kurang sesuai untuk pengujaan langsung pewarna. Kepekatan merumitkan gambaran ini dengan satu cara yang perlu diakui: apabila kepekatan meningkat, lebih banyak pewarna berada dalam bentuk dimer dan agregat yang menyerap ke arah 610 nm dan memekakan cahaya dengan kurang cekap bagi setiap molekul, maka menggandakan pewarna tidak menggandakan kesannya. Ulasan pelengkap tentang metilena biru dengan terapi cahaya merah menganggap peraturan penyerapan ini sebagai prasyarat bagi sebarang tindak balas yang dipemekakan oleh cahaya.

Iradians, tempoh dan fluens ialah tiga parameter, bukan satu

Fluens, dalam J per cm persegi, ialah iradians didarab dengan masa. Melaporkan fluens sahaja menyembunyikan kadar tenaga diterima, dan kadar itu penting.

Iradians tinggi yang diberikan seketika dan iradians rendah yang diberikan untuk tempoh panjang boleh menghasilkan fluens yang sama tetapi kimia yang berbeza. Iradians tinggi menggunakan oksigen terlarut lebih cepat daripada kadar penggantiannya melalui resapan, lalu mengehadkan laluan Jenis II yang bergantung pada oksigen sebelum pendedahan selesai. Ia juga membekalkan haba, dan tisu bertindak balas terhadap pemanasan melalui perubahan aliran darah yang mengubah pengoksigenan serta taburan pewarna. Iradians rendah sepanjang pendedahan yang lama mengekalkan bekalan oksigen, tetapi memberi masa kepada proses pembaikan dan pengoksigenan semula untuk bertindak semasa pendedahan itu sendiri. Buku teks fotokimia menamakan andaian bahawa hanya jumlah dos yang penting sebagai prinsip kesalingan. Prinsip ini gagal apabila oksigen, pemanasan atau proses biologi turut terlibat, yang dalam tisu bermakna hampir setiap masa.

Pendedahan fotodinamik antimikrob pada manusia dengan metilena biru lazimnya menggunakan 6 hingga 18 J per cm persegi, yang bertindih dengan nilai fotobiomodulasi. Oleh itu, fluens sahaja tidak dapat mengenal pasti rejimnya. Pendedahan 10 J per cm persegi pada 660 nm terhadap tisu yang mengandungi pewarna ialah fotokimia yang dipacu oleh pemeka cahaya. Fluens yang sama pada 810 nm terhadap tisu dengan pewarna pada aras surih ialah sesuatu yang sama sekali berbeza. Angkanya sama. Konsepnya berbeza.

Laluan optik dan geometri sampel menentukan apa yang ditemui cahaya

Tingkah laku Beer Lambert bermakna bahagian hadapan sampel menerima jauh lebih banyak cahaya berbanding bahagian belakang. Dalam kuvet dengan pewarna pada kepekatan puluhan mikromolar, milimeter pertama boleh menyerap sebahagian besar cahaya merah tuju, menyebabkan lapisan yang lebih dalam pada praktiknya tidak terdedah. Kurangkan isipadu larutan yang sama dan letakkannya dalam telaga cetek, maka pendedahan menjadi hampir seragam. Pewarna sama, lampu sama, fluens di permukaan sama, tetapi hasilnya berbeza.

Tisu menambahkan penyerakan di samping penyerapan. Cahaya merah berhampiran 660 nm menembusi pada skala milimeter, dengan kedalaman tepat ditentukan oleh kandungan darah, pigmentasi dan jenis tisu. Telaga menambahkan artifaknya sendiri: kesan kanta oleh meniskus, pantulan daripada dinding, pembayangan telaga di pinggir, dan pemanasan isipadu kecil di bawah sumber cahaya. Dua makmal yang melaporkan tetapan lampu yang sama tetapi menggunakan jenis plat, isipadu atau jarak sumber yang berbeza sebenarnya telah menjalankan eksperimen yang berbeza.

Jarak perlu diberi penekanan kerana ia merupakan pemboleh ubah tersembunyi yang paling lazim. Iradians menurun dengan cepat apabila jarak daripada sumber yang tidak dikolimasikan meningkat, maka lampu yang dialihkan daripada 2 cm kepada 5 cm di atas plat boleh mengurangkan iradians beberapa kali ganda walaupun penerangan dalam bahagian kaedah masih kelihatan sama. Tanpa iradians yang diukur pada permukaan sampel, fluens terbitan yang dikira daripada penarafan kuasa pengilang ialah anggaran, bukan ukuran.

Panduan parameter beranotasi: perkara yang membolehkan pendedahan dihasilkan semula

Bahan asal untuk halaman ini ialah senarai semak. Mana-mana pendedahan cahaya dalam kajian yang tidak menyertakan butiran ini tidak boleh dibandingkan dengan pendedahan lain, walau betapa serupanya dos utama yang dilaporkan.

1. Panjang gelombang dan lebar jalur. Puncak dan lebar penuh, bukan nama warna. LED merah merangkumi 630 hingga 680 nm, dengan penyerapan pewarna yang sangat berbeza sepanjang julat itu.
2. Iradians pada permukaan sampel, diukur, dalam mW per cm persegi. Kuasa watt pengilang bukan iradians.
3. Tempoh dan denyutan. Penyinaran berterusan berbanding berdenyut, termasuk frekuensi denyutan dan kitar tugas jika berkenaan.
4. Fluens yang dikira daripada pasangan ukuran di atas, dalam J per cm persegi.
5. Kepekatan pewarna, formulasi dan keadaan pengagregatan. Monomer berhampiran 664 nm memekakan cahaya secara berbeza daripada agregat berhampiran 610 nm.
6. Selang masa ubat–cahaya. Tempoh beberapa minit hingga beberapa jam antara pemberian pewarna dengan penyinaran, yang menentukan lokasi pewarna apabila cahaya tiba.
7. Pengoksigenan. Larutan berudara berbanding tisu hipoksia mengubah keseimbangan Jenis I dan Jenis II secara langsung.
8. Geometri. Kedalaman sampel, isipadu, jenis bekas, jarak dan sudut sumber, serta kedalaman sasaran dalam tisu.

Satu tabiat berguna semasa membaca makalah: semak selang masa ubat–cahaya terlebih dahulu. Ia mendedahkan tujuan kajian. Reka bentuk fotodinamik sengaja menyinari tisu yang mengandungi pewarna. Reka bentuk gabungan mungkin sengaja memisahkan kedua-duanya, seperti di bawah.

Fotobiomodulasi inframerah dekat bukan pengaktifan pewarna oleh cahaya

Fotobiomodulasi, yang biasanya disingkatkan sebagai PBM, menggunakan cahaya merah atau inframerah dekat untuk memodulasi isyarat endogen tanpa menambahkan pemeka cahaya. Terapi fotodinamik, yang biasanya disingkatkan sebagai PDT, menggunakan tiga komponen bersama: cahaya yang diserap oleh pemeka, pemeka itu sendiri, dan oksigen untuk menghasilkan lonjakan spesies reaktif yang merosakkan sasaran. Satu ulasan tentang mitokondria sebagai sasaran perlindungan saraf menggandingkan metilena biru dengan PBM kerana kedua-duanya bertumpu pada respirasi melalui laluan yang berbeza: pewarna bertindak sebagai pengitar redoks bermangkin yang menyokong aliran elektron, manakala PBM dihipotesiskan menggalakkan pemisahan nitrik oksida yang merencat daripada sitokrom c oksidase pada Kompleks IV. Mekanisme enzim itu harus terus dilabelkan sebagai hipotesis.

Dua kajian gabungan pada mencit yang paling kerap dipetik kedua-duanya menggunakan cahaya 810 nm, dan itulah sebabnya kajian tersebut tidak menunjukkan pengaktifan pewarna oleh cahaya. Dalam satu kajian prarawatan sebelum kekurangan tidur, mencit menerima metilena biru setiap hari pada 0.5 mg per kg, laser berdenyut 810 nm selang sehari, atau kedua-duanya sebelum kekurangan tidur. Prarawatan gabungan melindungi tingkah laku berkaitan ingatan dan protein sinaptik hipokampus, manakala rawatan tunggal sebahagian besarnya gagal. Dalam satu kajian tekanan kronik dengan rawatan serentak, mencit menerima PBM 810 nm pada 8 J per cm persegi bersama pewarna harian pada 0.5 mg per kg, dengan laser digunakan terlebih dahulu dan pewarna disuntik dua jam kemudian, khusus untuk mengelakkan penyinaran tisu yang mengandungi pewarna. Ketiga-tiga kumpulan rawatan memulihkan defisit pembelajaran, dengan manfaat aditif terutamanya bagi kortisol serum dan spesies oksigen reaktif dalam otak. Hasil ini menguji dua intervensi mitokondria yang digunakan bersama, suatu perbezaan yang terus ditonjolkan dalam himpunan kajian fotodinamik dengan merekodkan panjang gelombang bagi setiap indikasi.

Bukti berkaitan kulit berada pada sisi yang satu lagi. Data manusia tentang metilena biru bersama cahaya pada kulit tertumpu pada 630 hingga 680 nm dengan pewarna topikal atau intralesi serta tujuan pemusnahan atau pembentukan semula, yang mengikut takrif ialah PDT. Memetik hasil penghapusan itu sebagai bukti bahawa pewarna meningkatkan PBM, atau memetik pemulihan pada mencit dengan 810 nm sebagai bukti bahawa panel 660 nm bersama pewarna ialah protokol kognisi, mencampuradukkan kedua-dua rejim. Rujukan dos dan farmakologi serta panduan keselamatan dan interaksi menghuraikan lebih lanjut aspek kepekatan dan kontraindikasi dalam perkara ini.

Nyatakan konsep sebelum membandingkan angka. Panjang gelombang menentukan sama ada pewarna menyerap cahaya. Iradians dan tempoh menentukan apa yang dilakukan oleh proses kimia dengan penyerapan itu. Geometri menentukan bahagian sampel yang mengalami mana-mana kesan tersebut. Dua pendedahan yang sepadan pada satu parameter tetapi berbeza pada parameter selebihnya ialah eksperimen yang berbeza, dan menganggapnya boleh saling menggantikan ialah kesilapan yang ingin dicegah oleh panduan ini. Tiada protokol di rumah boleh disimpulkan daripada semua ini; cahaya dengan panjang gelombang yang serasi bersama pewarna sistemik menukar pendedahan yang sebaliknya bersifat modulasi kepada fotokimia yang dipacu oleh pemeka cahaya, yang perlu dikendalikan oleh tenaga klinikal.