Albastrul de metilen și expunerea la lumină: lungimea de undă, iradianța și geometria tratamentului

Două lucrări raportează expunerea albastrului de metilen la 10 J pe cm pătrat de lumină. Una distruge bacteriile. Cealaltă nu produce niciun efect măsurabil. Un cititor care compară doar doza concluzionează că domeniul este inconsecvent. Domeniul este consecvent. Doza nu a descris niciodată întreaga expunere.

O expunere la lumină este un mic sistem de parametri care acționează împreună: lungimea de undă, iradianța, durata, fluența rezultată, disponibilitatea oxigenului, concentrația colorantului și starea sa de agregare, intervalul dintre administrarea colorantului și aplicarea luminii și drumul optic pe care lumina îl parcurge efectiv prin probă. Modificați unul dintre acești parametri și fotochimia se schimbă. Acest articol analizează fiecare parametru, apoi distinge fotobiomodularea în infraroșul apropiat de fotoactivarea directă a colorantului, deoarece aceste două regimuri sunt cel mai frecvent confundate.

Lungimea de undă determină dacă participă colorantul

Albastrul de metilen în apă absoarbe puternic lumina roșie sub formă de monomer, cu un maxim în apropiere de 664 până la 665 nm și un umăr spectral la o lungime de undă mai scurtă, în apropiere de 610 nm, care crește pe măsură ce colorantul se agregă în dimeri și stive moleculare mai mari. Coeficientul de extincție molară în apropierea maximului este de ordinul a 65,000 până la 85,000 M-1 cm-1, astfel încât soluțiile micromolare au deja o culoare albastră intensă. Sinteza fotochimică timpurie despre albastrul de metilen în prezența ADN-ului și a substraturilor biologice documentează acest comportament de absorbție și chimia stărilor excitate care urmează: absorbția populează o stare singlet de scurtă durată, urmată de trecerea într-o stare triplet cu durată mai lungă, cu randamente raportate în jur de 0.5, care, în soluție aerată, este dezactivată de oxigen în aproximativ 2 microsecunde.

Această etapă de dezactivare este punctul în care cele două căi fotochimice diverg. În chimia de tip II, colorantul în stare triplet transferă energie oxigenului aflat în starea fundamentală și produce oxigen singlet, cu randamente citate frecvent în jur de 0.52. În chimia de tip I, starea triplet transferă în schimb un electron sau hidrogen unui substrat, producând radicali, inclusiv specii superoxid și hidroxil. Ambele căi pot funcționa simultan, iar efectul fotodinamic convențional rămâne puternic dependent de oxigen chiar și atunci când contribuie și tipul I.

Consecința pentru alegerea lungimii de undă în cazul albastrului de metilen este o regulă simplă. Lumina roșie de la aproximativ 630 până la 680 nm se suprapune cu banda colorantului, iar intervalul 660 până la 665 nm este aproape de maximul monomerului, astfel încât poate declanșa chimia fotosensibilizatorului oriunde colorantul este prezent într-o cantitate apreciabilă. Infraroșul apropiat la 810 nm se află mult în afara benzii de absorbție a stării fundamentale, deci este o lungime de undă slab potrivită pentru excitarea directă a colorantului. Concentrația complică tabloul într-un mod clar: pe măsură ce crește concentrația, o proporție mai mare de colorant se află în forme dimerice și agregate, care absorb spre 610 nm și fotosensibilizează mai puțin eficient per moleculă, astfel încât dublarea cantității de colorant nu dublează efectul. Sinteza complementară despre albastrul de metilen și terapia cu lumină roșie tratează această regulă de absorbție drept condiția prealabilă pentru orice reacție fotosensibilizată.

Iradianța, durata și fluența sunt trei parametri, nu unul singur

Fluența, în J pe cm pătrat, este iradianța înmulțită cu timpul. Raportarea doar a fluenței ascunde ritmul în care a fost furnizată energia, iar acest ritm contează.

O iradianță mare aplicată pentru scurt timp și o iradianță mică aplicată pentru mult timp pot produce aceeași fluență, dar o chimie diferită. Iradianța mare consumă oxigenul dizolvat mai repede decât îl înlocuiește difuzia, ceea ce limitează calea de tip II dependentă de oxigen pe parcursul expunerii. De asemenea, produce căldură, iar țesutul răspunde la încălzire prin modificări ale fluxului sanguin care schimbă atât oxigenarea, cât și distribuția colorantului. Iradianța mică pe parcursul unei expuneri lungi menține aportul de oxigen, dar le oferă proceselor de reparare și reoxigenare timp să acționeze chiar în timpul expunerii. Manualele de fotochimie numesc reciprocitate ipoteza potrivit căreia contează doar doza totală. Aceasta nu mai este valabilă atunci când intervin oxigenul, încălzirea sau procesele biologice, ceea ce, în țesuturi, înseamnă aproape întotdeauna.

Expunerile fotodinamice antimicrobiene cu albastru de metilen la oameni folosesc frecvent 6 până la 18 J pe cm pătrat, un interval care se suprapune cu valorile folosite în fotobiomodulare. Prin urmare, fluența singură nu poate identifica regimul. O expunere de 10 J pe cm pătrat la 660 nm într-un țesut încărcat cu colorant reprezintă fotochimie determinată de fotosensibilizator. Aceeași fluență la 810 nm într-un țesut cu urme de colorant este cu totul altceva. Numărul coincide. Conceptul diferă.

Drumul optic și geometria probei determină ce întâlnește lumina

Comportamentul descris de legea Beer-Lambert înseamnă că partea din față a unei probe primește mult mai multă lumină decât partea din spate. Într-o cuvetă cu o concentrație de colorant de ordinul zecilor de micromoli pe litru, primul milimetru poate absorbi cea mai mare parte a luminii roșii incidente, lăsând straturile mai profunde practic neexpuse. Reduceți aceeași soluție la un volum mic într-un godeu puțin adânc, iar expunerea devine aproape uniformă. Același colorant, aceeași lampă, aceeași fluență la suprafață, rezultat diferit.

Țesutul adaugă împrăștierea luminii la absorbție. Lumina roșie în apropiere de 660 nm pătrunde la adâncimi de ordinul milimetrilor, adâncimea exactă fiind determinată de conținutul de sânge, pigmentare și tipul de țesut. Godeurile adaugă propriile artefacte: efectul de lentilă al meniscului, reflexia pe pereți, umbrirea godeurilor de la margine și încălzirea volumelor mici sub sursă. Două laboratoare care raportează setări identice ale lămpii, dar folosesc tipuri diferite de plăci, volume diferite sau distanțe diferite față de sursă au realizat experimente diferite.

Distanța merită subliniată deoarece este cea mai frecventă variabilă trecută sub tăcere. Iradianța scade rapid cu distanța față de o sursă necolimată, astfel încât mutarea unei lămpi de la 2 cm la 5 cm deasupra plăcii poate reduce iradianța de câteva ori, în timp ce secțiunea de metode rămâne neschimbată. Fără o iradianță măsurată la suprafața probei, fluențele publicate, calculate din puterile nominale declarate de producător, sunt estimări, nu măsurători.

Ghid adnotat al parametrilor: ce face ca o expunere să fie reproductibilă

Materialul original al acestei pagini este o listă de verificare. Orice expunere la lumină dintr-un studiu care omite aceste elemente nu poate fi comparată cu alta, oricât de asemănătoare ar părea doza prezentată ca valoare principală.

1. Lungimea de undă și lățimea de bandă. Maximul și lățimea completă, nu denumirea unei culori. LED-urile roșii acoperă intervalul 630 până la 680 nm, în care absorbția colorantului diferă foarte mult.
2. Iradianța la suprafața probei, măsurată, în mW pe cm pătrat. Puterea în wați declarată de producător nu este iradianță.
3. Durata și regimul de impulsuri. Aplicare continuă sau pulsată, inclusiv frecvența impulsurilor și factorul de umplere, unde este cazul.
4. Fluența calculată din perechea de valori măsurate de mai sus, în J pe cm pătrat.
5. Concentrația colorantului, formularea și starea de agregare. Monomerul din apropiere de 664 nm fotosensibilizează diferit față de agregatele din apropiere de 610 nm.
6. Intervalul dintre administrarea substanței și aplicarea luminii. Minutele până la orele dintre administrarea colorantului și iradiere, care determină unde se află colorantul când ajunge lumina.
7. Oxigenarea. O soluție aerată, comparativ cu un țesut hipoxic, schimbă direct echilibrul dintre tipul I și tipul II.
8. Geometria. Adâncimea probei, volumul, tipul recipientului, distanța și unghiul sursei, precum și adâncimea țintei în țesut.

Un obicei util când citiți lucrări: verificați mai întâi intervalul dintre administrarea substanței și aplicarea luminii. Acesta dezvăluie intenția. Protocoalele fotodinamice iradiază deliberat țesutul încărcat cu colorant. Protocoalele combinate pot separa intenționat cele două intervenții, ca în exemplele de mai jos.

Fotobiomodularea în infraroșul apropiat nu este fotoactivarea colorantului

Fotobiomodularea, abreviată de obicei PBM, folosește lumină roșie sau din infraroșul apropiat pentru a modula semnalizarea endogenă fără adăugarea unui fotosensibilizator. Terapia fotodinamică, abreviată de obicei PDT, folosește împreună trei componente: lumina pe care o absoarbe fotosensibilizatorul, fotosensibilizatorul în sine și oxigenul, pentru a genera un val de specii reactive care deteriorează ținta. O sinteză despre mitocondrii ca țintă pentru neuroprotecție asociază albastrul de metilen cu PBM deoarece acestea converg asupra respirației din direcții diferite: colorantul participă catalitic la cicluri redox care susțin fluxul de electroni, în timp ce pentru PBM se presupune că favorizează disocierea oxidului nitric inhibitor de citocrom c oxidază la nivelul Complexului IV. Acest mecanism enzimatic trebuie să rămână prezentat ca ipoteză.

Cele două studii pe șoareci privind combinația, citate cel mai frecvent, folosesc ambele lumină de 810 nm, exact motivul pentru care nu demonstrează fotoactivarea colorantului. Într-un studiu privind tratamentul prealabil privării de somn, șoarecii au primit zilnic albastru de metilen la 0.5 mg per kg, laser pulsat de 810 nm o dată la două zile sau ambele, înainte de privare. Tratamentul prealabil combinat a protejat comportamentele asociate memoriei și proteinele sinaptice hipocampale, în timp ce tratamentele individuale au eșuat în mare măsură. Într-un studiu privind stresul cronic cu tratament concomitent, șoarecii au primit PBM la 810 nm și 8 J pe cm pătrat, alături de administrarea zilnică a colorantului la 0.5 mg per kg, laserul fiind aplicat primul, iar colorantul injectat două ore mai târziu, tocmai pentru a evita iradierea țesutului încărcat cu colorant. Toate cele trei brațe de tratament au inversat deficitele de învățare, cu un beneficiu aditiv în principal pentru cortizolul seric și speciile reactive de oxigen din creier. Aceste rezultate testează două intervenții mitocondriale folosite împreună, o distincție pe care colecția de studii fotodinamice o menține vizibilă prin consemnarea lungimii de undă pentru fiecare indicație.

Dovezile privind pielea se află de cealaltă parte. Datele la oameni despre albastrul de metilen asociat cu lumină pentru piele se concentrează în intervalul 630 până la 680 nm, cu colorant aplicat topic sau intralezional și cu scop distructiv ori de remodelare, ceea ce reprezintă PDT prin definiție. Citarea acelei eliminări a leziunilor ca dovadă că acest colorant amplifică PBM sau citarea unei restabiliri observate la șoareci la 810 nm ca dovadă că un panou de 660 nm plus colorant constituie un protocol pentru cogniție înseamnă confundarea regimurilor. Materialul de referință despre dozare și farmacologie și ghidul de siguranță și interacțiuni dezvoltă aspectele acestei teme legate de concentrație și contraindicații.

Identificați conceptul înainte de a compara numerele. Lungimea de undă determină dacă acest colorant absoarbe. Iradianța și durata determină ce face chimia cu acea absorbție. Geometria determină ce parte a probei este expusă acestor procese. Două expuneri care coincid într-un parametru și diferă în ceilalți sunt experimente diferite, iar tratarea lor ca interschimbabile este eroarea pe care acest ghid urmărește să o prevină. Din toate acestea nu rezultă niciun protocol pentru acasă; lumina cu o lungime de undă compatibilă, împreună cu administrarea sistemică a colorantului, transformă o expunere altfel modulatoare în fotochimie determinată de fotosensibilizator, care trebuie să rămână în grija profesioniștilor din mediul clinic.