Metilensko modrilo in izpostavljenost svetlobi: valovna dolžina, obsevanost in geometrija obravnave

Dva znanstvena članka poročata o izpostavitvi metilenskega modrila svetlobi z odmerkom 10 J na kvadratni cm. Pri eni raziskavi bakterije odmrejo. Pri drugi ni merljivega učinka. Bralec, ki primerja le odmerek, sklepa, da je področje nedosledno. Področje je dosledno. Odmerek nikoli ni opisoval celotne izpostavljenosti.

Izpostavljenost svetlobi je majhen sistem parametrov, ki delujejo skupaj: valovna dolžina, obsevanost, trajanje, posledična fluenca, razpoložljivost kisika, koncentracija barvila in njegovo agregacijsko stanje, časovni razmik med dajanjem barvila in osvetlitvijo ter optična pot, ki jo svetloba dejansko prepotuje skozi vzorec. Spremenite enega in spremeni se fotokemija. Ta članek obravnava vsak parameter, nato pa loči fotobiomodulacijo z bližnjo infrardečo svetlobo od neposredne fotoaktivacije barvila, saj se ta dva režima najpogosteje zamenjujeta.

Valovna dolžina določa, ali barvilo sodeluje

Metilensko modrilo v vodi v monomerni obliki močno absorbira rdečo svetlobo, z vrhom blizu 664 do 665 nm in ramo pri krajši valovni dolžini, blizu 610 nm, ki narašča, ko se barvilo združuje v dimere in večje skupke. Molarni ekstinkcijski koeficient blizu vrha je reda velikosti 65,000 do 85,000 M-1 cm-1, zato so že mikromolarne raztopine intenzivno modre. Zgodnji fotokemijski pregled metilenskega modrila z DNA in biološkimi substrati opisuje to absorpcijsko obnašanje in kemijo vzbujenih stanj, ki mu sledi: absorpcija povzroči prehod v kratkoživo singletno stanje, nato pa v dolgoživejše tripletno stanje s poročanimi izkoristki blizu 0.5, ki ga v prezračevani raztopini kisik pogasi v približno 2 mikrosekundah.

Prav pri tem koraku gašenja se fotokemijski poti razcepita. Pri kemiji tipa II barvilo v tripletnem stanju prenese energijo na kisik v osnovnem stanju in tvori singletni kisik, pri čemer so pogosto navedeni izkoristki blizu 0.52. Pri kemiji tipa I triplet namesto tega prenese elektron ali vodik na substrat, pri čemer nastanejo radikali, vključno s superoksidnimi in hidroksilnimi zvrstmi. Obe poti lahko potekata hkrati, običajni fotodinamični učinek pa ostaja močno odvisen od kisika, tudi kadar prispeva pot tipa I.

Iz tega sledi preprosto pravilo za izbiro valovne dolžine pri metilenskem modrilu. Rdeča svetloba od približno 630 do 680 nm se prekriva z absorpcijskim pasom barvila, pri čemer je območje od 660 do 665 nm blizu monomernega maksimuma, zato lahko sproži kemijo fotosenzibilizatorja povsod, kjer je prisotna nezanemarljiva količina barvila. Bližnja infrardeča svetloba pri 810 nm je daleč zunaj absorpcijskega pasu osnovnega stanja, zato ta valovna dolžina ni primerna za neposredno vzbujanje barvila. Koncentracija sliko zaplete na en konkreten način: ko koncentracija narašča, je več barvila v dimernih in agregiranih oblikah, ki absorbirajo proti 610 nm in imajo manjšo učinkovitost fotosenzibilizacije na molekulo, zato podvojitev količine barvila ne podvoji učinka. Spremljevalni pregled metilenskega modrila in terapije z rdečo svetlobo to absorpcijsko pravilo obravnava kot predpogoj za vsako fotosenzibilizirano reakcijo.

Obsevanost, trajanje in fluenca so trije parametri, ne eden

Fluenca, izražena v J na kvadratni cm, je obsevanost, pomnožena s časom. Poročanje zgolj o fluenci prikrije hitrost dovajanja energije, ta hitrost pa je pomembna.

Visoka obsevanost za kratek čas in nizka obsevanost za daljši čas lahko zagotovita enako fluenco, vendar različno kemijo. Visoka obsevanost porablja raztopljeni kisik hitreje, kot ga nadomešča difuzija, kar med izpostavljenostjo omeji od kisika odvisno pot tipa II. Povzroča tudi segrevanje, tkivo pa se na segrevanje odzove s spremembami pretoka krvi, ki spremenijo tako oksigenacijo kot porazdelitev barvila. Nizka obsevanost pri dolgotrajni izpostavljenosti ohranja oskrbo s kisikom, vendar omogoča, da procesi popravljanja in ponovne oksigenacije delujejo že med samo izpostavljenostjo. Učbeniki fotokemije predpostavko, da je pomemben le skupni odmerek, imenujejo recipročnost. Ta ne velja, kadar sodelujejo kisik, segrevanje ali biološki procesi, kar v tkivu pomeni skoraj vedno.

Protimikrobne fotodinamične izpostavljenosti z metilenskim modrilom pri ljudeh pogosto uporabljajo 6 do 18 J na kvadratni cm, kar se prekriva z vrednostmi pri fotobiomodulaciji. Zato sama fluenca ne more določiti režima. Izpostavljenost 10 J na kvadratni cm pri 660 nm v tkivu, ki vsebuje barvilo, je fotokemija, ki jo poganja fotosenzibilizator. Enaka fluenca pri 810 nm v tkivu s sledovi barvila je nekaj povsem drugega. Število se ujema. Koncept se razlikuje.

Optična pot in geometrija vzorca določata, kaj svetloba sreča

Beer-Lambertov zakon pomeni, da sprednji del vzorca prejme precej več svetlobe kot zadnji. V kiveti z več deset mikromolarnim barvilom lahko prvi milimeter absorbira večino vpadne rdeče svetlobe, globlje plasti pa ostanejo praktično neizpostavljene. Če isto raztopino v majhnem volumnu prenesemo v plitvo vdolbinico, postane izpostavljenost skoraj enakomerna. Enako barvilo, enaka svetilka, enaka fluenca na površini, drugačen rezultat.

Tkivo poleg absorpcije povzroča še sipanje. Rdeča svetloba blizu 660 nm prodira do globine reda milimetrov, pri čemer natančno globino določajo vsebnost krvi, pigmentacija in vrsta tkiva. Vdolbinice dodajajo svoje artefakte: lečni učinek meniskusa, odboj od sten, senčenje robnih vdolbinic in segrevanje majhnih volumnov pod virom. Dva laboratorija, ki poročata o enakih nastavitvah svetilke, vendar uporabljata različne vrste plošč, volumne ali razdalje od vira, sta izvedla različna poskusa.

Razdalja si zasluži poudarek, ker je najpogostejša zamolčana spremenljivka. Obsevanost z razdaljo od nekolimiranega vira hitro upada, zato lahko premik svetilke z 2 cm na 5 cm nad ploščo večkrat zmanjša obsevanost, čeprav opis v razdelku z metodami ostane enak. Brez izmerjene obsevanosti na površini vzorca so objavljene fluence, izračunane iz proizvajalčevih nazivnih moči, ocene in ne meritve.

Vodnik po parametrih z razlagami: kaj omogoča ponovljivost izpostavljenosti

Izvirno gradivo za to stran je kontrolni seznam. Izpostavljenosti svetlobi v raziskavi, ki izpusti te podatke, ni mogoče primerjati z drugo, pa naj je navedeni odmerek videti še tako podoben.

1. Valovna dolžina in širina pasu. Vrh in polna širina, ne ime barve. Rdeče LED pokrivajo območje od 630 do 680 nm, v katerem se absorpcija barvila zelo razlikuje.
2. Izmerjena obsevanost na površini vzorca, v mW na kvadratni cm. Moč, ki jo navaja proizvajalec, ni obsevanost.
3. Trajanje in pulziranje. Neprekinjeno ali pulzno dovajanje, vključno s frekvenco pulzov in delovnim ciklom, kjer je to relevantno.
4. Fluenca, izračunana iz zgornjega para izmerjenih vrednosti, v J na kvadratni cm.
5. Koncentracija barvila, formulacija in agregacijsko stanje. Monomer blizu 664 nm fotosenzibilizira drugače kot agregati blizu 610 nm.
6. Interval med dajanjem učinkovine in osvetlitvijo. Minute do ure med dajanjem barvila in obsevanjem, kar določa, kje je barvilo ob prihodu svetlobe.
7. Oksigenacija. Prezračevana raztopina v primerjavi s hipoksičnim tkivom neposredno spremeni ravnovesje med tipom I in tipom II.
8. Geometrija. Globina vzorca, volumen, vrsta posode, razdalja in kot vira ter globina tarče v tkivu.

Koristna navada pri branju znanstvenih člankov: najprej preverite interval med dajanjem učinkovine in osvetlitvijo. Ta razkrije namen. Fotodinamične zasnove namerno obsevajo tkivo, ki vsebuje barvilo. Kombinirane zasnove lahko oboje namenoma ločijo, kot je opisano spodaj.

Fotobiomodulacija z bližnjo infrardečo svetlobo ni fotoaktivacija barvila

Fotobiomodulacija, običajno skrajšana kot PBM, uporablja rdečo ali bližnjo infrardečo svetlobo za uravnavanje endogenega signaliziranja brez dodajanja fotosenzibilizatorja. Fotodinamična terapija, običajno skrajšana kot PDT, skupaj uporablja tri sestavine: svetlobo, ki jo senzibilizator absorbira, sam senzibilizator in kisik, da ustvari nenaden porast reaktivnih zvrsti, ki poškodujejo tarčo. Pregled mitohondrijev kot tarče nevroprotekcije povezuje metilensko modrilo s PBM, ker na celično dihanje vplivata po različnih poteh: barvilo deluje kot katalitični redoks prenašalec, ki podpira tok elektronov, medtem ko naj bi PBM po hipotezi spodbujala disociacijo zaviralnega dušikovega oksida iz citokrom c oksidaze v kompleksu IV. Ta encimski mehanizem mora ostati označen kot hipoteza.

Obe najpogosteje citirani kombinirani raziskavi na miših uporabljata svetlobo pri 810 nm, kar je prav razlog, da ne dokazujeta fotoaktivacije barvila. V raziskavi predhodne obravnave pred pomanjkanjem spanja so miši pred pomanjkanjem spanja dnevno prejemale metilensko modrilo v odmerku 0.5 mg na kg, pulzni laser pri 810 nm vsak drugi dan ali oboje. Kombinirana predhodna obravnava je zaščitila vedenjske odzive, povezane s spominom, in sinaptične beljakovine v hipokampusu, medtem ko sta bili posamezni obravnavi večinoma neuspešni. V raziskavi kroničnega stresa s sočasno obravnavo so miši prejemale PBM pri 810 nm z 8 J na kvadratni cm in dnevno barvilo v odmerku 0.5 mg na kg, pri čemer so najprej uporabili laser, barvilo pa vbrizgali dve uri pozneje, izrecno zato, da bi se izognili obsevanju tkiva, ki vsebuje barvilo. Vse tri skupine so odpravile primanjkljaje pri učenju, dodatna korist kombinacije pa je bila predvsem pri serumskem kortizolu in reaktivnih kisikovih zvrsteh v možganih. Ti rezultati preizkušajo dva skupaj uporabljena posega v delovanje mitohondrijev; zbirka fotodinamičnih raziskav to razliko ohranja jasno z beleženjem valovne dolžine za vsako indikacijo.

Dokazi na področju kože sodijo na drugo stran. Podatki o metilenskem modrilu skupaj s svetlobo na človeški koži se zbirajo pri 630 do 680 nm, s topikalnim ali intralezijskim dajanjem barvila ter z namenom uničenja ali preoblikovanja, kar je po definiciji PDT. Navajanje tako dosežene odstranitve kot dokaza, da barvilo okrepi PBM, ali navajanje izboljšanja pri miših pri 810 nm kot dokaza, da sta panel pri 660 nm in barvilo protokol za kognicijo, pomeni mešanje režimov. Referenčno gradivo o odmerjanju in farmakologiji ter vodnik o varnosti in medsebojnem delovanju nadalje obravnavata dele te zgodbe, povezane s koncentracijo in kontraindikacijami.

Pred primerjanjem števil poimenujte koncept. Valovna dolžina določa, ali barvilo absorbira. Obsevanost in trajanje določata, kaj kemija naredi s to absorpcijo. Geometrija določa, kateri del vzorca je sploh deležen teh procesov. Dve izpostavljenosti, ki se ujemata v enem parametru, v vseh drugih pa razlikujeta, sta različna poskusa; obravnavati ju kot medsebojno zamenljivi je napaka, ki jo ta vodnik želi preprečiti. Iz ničesar navedenega ne izhaja protokol za domačo uporabo; svetloba z valovno dolžino, ki jo barvilo absorbira, skupaj s sistemsko uporabljenim barvilom spremeni sicer modulacijsko izpostavljenost v fotokemijo, ki jo poganja fotosenzibilizator, to pa sodi v klinične roke.