Popularne współczesne źródła światła dla medycyny 1. Lampy termiczne na ogół emitują szerokie widma i wymagają stosowania filtrów spektralnych 2. Diody luminescencyjne(LEDy) Light Emitting Diodes) - małe - wąskie widmo optyczne - dostępne dla wielu różnych dł. fali - bardzo tanie 3. Lasery – półprzewodnikowe (diodowe) tańsze od laserów gazowych i na ciele stałym Widma lasera i LED: na ogół za słabe do chirurgii doskonałe do PDD/PDT Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Fotomedycyna terapia żółtaczki u noworodków (niedojrzałość wątroby powoduje akumulację bilirubiny w organizmie i może powodować uszkodzenia mózgu) – ok. 1958 r. obserwacja wpływu światła niebieskiego (425-475 nm), od ok. 1965 r. popularne profilaktyczne naświetlanie noworodków niebieskim światłem. Mechanizm – absorpcja nieb. światła powoduje przegrupowanie (rozrywanie) wiązań wodorowych w cząsteczkach bilirubiny dzięki czemu stają się one wystarczająco polarne by być usunięte przez wątrobę. terapia łuszczycy (fotodermatologia) Łuszczyca = niekontrolowany podział komórek epidermy Od dawna znana terapia: UV + smoła Od 1974 stosowane uczulanie przez 8-methoxypsoralen i naświetlanie lampami emitującymi bliski UV Fotofarmakologia : ani sam UV, ani sam psoralen nie są aktywne. Po wprowadzeniu do komórki, dopiero uaktywnienie psoralenu za pomocą UV wyzwala reakcję fotochemiczną. Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Diagnostyka Fotodynamiczna (PDD) Pewne chromofory wiążą się z komórkami neoplazmatycznymi i akumulują w nich dłużej niż w zdrowych  n.p. pochodne hematoporfiryny (HPD) Po oświetleniu światłem dostrojonym do ich pasm absorpcyjnych (ok. 405 nm dla HPD)  reemisja światła (fluorescencja) z miejsc, gdzie akumulował chromofor  wizualizacja zmian  diagnostyka Egzogenny uczulacz kwas 5-Aminolewulinowy (5 ALA), stymuluje lokalną produkcję endogennego chromoforu - protoporfiryny pP IX Endoskopowe obrazy wnętrza pęcherza pacjenta potraktowanego 5-ALA po prawej – endoskopowy obraz wnętrza pęcherza w świetle białym po lewej ten sam fragment po oświetleniu światłem niebieskim (405 nm). Widoczna wyraźna czerwona fluorescencja tkanek nowotworowych. S0 S1 S2 ENAC-LPAS, Photomedicine Group, Dr Georges Wagnières Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Popularny fotouczulacz: 5-ALA (kwas 5- Aminolewulinowy ) [6 godz. po aplik. 20% kremu ALA, U. Gustafsson et al.] Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Biopsja laserowa Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Przykład diagnostyki fluorescencji HPD Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Terapia Fotodynamiczna (PDT) Wzbudzenie HPD przez czerwone światło  reakcja fotodynamiczna: transfer energii do stanów T1 HDP, bliskich do wzbudzonych stanów tlenu O2 (aktywny tlen singletowy) - lokalne utlenienie neoplazmatycznej tkanki - terapia nowotworowa z małymi ef. ubocznymi S1 przed podczas 6 mies. po terapii T1 S0 Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Przykłady terapii fotodynamicznej nowotwór szczura przed i po terapii PDT (HPD + światło lasera) 4 dni po drugim zabiegu z HPD i tumor 2.5 x 2.5 x 2.5 cm naświetlaniu (1 h, 15 mW/cm2, 620-640 nm) 2 tyg. po drugim zabiegu 6 tyg. po zabiegu Zależność przeżywalności komórek nowotworowych w hodowli od czasu i stężenia HDP (komórki bez HPD wykazywały 1% śmiertelności) Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Problem aplikacji światła dla laserów łatwe: - oświetlanie zewnętrzne - zastosowanie światłowodów możliwa aplikacja promieniowania lasera w głąb tkanki, dzięki światłowodom i igłom iniekcyjnym Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

- utrudnione stosowanie światłowodów dla diod LED: - utrudnione stosowanie światłowodów - możliwe oświetlenie zewnętrzne  oświetlacze matrycowe Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

a) odpowiednia długość fali Kryteria selekcji źródła światła dla selektywnego działania fotomedycznego: Widmo światła a) odpowiednia długość fali Pp IX dopasowana do danego chromoforu – np. pasma Soreta protoporfiryny  Przykłady widm fluorescencji wzbudzanych światłem: lewy rysunek : 337 nm (niedostrojonym do pasma Soreta); prawy rysunek: 405 nm (dostrojone do pasma Soreta) [C. Klintenberg et al.] dopasowana do transmisji tkanki Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

b) odpowiednia czystość spektralna (monochromatyczność) Modelowanie efektywnego oświetlenia przez różne źródła (z szerokim widmem – ciągła linia i z wąskim widmem – linia przerywana) Widmo transmisji skóry (szczura) Efektywne oświetlenie Pp IX na różnych głębokościach z uwzględnieniem widma absorpcji PpIX, transmisji tkanki i rozkładu widmowego źródła (górny rys. – źródło szerokopasmowe, dolny – źródło wąskopasmowe) [w.g. A. Juzeniene et al.] Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Pozostałe kryteria doboru źródła światła: Widmo szerokie powoduje efekty uboczne (podgrzewanie tkanki) i ma mniejszą wydajność (większa przeżywalność komórek) przy określonym natężeniu światła Pozostałe kryteria doboru źródła światła: Moc (natężenie) wiązki światła Możliwość aplikacji światła do tkanki Prostota użycia Cena Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2

Otwarte problemy współczesnej fotomedycyny technika – źródła (transmisja przez tkanki, dopasowanie do chromoforów) – uczulacze: dopasowane do źródeł, minimalizujące ef. uboczne, dopasowane do środowiska tkanek, nanocząstki, kropki kwantowe – metody selektywnej detekcji – czułe detektory, algorytmy różnicujące nowe metody (magneto-kardiografia, magneto-encefalografia, MRI, …) Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.2