CC BY
45
Тема номера
Лазерно-
технология
оксигенации
Кислород играет ключевую роль в метаболизме клеток и энергетике живого организма. Поддержание нормального аэробного обмена веществ в биотканях дает уникальную возможность сделать эффективнее терапию патологий, связанных с тканевой гипоксией - дефицитом кислорода (02), например ран, ожогов, диабета, пролежней.
Мустафо Асимов,
главный научный сотрудник Института физики им Б.И. Степанова НАН Беларуси, доктор физико-математических наук
Когда артериальная кровь недостаточно снабжает биоткани Ог, существенно снижается результативность медикаментозного лечения, увеличивается риск инфицирования, образования рубцов, а в самом неблагоприятном случае происходит омертвление тканей. В настоящее время для оценки продуктивности терапевтических методов в лечении ран в зависимости от величины ТсРОг (концентрации кислорода) в кожной ткани приняты следующие критерии:
■ благоприятные условия лечения - более 40 мм рт. ст.,
■ средние условия - от 20 до 40 мм рт. ст.,
■ неблагоприятные условия, опасность осложнений - менее 20 мм рт. ст.
Таким образом, восстановление количества кислорода в ткани для нормального метаболизма клеток (оксигенация) представляет актуальную задачу. Наиболее распространенные методы, которые используются для этого в клинической практике:
■ нормобарическая оксигена-ция - принудительная вентиляция легких чистым Ог при нормальном атмосферном давлении;
■ гипербарическая оксигена-ция (ГБО) - воздействие чистым кислородом на человека при давлении Ог, превышающем атмосферное;
■ оксигенация искусственными носителями кислорода - введение искусственной крови на основе перфторорганических соединений, которые увеличивают концентрацию Ог в плазме крови;
■ оксигенация обогащенными кислородом композитными средами в виде жидкости, геля, крема, пасты, порошка и т.п., которые переносят Ог в кожную ткань.
Вместе с тем все перечисленные методы имеют ограничения в клинической практике. Так, эффективность нормобарической оксигенации резко снижается при нарушении вентиляционной функции легких.
Ограниченное употребление ГБО связано с кислородной токсе-
мией - результатом длительного воздействия Ог на организм при повышенном давлении. Кроме того, метод ГБО не является селективным, и при лечении таких кожных заболеваний, как пролежни, язвы и раны, приходится подвергать оксигенации весь организм. Предпринимались попытки переориентировать метод ГБО на локальное (непосредственно в зоне поражения кожной ткани) воздействие кислородом. Однако этот способ также не применяют широко вследствие сложностей технического характера.
Оксигенация искусственными носителями кислорода -внутривенное введение эмульсии перфтороуглерода в кровь и последующее вдыхание кислорода или его смеси с двуокисью углерода (95 и 5% соответственно). Растворенный в эмульсии Ог током крови переносится к тканям, но транспортные функции пер-фтороуглеродных соединений при нормальном атмосферном давлении сильно ограниченны: эти эмульсии доставляют к тканям всего лишь 2% кислорода, тогда как плазма крови - около 6%.
В настоящее время в ведущих научных центрах России, Европы и США стараются найти действенные методы локальной оксигенации биотканей. Общий прием местного увеличения концентрации Ог в ткани - его диффузия через кожный покров. Эти разработки не нашли практического применения из-за низкой эффективности.
Принципиально новый подход, основанный на лазерно-ин-дуцированной фотодиссоциации оксигемоглобина (ЫЬОг) in vivo, предложили в Институте физики НАН Беларуси. При воздействии лазером на кровь через кожу или внутривенно (ВЛОК) часть излучения неизбежно поглощается ЫЬОг. При этом индуцируется фотодиссоциация ЫЬОг с квантовым выходом ~10% и высвобождением кислорода. Так повышается локальная концентрация свободного кислорода Ог в биотканях.
Количество доступного для метаболизма клеток кислорода,
которое доставляется в результате микроциркуляции крови, является функцией:
Юг (ТеРОг) = ЩНЬОгПОг]),
где ЫЬОг - значение оксигемогло-бина в артериальной крови и [Ог] - концентрация кислорода, высвобожденного в плазму крови.
При нарушении микроциркуляции крови весьма критичным становится дополнительное обеспечение клеток кислородом для нормального метаболизма. Этого можно достичь с помощью локального применения нового метода. В результате получаем общую концентрацию высвобожденного кислорода в артериальной крови обычным путем и после лазер-но-индуцированной фотодиссоциации ЫЬОг:
Х[Ог] = [Ог] + [Ог^].
Дополнительная экстракция молекулярного кислорода из НЬОг артериальной крови и повышение степени оксигенации кожной ткани схематично проиллюстрированы на рис. 1.
Высвобождение кислорода позволяет устранить тканевую гипоксию, стимулировать аэробный метаболизм клеток и достичь желаемого терапевтического эффекта. Действенность новой технологии зависит от оптических свойств кожной ткани (рис. 2).
Облучение крови ЫЬОг в кожных кровеносных сосудах с помощью Ые-Ме лазера (длина волны 632,8 нм, выходная мощность 1,1 мВт) вызывает фотодиссоциацию оксигемоглобина и дополнительное поступление кислорода в плазму артериальной крови. Этот процесс происходит в течение всего воздействия излучением. Экспериментальные исследования на трех добровольцах показали двукратное увеличение концентрации Ог в кожной ткани.
Величина оксигенации в зоне облучения зависит от длительности последнего и плотности кожного покрова. Полученные результаты говорят о том, что, используя кинетику оксигена-
Спектроскопия
ции в зависимости от времени воздействия лазером, возможно определить коэффициент диффузии кислорода в кожную ткань. Следовательно, можно рассчитать, как достичь необходимого уровня ТеРОг в зонах, где произошло нарушение микроциркуляции крови и ткани находятся в состоянии гипоксии (например, около твердых раковых образований, ожогов, ран, пролежней, язв). Таким образом, стало возможным установить оптимальные параметры лазерного облучения, принимая во внимание объем ткани, который должен быть дополнительно снабжен кислородом, и время облучения.
Лазерно-индуцированная фотодиссоциация ЫЬОг in vivo дает уникальную возможность селективно влиять на локальную концентрацию кислорода в тканях и стимулировать аэробный метаболизм клеток. Поэтому применение этой методики в дерматологии позволяет существенно повысить эффективность как медикаментозной, так и лазерной терапии кожных заболеваний. Наряду с этим увеличение концентрации кислорода в биоткани значительно усиливает бактерицидную защиту организма.
Особый интерес новая технология оксигенации биоткани может представлять в терапии анаэробных инфекций. Как известно, молекула кислорода, высвобожденная гемоглобином в присутствии бактерии, способна «сжечь» последнюю. При нормальных условиях ЫЬ транспортирует кислород в количестве, достаточном для метаболизма клеток. Если находящиеся близко к гемоглобину лейкоциты нуждаются в кислороде, то они способны вытянуть его из ЫЬ. Этот механизм работает отлаженно, но при анемии тяжелой степени, когда концентрация ЫЬ чрезвычайно низка, лейкоциты не могут в достаточном количестве экстрагировать кислород для борьбы с инфекциями. В таком случае можно применять лазерно-инду-цированную фотодиссоциацию ЫЬОг: воздействовать на кожу или внутривенно.
Новая технология оксигена-ции биоткани может быть использована в онкологии. Измерениями с помощью кислородного электрода подтверждено, что гипоксия является аномальной характеристикой твердых раковых опухолей (они локализуются в зонах с пониженной концентрацией кислорода). Она возникает в результате быстрого роста раковых клеток и дезорганизации ангио-генеза. Дефицит кислорода в ткани опухоли является главным фактором, ограничивающим результативность лучевой, химио-и фотодинамической терапии (ФДТ). Поэтому при применении
ФДТ следует обратиться к предложенной технологии лазерно-ин-дуцированной оксигенации ткани. Причем оксигенацию ткани раковых опухолей необходимо проводить до начала сеанса ФДТ и поддерживать в течение всего времени воздействия.
Можно предсказать, что дополнительное снабжение кислородом тканей твердых раковых опухолей позволит существенно повысить эффективность ФДТ, равно как радио- и химиотерапии, где устранение тканевой гипоксии критично.
Рис. 1.
Дополнительная
экстракция
молекулярного
кислорода из НЬО2
артериальной
крови и
повышение
степени
оксигенации
кожной ткани
Рис. 2. Оптические свойства кожной ткани
о х
X
5
X
