FOTOMEDICÍNA 1 2 Základním principem fotomedicíny je působení světla na živou hmotu (aromatické a nenasycené sloučeniny), která světlo absorbuje emituje Jablonskiho diagram 3 ZÁKLADNÍ SMĚRY FOTOMEDICÍNY  studium a identifikace onemocnění způsobených světlem  diagnostika různých onemocnění  terapeutické přístupy založené na působení světla 4 ONEMOCNĚNÍ ZPŮSOBENÁ SVĚTLEM  škodlivé - UV oblast (100-400 nm) UVC 100-280 nm UVB 280-315 nm UVA 315-400 nm  různě závažná onemocnění od vrásek až po rakovinu 5 ONEMOCNĚNÍ ZPŮSOBENÁ SVĚTLEM  fotostárnutí  dermatózy  fotosenzitivita látek  imunosuprese  rakovina kůže  nejvíce škodlivé UVC a UVB přímé poškození DNA zdroj vzniku ROS 6 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA  slouží k zobrazování a analýze morfologie tkání  tkáň jako heterogenní hmota – uplatnění různých fyzikální principů - absorbance, rozptyl, emise světla  využívá se široké spektrum vlnových délek - neinvazivní vyšetřovací metody 7 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ MODULACI VLASTNOSTÍ SVĚTLA  rozptyl světla optická koherentní tomografie in vivo konfokální mikroskopie odraženého světla spektroskopie rozptylu světla  absorbance světla pulzní oxymetrie difuzní optická tomografie fotoakustická spektroskopie  emise světla analýza autofluorescence in vivo konfokální fluorescence Ramanova spektroskopie 8 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ROZPYLU SVĚTLA Optická koherentní tomografie (OCT)  tomografie = zobrazování v řezech soubor 2D řezů  3D obraz Charakteristika OCT  využívá světlo o λ blízké infračervené oblasti (NIR)  NIR světlo proniká do tkání, aniž by je porušovalo  vysoká rozlišovací schopnost – jednotky μm  rychlost metody  využití v oftalmologii (zelený zákal, makulární onemoc.) kardiologii (zobrazování cév) DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ROZPYLU SVĚTLA  „optické okno tkáně“ = světlo v červené a blízké IČ oblasti spektra (600- 1200 nm) je absorbováno minimálně 9 10 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ROZPYLU SVĚTLA Fyzikální princip OCT  nízkokoherentí interferometrie – měří se časové rozdíly v odrazu světla referenčního paprsku od zrcadla a paprsku odraženého od jednotlivých vrstev tkáně (např. sítnice) Fercher et al., Rep. Prog. Phys. 66 (2003) 239-303 zdroj světla referenční paprsek analyzovaná tkáň měřený paprsek zpracování dat a sestavení obrazu DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ROZPYLU SVĚTLA Příklad aplikace OCT Svorenova et al., Bratisl. Lek. Listy 111 (2010) 306-307 Zobrazování sítnice v oblasti makuly patologie makulární díra 11 12 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ABSORPCI SVĚTLA Pulzní oxymetrie  neinvazivní měření saturace hemoglobinu kyslíkem v arteriálních částech krevního řečiště Charakteristika pulzní oxymetrie  založena na odlišných absorpčních vlastnostech oxygenovaného a deoxygenovaného hemoglobinu  využívá světlo z červené a NIS oblasti  aplikace – měření nasycení krve kyslíkem při operacích při kyslíkové terapii u novorozenců – prevence syndromu náhlého úmrtí a stavů hypoxie monitoring fyziologie pilotů při přetížení DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ABSORPCI SVĚTLA Pulzní oxymetrie – fyzikální princip  oxy-Hb - abs. maximum při 660 nm vs. deoxy-Hb má abs. maximum při 940 nm  stanoví se poměr absorpcí světla HbO2 a Hb v pulsující arteriální krvi při 660 nm a 940 nm  tento poměr je následně převeden na hodnotu saturace krve kyslíkem 13 http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=30333 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ABSORPCI SVĚTLA Pulzní oxymetrie – fyzikální princip  měří se v arteriálních částech krevního řečiště (konce prstů, ušní boltce)  arteriální krev – pulsuje, měří se tato pulsující složka signálu (tím se odstraní signál, který dává samotná tkáň a žilní krev). 14 http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=30333 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ABSORPCI SVĚTLA Pulzní oxymetrie – přístrojové vybavení dva typy sond: transmisní reflexní 15 http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=30333 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA EMISI SVĚTLA Ramanova spektroskopie (RS)  neinvazivní vyšetřovací metoda tkáně Charakteristika Ramanovy spektroskopie  využívá světlo v podobě laseru  λ laseru – v rozmezí 700 - 1800 nm (podle typu tkáně)  aplikace – vyšetření kůže vyšetření hladiny melaninu v kůži diagnostika rakoviny kůže a jiných abnormalit 16 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA EMISI SVĚTLA Ramanova spektroskopie – fyzikální princip  základem je tzv. nepružný rozptyl světla dopadajícího na tkáň (vzorek)  nepružný rozptyl = rozptýlené světlo má jinou λ (energii) než světlo dopadající  vzniklý rozdíl energií ukazuje různé vlastnosti látek (jedna látka  jedna změnu energie; jiná látka  jiná změna energie) RS tedy detekuje změny v energii rozptýleného světla = Ramanův posun (shift)  intezita Ramanova posunu je přímo úměrná množství látky způsobující určitý posun 17 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA EMISI SVĚTLA Ramanova spektroskopie – aplikace  vyšetření kůže nejsilnější signál – CH2 skupina lipidů a proteinů signál primárních a terciárních aminů v proteinech signál fenylalaninu http://www.intechopen.com/articles/show/title/real-time-raman-spectroscopy-for-noninvasive-in-vivo-skin-analysis-and-diagnosis 18 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA EMISI SVĚTLA Ramanova spektroskopie – aplikace  detekce melaninu v kůži Ramanův signál pro melanin kůže bez výrazného pigmentu http://www.intechopen.com/articles/show/title/real-time-raman-spectroscopy-for-noninvasive-in-vivo-skin-analysis-and-diagnosis 19 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA EMISI SVĚTLA Ramanova spektroskopie – aplikace  diagnóza kožních onemocnění  rozdíly v signálu u různých patologií kůže  pomocí vhodných matematických úprav Ramanových spekter lze rozlišit spektra benigního a maligního melanomu – neinvazivní diagnostika rakoviny kůže http://www.intechopen.com/articles/show/title/real-time-raman-spectroscopy-for-noninvasive-in-vivo-skin-analysis-and-diagnosis 20 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA 21 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA  „optické okno tkáně“ = světlo v červené a blízké IČ oblasti spektra (600- 1200 nm) je absorbováno minimálně 22 23 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA  v léčbě světlem se nejvíce používá světlo o λ > 600 nm  NÍZKOVÝKONNÁ LASEROVÁ TERAPIE (LLLT)  low-level laser therapy  obecné použití pro zmírnění bolesti, zánětu, otoku, aktivace hojení rány a ochrana proti poškození tkáně  pozitivní působení světla známo po desetiletí  rozvoj medicínské aplikace s vývojem laserových technologií 24 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Nízkovýkonná laserová terapie (LLLT)  správná účinnost LLLT je určena optimální dávkou světla (závisí na typu tkáně a λ světla)  v LLLT se používá světlo o energii nižší než 100 mW/cm2 = energie, která ani „nezahřeje“ tkáň 25 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Princip LLLT  monochromatické viditelné nebo blízké IČ světlo je absorbováno buněčnými strukturami – konkrétně mitochondriemi  difuzní složka dýchacího řetězce – cytochrom c oxidáza 26 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Princip LLLT  cytochrom c oxidáza  různé oxidační stavy = různé absorbční spektrum  výsledkem působení světla je modulace produkce ATP 27 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Konkrétní buněčné procesy v LLLT  zvýšená produkce ATP  NO signalizace: cytochrom c oxidáza může vázat i NO (=inhibice dýchacího řetězce), působením světla dochází k disociaci NO a přerušení inhibice  působením světla dochází ke vzniku redox párů (NAD/NADH, GSH/GSSG) – regulují transkripční faktory (AP-1, NF-κB, p53, HIF-1α…) 28 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Vliv LLLT obecně:  zvýšená spotřeba O2 relaxace svalů  zvýšená produkce serotoninů a endorfinů  zlepšení prokrvení kůže při diabetes mellitus  snížená propustnost membrán pro Na/K pumpy  hyperpolarizace  zvýšený průtok lymfy 29 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Konkrétní patologie, kde lze aplikovat LLLT  Hojení rány - podpora hojení u DM pacientů - zlepšení produkce kolagenu - zvýšená produkce IL-1 a IL-8, pozitivní regulace produkce růstových faktorů jako FGF - podpora angiogeneze a myofibroblastového fenotypu http://www.photobiology.info/Photomed.html 30 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA http://www.thorlaser.com/wound/index.htm Konkrétní patologie, kde lze aplikovat LLLT  Hojení rány – ošetření cca 2x týdně po dobu několika měsíců (záleží na typu poranění) 31 Konkrétní patologie, kde lze aplikovat LLLT  Konzervativní léčba syndromu karpálního tunelu - syndrom karpálního tunelu (SKT) je onemocnění způsobené útlakem středového nervu v místě, kde prochází zápěstím, což má za následek poškození nervových struktur vlivem permanentního tlaku - neléčí příčinu, ale zmírňuje bolest a zlepšuje pohyblivost zápěstí - ošetření cca 2x týdně/týdny TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA http://www.lekari-online.cz/ortopedie/zakroky/ruka-karpalni-tunel 32 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Konkrétní patologie, kde lze aplikovat LLLT  Léčba tinnitu - tinnitus – patologická šelest (hučení) v uších - příčiny: zánět ucha, poranění ucha, porucha krev. oběhu, nádory, přetížení zvukem http://www.pro-audio.cz/tinnitus/ 32 33 Léčba novorozenecké žloutenky  Novorozenecké žloutenky je stav, zvýšené hladiny bilirubinu v krvi těchto novorozených dětí poškozující mozek Světlo o vlnové délce 450 nm až 500 nm indukuje fotoizomerizaci molekul bilirubinu. Vzniklé fotoizomery jsou rychleji vylučovány než samotný bilirubin. 34 Helioterapie a psychické poruchy  světelná terapie pro léčbu sezónních i nesezónních depresí. Světelné boxy s velmi intenzivním umělým osvětlením, nebo zdroje s nižší intenzitou některých vlnových délek světla (nejúčinnější vlnové délky modrého světla v rozmezí mezi 460 nm a 485 nm)  Světelná terapie možná léčba pro překonání časového posunu při cestování letadly „jet lag“ a urychlení rekalibrace tělesných hodin. 35 Co by studenti měli znát po této přednášce:  princip a mechanismy působení světla na tkáň  „optické“ vlastnosti tkáně  co všechno obnáší fotomedicína  rozumět alespoň jedné diagnostické metodě využívající světlo o λ > 600 nm  kde všude lze aplikovat terapeutické působení světla o λ > 600 nm