FOTOMEDICÍNA 1 Základním principem fotomedicíny je působení světla na živou hmotu (aromatické a nenasycené sloučeniny), která světlo absorbuje emituje Absorption 10 1 seconds Vibrational Relaxation and Internal Conversion 10 : seconds 10 * seconds >I0' seconds Jablonského diagram Absorption Fluorescence Phosphorescence ZAKLAPNI SMĚRY FOTO MEDICÍNY > studium a identifikace onemocnění způsobených světlem > diagnostika různých onemocnění > terapeutické přístupy založené na působení světla 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 4 ONEMOCNĚNÍ ZPŮSOBENÁ SVĚTLEM > fotostárnutí > dermatózy > fotosenzitivita látek > imunosuprese > rakovina kůže Sunburn > nejvíce škodlivé UVC a UVB přímé poškození DNA zdroj vzniku ROS Xeroderma Pigmentosum Actinic Keratosis Porphyria 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 6 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 Romanova spektroskopie Light Scattering - Optical Coherence Tomography - Reflectance Confocal Microscopy - Light Scattering Spectroscopy Light Emission -Autofluorescence Imaging - Fluorescence Microscopy - Raman Spectroscopy Light Absorption - Pulse Oximetry - Diffuse Optical Tomography - Photoacoustic Spectroscopy 7 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ROZPYLU SVĚTLA Optická koherentní tomografie (OCT) > tomografie = zobrazování v řezech soubor 2D řezů 3D obraz Charakteristika OCT > využívá světlo o vlnové délce blízké infračervené oblasti (NIR) > NIR světlo proniká do tkání, aniž by je porušovalo > vysoká rozlišovací schopnost - jednotky u.m > rychlost metody > využití v oftalmologii (zelený zákal, makulární onemoc.) kardiológii (zobrazování cév) DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ROZPYLU SVĚTLA > „optické okno tkáně" = světlo v červené a blízké IČ oblasti spektra (NIR) (600-1200 nm) je absorbováno minimálně 400 600 800 1000 1200 1400 1800 1600 2000 wavelength (nm] 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) zdroj světla LS D OCT Depth Scan referenční paprsek t L Reference Beam 'V(t)*(t) Source V(t) Beam zz Lateral OCT Scan V{t}*h(x,t) Sample Beam Detector měřený Beam paprsek zpracování dat a sestavení obrazu analyzovaná tkáň Fercher et al., Rep. Prog. Phys. 66 (2003) 239-303 10 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ROZPYLU SVĚTLA Příklad aplikace OCT Zobrazování sítnice v oblasti makuly Fig. 2. B-mode OCT: Macular hole. 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 NIR 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 12 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA ABSORPCI SVĚTLA Pulzní oxymetrie - fyzikální princíp > oxy-Hb - abs. maximum při 660 nm vs. deoxy-Hb má abs maximum při 940 nm H ■í -g a o. - -1- -2 (červená) 660 (infračervená) 900 RHb 600 vlnová delila (mn) http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=30333 ^ stanoví se poměr absorpcí světla Hb02 a Hb v pulsující arteriální krvi při 660 nm a 940 nm > tento poměr je následně převeden na hodnotu saturace krve kyslíkem 13 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 samotría^tkáň a žilníkrev). _ o O, o ■a o O ^i—l r J 3 ex a 'o n ■ absorpce způsobená | |j I pulsaci arteriální krve Íabsorpce arteriální knri b sorpce žilní absorpce tkání 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: ■ r d bgh. Hl OHtewt LEO transmisní reflexní Obr, 10 Ruzne podoby pulsmeh osvmetrů, a) pŕíručm, b) prstový, c) stoluí [15] [16] [17] http://www .vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=30333 DIAGNOSTIKA ZALOŽENA NA EMISI SVETLA Ramanova spektroskopie (RS) > neinvazivní vyšetřovací metoda tkáně Charakteristika Romanovy spektroskopie > využívá světlo v podobě laseru > vlnová délka paprsku 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 vlnovou délku (energii) než světlo dopadající > vzniklý rozdíl energií ukazuje různé vlastnosti látek (jedno látko -> jedno změnu energie; jiná látko -> jiná změno 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 3 VI r 21 c 800 Rarnan shift (cm ) nejsilnější signál - CH2 skupina lipidů a proteinů signál primárních a terciárních aminů v proteinech signál fenylalaninu Fig. 8. in vivo skin Raman spectra obtained from different skin locations of a healthy volunteer. (A) forehead, (B) cheek, (C) chest, {D) abdomen, (E) volar side of the forearm, (F) surface of the forearm, (G) palm of the hand, (H) dorsal hand, (1) fingertip, (J) fingernail, (K) leg, (L) dorsal foot; (M) sole of the foot (Adopted from figure 2 in Huang et ai 2üülb with permission). http://www.intechopen.com/articles/show/title/real-time-raman-spectroscopy-for-noninvasive-in-vivo-skin-analysi 18 DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA EMISI SVĚTLA Ramanova spektroskopie - aplikace > detekce melaninu v kůži ra >* ví I E*: TfiS nm 1368 / 1572\ I U42 a j \ /\.f * A 1 1 ■ f M ! i 1200 1400 Raman shifl {cm') 1600 Ramanův signál pro melanin kůže bez výrazného pigmentu Fig. 10. In vivo Raman spectra of cutaneous melanin obtained under 7B5-nm laser excitation from: (a) volar forearm skin of a volunteer of African descent, (b) benign compound pigmented nevus, (c) malignant melanoma, and (d) normal skin site adjacent to the malignant melanoma. Also shown at the right side are clinical pictures of the corresponding skin sites for in vivo Raman measurements (Adopted from figure 7 in Huang eta!.. 2004 with permission). http://www.intechopen.com/articles/show/title/real-time-raman-spectroscopy-for-noninvasive-in-vivo-skin-analysis-and-d DIAGNOSTIKA ZALOŽENÁ NA EMISI SVĚTLA Ramanova spektroskopie - aplikace > diagnóza kožních onemocnění 's) 0.0 - 1000 1200 Raman shift (cm-1) > rozdíly v signálu u různých patologií kůže > pomocí vhodných matematických úprav Ramanových spekter lze rozlišit spektra benigního a maligního melanomu - neinvazivní diagnostika rakoviny I o v kuze Fig. 11. Normalized Raman spectra of skin cancers and benign skin diseases, including melanoma (MM), basal cell carcinoma (BCC), squamous cell carcinoma (SCC), seborrheic keratosis (5K), actinic keratosis (AK), atypical nevus (AN), compound nevus (CN), intra-demal nevus (IN) and junctional nevus (JN) (Adopted from figure 2 in Zhao et al. 2008c with permission). http://www.intechopen.com/articles/show/title/real-time-raman-spectroscopy-for-noninvasive-in-vivo-skin-analysis- 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 i 1 i ■■ 1 i ■ ■ ■ i ■■ ■ i 1 ■ ■ i ■■ ■ i ■ ■ 1 j ■■ ■ i 1 ■ ■ i 400 Ůt>Q 800 1 fjQD 1200 t^ŮŮ 1600 1&ůa 2000 waveleriůjth {nm) TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA > v léčbě světlem se nejvíce používá světlo o X > 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 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Nízko výkonná laserová terapie (LLLT) > správná účinnost LLLT je určena optimální dávkou světla (závisí na typu tkáně a vlnové délce světla) > v LLLT se používá světlo o energii nižší než 100 mW/cm2 = energie, která ani „nezahreje" tkáň 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 Intermembrane 4h+ space 4h+ + 4^ ~ 2h- NADH- + + + + + -t^Cyto C*^ + + + + + + h '4 succinate fumarate NAD4 Mitochondrial matrix CytoC^i U202.2* ffcj^ H.0 ATP ADP+Pi 25 TERAPIE ZALOŽENA NA PŮSOBENI SVETLA Princip LLLT > cytochrom c oxidáza > různé oxidační stavy = různé absorbční spektrum > výsledkem působení světla je modulace produkce ATP »h,0 Intermembrane space Mitochondrial matrix 0^4 Cyt d\uSBH+,n - 2H20+4 Cyt c^oul+4H+ out TERAPIE ZALOŽENA NA PŮSOBENI 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 A redox párů (NAD/NADH, GSH/GSSG) - regulují transkripční faktory (AP-1, NF-kB, p53, HIF-la...) Red near infrared light , 27 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Vliv LLLT obecně: > zvýšená spotřeba 02 -^relaxace svalů > zvýšená produkce serotoninů a endorfinů > zlepšení prokrvení kůže při diabetes mellitus > snížená propustnost membrán pro Na/K pumpy hyperpolarizace > zvýšený průtok lymfy TERAPIE ZALOŽENA NA PŮSOBENI SVETLA 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 29 TERAPIE ZALOŽENÁ NA PŮSOBENÍ SVĚTLA Konkrétní patologie, kde lze aplikovat LLLT > Hojení rány - ošetření cca 2x týdně po dobu několika měsíců (záleží na typu poranění) TERAPIE ZALOŽENA NA PŮSOBENI SVETLA 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 http://www.lekari-online.cz/ortopedie/zakroky/ruka-karpalni-tunel mň.^äij 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 SemicijcuSar canals Pinna ExSefnal auditory ľ Síl Iii! Vestibular tonhEsar IC" VC C och len -n Eu&tackian II b ľ tfil-.'E*J& Eardrum 32 http://www.pro-audio.cz/tinnitus/ 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. 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. 34 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 X > 600 n m > kde všude lze aplikovat terapeutické působení světla o A> 600 nm