Hjk
харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна
БІДНЕНКО ВАДИМ МИКОЛАЙoВИЧ
УДК 577.35
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ТА ФОТОДИНАМІЧНІ ЕФЕКТИ ДІЇ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА БАГАТОШАРОВУ БІОЛОГІЧНУ ТКАНИНУ
03.00.02 – біофізика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Харків – 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Київському національному університеті ім. Тараса Шевченка.
Науковий керівник доктор технічних наук,
кандидат фізико-математичних наук, професор
Сігал Валерій Львович,
Інститут нейрохірургії ім. А.П.Ромоданова АМН України, провідний науковий співробітник.
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, доцент
Мартиненко Олександр Віталійович, Харківський національний університет ім. В.Н.Каразіна, завідувач кафедри комп’ютерних технологій та математичного моделювання в медицині (м. Харків);
доктор біологічних наук, професор
Кнігавко Володимир Гілярійович, Харківський державний медичний університет, завідувач кафедри біофізики, інформатики та медичної апаратури (м. Харків).
Провідна установа
Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України, м. Київ.
Захист відбудеться 22.11.2002 року о 13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.13 у Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна,
61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 7-4.
З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4.
Автореферат розісланий 18.10.2002 року
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Гаташ С.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Фотодинамічна терапія (ФДТ) – метод, що застосовується в онкології, для руйнування пухлин різних локалізацій за допомогою лазерного випромінювання та молекул фотосенсибілізаторів (ФС), які в передопераційному періоді селективно накопичуються в злоякісній тканині. ФДТ, в порівнянні з іншими методами фізичного впливу (такими, наприклад, як термодеструкція чи кріодеструкція), має більш складний механізм руйнації пухлини, пов’язаний з фотохімічною взаємодією ФС та кисню, а також можливими супутніми ефектами. Всі ці процеси в біотканині залежать від фізико-хімічних властивостей ФС, параметрів лазерного випромінювання, а також характеристик самої біотканини, з яких суттєву роль відіграють оптичні та перфузійні. В зв’язку з цим вивчення закономірностей процесів, що відбуваються при ФДТ в пухлині та оточуючих її тканинах, є важливою біофізичною задачею й має кінцевою метою розробку та вдосконалення існуючих в клініці технологій лікування.
Експериментальні дослідження таких процесів зіткаються із значними складнощами, що обумовлені малими розмірами та переважною недосяжністю досліджуємого об’єкту, як в нейрохірургії, немалою похибкою вимірювань, й, особливо, неможливістю неінвазивно вимірювати певні характеристики, такі, наприклад, як глибина ураженої зони пухлини, її кровотік тощо. Все це призводить до необхідності використовувати математичні моделі, розв`язок яких повинен дозволити на основі біофізичних уявлень виявити механізми, що обумовлюють руйнування аномальних тканин і зберігання сусідніх, та визначити умови, при яких такий процес є значним.
Існує декілька підходів до побудови моделей фізичних процесів, що супроводжують ФДТ. Деякі автори розглядають процеси взаємодії ФС з лазерним випромінюванням, інші - ефекти кисневого голодання та гіперглікемії пухлин, досліджують також механізми, що пов`язують із зміною оптичних параметрів середовища, і т.д. В одних випадках розглядаються часові характеристики таких процесів, в інших – просторові. Але не дивлячись на цю різноманітність уявлень та підходів, не існує єдиної концепції, однозначного погляду на механізми, що, в кінці кінців, визначають руйнацію тканини при ФДТ і – як наслідок – ефект лікування. Тому в запропонованій роботі розглядаються моделі фотодинамічної дії, що виходять з однієї просторово-часової концепції двошарового середовища, де перший шар складається із зруйнованих клітин пухлини (“кров’яна каша”), а другий з неушкодженої тканини. За допомогою розвинутих моделей оцінюються вклади кожного механізму на руйнування пухлини, умови їх максимального виявлення, пропонуються методи контролю за ефективністю проведення процесів, що супроводжують ФДТ окремо і в цілому.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень пов’язаний з тематикою кафедри медичної радіофізики радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Дослідження проводились в рамках держбюджетної теми № 97037 “Фізичні принципи нових медичних технологій, що базуються на застосуванні радіофізичної інтраскопії, спектроскопії, лазерного випромінювання” та НДР № 01БФ052-05 “Розробка нових радіофізичних методів для діагностики та лікування людей”.
Мета та задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи було побудова нових та вдосконалення існуючих моделей, які могли б слугувати основою для розробки та дослідження фізичних механізмів ФДТ, вивчення кількісних характеристик супроводжуючих процесів, а також сприяти підвищенню ефективності лікування.
Для досягнення даної мети розв’язувались наступні задачі:
1) побудова та дослідження моделі фотобіофізичної взаємодії ФС з киснем і її зв`язок з процесом деструкції пухлини;
2) розробка теплофізичної моделі взаємодії лазерного випромінювання з біотканиною при ФДТ та оцінка температурних ефектів, що її супроводжують;
3) на основі отриманих результатів та їх аналізу створення єдиної методики ефективного проведення та контролю ФДТ в умовах клініки.
Об’єктом дослідження є високоенергетичні медичні технології, що ґрунтуються на взаємодії лазерного випромінювання із біологічною тканиною, що підлягає знищенню.
Предметом дослідження є виявлення фізичних механізмів, що обумовлюють вибір умов проведення ФДТ, при яких такі медичні технології забезпечують лікувальні ефекти.
Методи дослідження включають апарат рівнянь теплопровідності в активному середовищі і теорій функцій Гріна, математичне моделювання біологічних об’єктів, теорію процесів дифузії і розсіяння в тканинах.
Наукова новизна одержаних результатів. Дисертаційна робота скерована на виявлення біофізичних механізмів, а на цій основі - розробку способів і методик вибору оптимальних умов проведення ФДТ, що повинні забезпечити прогнозований ефект лікування – деструкцію аномальної тканини і збереження сусідньої.
Вперше запропоновано розглядати процеси взаємодії немалоінтенсивного лазерного випромінювання із тканиною як просторово-часову зміну двошарового біосередовища, де один шар складається із зруйнованих клітин пухлини, а другий, глибинний, з неушкодженої тканини. Такі уявлення, адекватні реальній картині процесу, виявилися могутнім інструментом, використання якого дозволило дослідити механізми і закономірності процесів, що відбуваються в пухлині при проведенні ФДТ, із врахуванням біофізичних властивостей молекул ФС, кисню, біотканини та її кровотоку.
Наукова новизна одержаних на такій основі результатів полягає в тому, що запропоновані та побудовані наступні моделі, пов’язані між собою і адекватні процесам, які відбуваються при ФДТ:
1) оптико-молекулярна біофізична модель взаємодії ФС з киснем, що враховує квантові ефекти такого процесу. На основі цієї моделі досліджено просторово - часові зміни концентрації вступаючих у реакцію агентів. Проведений аналіз дозволив вперше встановити кількісний взаємозв`язок між глибиною деструкції пухлини та квантовими характеристиками енергетичних переходів у ФС та кисню, коефіцієнтом затухання світла в тканині, коефіцієнтом дифузії кисню тощо;
2) теплофізична модель взаємодії лазерного випромінювання з тканиною й на основі її порахований температурний розподіл в біосередовищі з врахуванням ефекту неоднорідності перфузійних властивостей останнього. За допомогою проведеного дослідження вперше отримано чисельні оцінки зони гіпертермічних температур й встановлено зв’язки розмірів таких зон з перфузійними та теплофізичними характеристиками біотканини і властивостями лазерного випромінювання;
3) модель для інтраопераційного вибору та контролю режимів інтерстиціальної ФДТ пухлин різноманітних локалізацій й визначення при цьому ступеня руйнування таких тканин. Такий вибір і контроль оснований на послідовній фіксації часів релаксації температури нагрітої пухлини до артеріальної. Модель і виконані оцінки цих часів, що будуються на вперше запропонованому біофізичному тепловому механізмі руйнування пухлини через унешкодження її перфузійної системи, потребують мінімальних передопераційних знань про властивості аномальної тканини й пов’язують релаксацію температури в ній із розміром зони деструкції пухлини;
4) модель розповсюдження модульованого по інтенсивності лазерного випромінювання в пухлині при ФДТ. На її основі вперше проведені аналітичні та чисельні розрахунки зміни фази відбитого біотканиною сигналу від товщини зони деструкції.
Запропоновані моделі мають широкий спектр використання при аналізі процесів та механізмів, пов’язаних із дією фізичного поля будь-якої природи на біосередовище.
Практичне значення одержаних результатів. На основі створеної сукупності моделей біофізичних процесів, які відбуваються при ФДТ, виявлено механізми її дії на тканини, що дозволило обґрунтувати умови ефективного за лікувальною дією проведення сеансів ФДТ в залежності від конкретних фізичних параметрів – концентрації та типу молекул ФС, інтенсивності опромінення, значення кровотоку тканин тощо; й, відповідно, надають рекомендації щодо вдосконалення існуючих високоенергетичних лазерних клінічних технологій і підвищення ефективності їх лікувальної дії.
Запропоновані способи та методики інтраопераційного вибору та контролю режимів інтерстиціальної ФДТ мозкових пухлин й визначення при цьому ступеня їх руйнування впроваджені у відділі нейроонкології Інституту нейрохірургії ім. А.П.Ромоданова АМН України. (акт впровадження додається).
Особистий внесок здобувача. В опублікованих зі співавторами наукових працях особистий внесок здобувача полягає: у роботах [10, 11, 12, 14, 17, 19] в аналізі літературних даних та в обговоренні отриманих результатів; в роботах [1, 2, 4, 21, 22] у розробці фізичних моделей взаємодії лазерного випромінювання з біотканиною, проведенні математичних розрахунків; в роботах [3, 5, 6, 8, 9, 13, 15, 16, 18] у побудові відповідних біофізичних та математичних моделей, обговоренні отриманих теоретичних результатів; в роботах [7, 20] в аналізі літературних даних, розробці математичної моделі розповсюдження лазерного випромінювання в біосередовищі, в проведенні чисельних розрахунків та в обговоренні і інтерпретації отриманих результатів.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були представлені та доповідались на: Першому міжнародному симпозиумі “Биофизика полей и излучений и биоинформатика” (1998, Тула, Россия); науково-практичній конференції Київського університету імені Тараса Шевченка (1998, Київ); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми фізичної та біомедичної електроніки” (1998, Київ); Другому міжнародному симпозиумі “Биофизика полей и излучений и биоинформатика” (1999, Тула, Россия); Другому з’їзді біофізиків Росії (1999, Москва, Россия); XIII Міжнародній науково-практичній конференції “Применение лазеров в медицине и биологии” (1999, Алупка, Крым); XI Європейському конгресі з нейрохірургії (1999, Копенгаген, Данія); Третьому міжнародному симпозиумі “Биофизика полей и излучений и биоинформатика” (2000, Тула, Россия).
Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковані в 22 роботах, в тому числі в 9 статтях у наукових фахових журналах, в 2 патентах України та в 11 матеріалах і тезах доповідей на міжнародних та національних конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів і висновків. Повний обсяг дисертації становить 147 сторінок, містить 32 рисунки. Список використаних літературних джерел – 152 найменування на 17 сторінках.
ОСНОВНІЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність досліджень фотохімічних та теплофізичних процесів, що відбуваються під час взаємодії лазерного випромінювання з біологічною тканиною при фотодинамічній терапії, сформульована мета та задачі дослідження, наведені відомості про наукову новизну, практичну цінність та апробацію отриманих результатів, публікацію матеріалів дисертації.
Перший розділ присвячений висвітленню відомих механізмів, а також аналізу існуючих моделей фотодинамічної дії лазерного випромінювання на тканину.
Розглянуто біофізичні і фізико-хімічні властивості молекул ФС, їхню структуру та здатність до селективного накопичення в злоякісних пухлинах. Досліджено можливі фотохімічні реакції взаємодії кисню та біологічного субстрату з ФС, що виникають за рахунок використання лазерного випромінювання, їх квантові характеристики, а також схему відповідних енергетичних переходів. Проаналізовано біофізичні моделі фотодинамічної дії, що є в літературі, які, в основному, поділяються або на моделі опису кисневих процесів або змін концентрацій ФС або макроскопічних процесів загибелі клітин.
Окремо розглянуто можливі теплофізичні ефекти при ФДТ, їх механізми, особливості зміни кровотоку тканин як основного терморегуляційного фактору в зоні ураження та можливості математичного опису таких процесів. Проаналізовано існуючі зворотні моделі відшукання параметрів біотканини по відомому розподілу температур в них під дією зовнішнього джерела тепла.
Критично викладено особливості існуючих в літературі підходів до математичного опису розповсюдження світла в оптично неоднорідній тканині, якою і є пухлина при використанні ФДТ, методи чисельного та аналітичного моделювання розповсюдження лазерного випромінювання в біосередовищі, а також зворотні задачі відшукання різноманітних параметрів тканини по пройшовшому чи-то відбитому променю.
На основі розглянутого обґрунтовано актуальність розробки нових та вдосконалення існуючих моделей взаємодії лазерного випромінювання з тканиною та супутніх при цьому біофізичних процесів, що максимально наближені до вирішення практичних задач сучасних лазерних високоенергетичних медичних технологій.
У другому розділі наведено методи вирішення задач взаємодії лазерного випромінювання з біотканиною та їх порівняльні оцінки, розроблено загальну методику проведення дисертаційних досліджень, а також розкрито методи розрахунків, що використовувались при подальших обчисленнях.
У третьому розділі побудована біофізична модель взаємодії молекул ФС з киснем та подальших руйнівних процесів з біологічним субстратом, яка виходить з припущення про існування в біотканині одного руйнівного агента – синглетного кисню. Для опису змін концентрацій ФС і кисню застосовувались швидкісні рівняння, а для характеристики їхньої взаємодії – рівняння хімічної кінетики. Можливі енергетичні переходи при збудженні та релаксації ФС позначені стрілками на рис 1. Рівні, що пронумеровані через 0 та 1, відносяться до нижнього та збудженого синглетного стану відповідно. Рівень 2 визначає триплетний стан. Довільні переходи із стану в (;) позначені коефіцієнтами та для спонтанно-випромінювальних та безвипромінювальних переходів відповідно, переходи, що індуковані зовнішнім випромінюванням, - через , - константа хімічної взаємодії ФС з киснем.
Перевірка отриманих результатів базувалася на порівнянні теоретично отриманих залежностей з відомими із літератури експериментальними дослідженнями. Так, оцінки з кінетики фотобіофізичних реакцій співставлялися із результатами Фостера (Foster T.H., 1994) по мікроелектродним вимірюванням концентрації кисню в фотосенсибілізованих багатоклітинних пухлинних сфероїдах при їхньому лазерному опроміненню (рис.2), а дані, що представляють моделювання просторових ефектів руйнації тканини, – з експериментами Веніга (Wenig B.L., 1990) по макровимірюванням глибини її деструкції. В межах похибки дослідження, як в першому випадку, так і в другому, отримано вельми припустиме узгодження теоретичних та експериментальних даних.
Отримані результати свідчать про багатоступеневий характер фотодинамічної дії та про важливість процесів кисневого голодання у деструкції пухлини при ФДТ. Однак, завдяки використанню немалоінтенсивного лазерного випромінювання, залишаються нез’ясованими супутні при цьому можливі ефекти нагрівання тканини.
У четвертому розділі розглянуті такі теплові процеси при ФДТ. В якості геометричної моделі біотканини взято одновимірне двошарове напівнескінченне середовище, яке опромінюється з одного боку. Такі умови визначають інтерстиціальну доставку лазерного випромінювання безпосередньо в аномально тканину. Перший її шар має оптичні характеристики крові, що відображує безструктурність зруйнованої пухлини (“кров’яна каша”); конвективний переніс тепла кровотоком тут відсутній, і це суттєво для запису відповідного біотеплового рівняння. Другий шар має звичні оптичні та перфузійні властивості незруйнованої аномальної тканини. В припущенні коректності використання класичних уявлень про біотеплоперенос й закону Бугера-Ламберта-Бера відповідна система рівнянь приймає вигляд:
,
;
(5)
.
Тут - просторова координата; - час; - товщина зруйнованого шару тканини; , - відповідно номер, що визначається числовим індексом при кожній букві, густина та питома теплоємність шару; - густина та питома теплоємність крові; - коефіцієнт теплопровідності; - температура; - коефіцієнт тепловіддачі; - інтенсивність випромінювання при ; - коефіцієнти поглинання в крові й у всій тканині відповідно; - коефіцієнти послаблення світла в крові та в тканині відповідно; - кровотік. В запису (5) врахована можливість охолодження зсередини поверхні накінцівника, що доставляє лазерне випромінювання безпосередньо в тканину пухлини, обдувом повітря або обмиваючою рідиною (звичайно це дистильована вода) при температурі артеріальної крові .
В припущенні помалості зміни зони деструкції у часі система (5) має в стаціонарному випадку аналітичний розв’язок. Часи ж встановлення рівноважного стану для теплових параметрів біотканини Вт/(м0С), кДж/(кг0С), кг/м3 й при Вт/(0См2), мл/(гхв) є порядка 1хв.
Для практичних застосувань важливі не лише можливі профілі температур в тканині, але й оцінки глибин , на яких вони реалізуються. Визначаючи як , причому відраховується від , чисельно отримані залежності , що представлені на рис. 4. Всі розрахунки проведені для мозку.
Найважливіший отриманий тут результат полягає в тому, що глибини проникнення в тканину теплових полів, температура яких досягає гіпертермічних, можуть досягати мм і більше. Таким чином, вибір умов проведення ФДТ додатково повинен полягати і в тому, щоб організувати ще один механізм руйнації – термотерапевтичний, дія якого збільшує об’єм деструкції пухлини. Такий механізм може бути розглянутий, виходячи з представлення тканини як колектива клітин, кожна з яких сприймає дію фізичного поля, що реалізується в підвищенні температури, незалежно одна від іншої. Для кількісних оцінок використовувалися уявлення твердо-каркасної рідинно-мозаїчної моделі мембран нормальних клітин та класичної рідинно-мозаїчної теорії Зінгера-Нікольса для злоякісних клітин. Розрахунки показують, що максимальний приріст температури в нормальній тканині ледве сягає 40С, що менше за своїм значенням для реалізації гіпертермічної терапії.
Таким чином, під час сеансу ФДТ локальний гіпертермічний чи термотерапевтичний ефекти можуть бути реалізовані лише в злоякісній тканині чи-то якійсь її частині і обумовити руйнування пухлини, а нормальні тканини при цьому не зазнають деструктивного теплового впливу. Виявлення цих терапевтичних ефектів при ФДТ ставить задачу керування та контролю локальними тепловими процесами.
У п’ятому розділі на основі запропонованих моделей фотодинамічної дії та супутніх до неї процесів деоксигенизації та гіпертермії тканин, які з’ясовують та обґрунтовують механізми дії ФДТ, розроблена теплофізична інтраопераційна методика діагностики ефективності проведення сеансів інтерстиціальної ФДТ і керування нею. Така базується на нестаціонарній двошаровій моделі нагріву біотканини з рухомою межею розділу між зруйнованою тканиною із зменшеним кровонаповненням в процесі ФДТ й перфузованою, кровотік якої склався в результаті розвитку пухлини.
Розроблена методика не потребує додаткових, як правило, складно досяжних знань про характеристики взаємодії лазерного випромінювання з тканиною, що до того ж змінюються в часі, й оперує лише двома параметрами, які легко визначити й в клінічних умовах. Хоча розвинута тут модель сформульована й розрахована для одновимірних ситуацій, її узагальнення на дво- та тривимірні випадки прозоре. Досліджені вище фотохімічні та теплофізичні процеси описують не всю повноту фізичних ефектів, які відбуваються під час дії ФДТ. Суттєвими виявляються також зміни оптичних характеристик біотканини, а саме коефіцієнтів поглинання, розсіяння, анізотропії.
У шостому розділі розроблений спосіб оптичної діагностики ефективності ФДТ, як і вибору умов її проведення, що базується саме на виявлені таких властивостях. Використовуючи двошарову модель середовища, як і в 3 і 4 розділах, з різними оптичними характеристиками, можна за допомогою відбитого чи-то пройшовшого біотканину випромінювання визначити товщину зони руйнування. Для моделювання розповсюдження світла вибрано дифузійне наближення теорії переносу випромінювання (ТПВ), а в якості модельного сигналу використане модульоване по інтенсивності випромінювання.
Аналогічні залежності зміни від решти параметрів першого шару мають схожий характер. Модель дозволяє також визначити зміни фази від частоти модуляції при різних значеннях (рис.7). Як і в попередньому випадку, залежності зміни фази від решти параметрів мають схожий характер.
Отримані закономірності вказують на принципову можливість детектування глибини руйнування біотканини при ФДТ за допомогою зворотнього випромінювання, але лише при невеликих розмірах зони некрозу (порядку 3мм для сірої речовини мозку). Здатність визначення більших товщин існує при переході від червоного світла, яке, як правило, застосовується в ФДТ, до ближньої інфрачервоної зони з метою зменшення коефіцієнта поглинання та розсіяння, чи-то використання двофотонного збудження, чи-то інших типів молекул ФС.
ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі вирішено задачу побудови кількісних закономірностей при фотодинамічній терапії злоякісних пухлин, а саме створено математичні моделі та методики, що описують таку взаємодію лазерного випромінювання з біотканиною. Найбільш суттєві висновки з роботи зводяться до наступного:
1.
Побудована модель фотобіофізичної взаємодії лазерного випромінювання з молекулами фотосенсибілізаторів та з наступною взаємодією останніх з киснем в біологічній тканині. Встановлено, що така фотодинамічна дія, опосередкована взаємодією молекул фотосенсибілізаторів із киснем, призводить до появи в пухлині деструктуйованого шару, розмір якого може бути розрахований для будь-якої конкретної ситуації за вперше запропонованими для цього формулами.
2.
Встановлено, що супутнім ефектом до фотодинамічної дії на біологічні тканини є поява в них глибинної деоксигенованої зони із значно зменшеною концентрацією кисню, яка може сягати чверті її початкового значення. Виявлено взаємозв’язок розміру такої зони із інтенсивністю опромінення та значенням коефіцієнту затухання світла в біотканині.
3.
Запропоновано розглядати процеси взаємодії високоенергетичного лазерного випромінювання із тканиною як просторово-часову зміну двошарового біосередовища, де один шар складається із зруйнованих клітин пухлини, а другий, глибинний - з неушкодженої тканини. Такі уявлення, адекватні реальній картині процесу, є могутнім інструментом, використання якого дозволяє виявити та дослідити механізми і закономірності процесів, що відбуваються в тканинах під дією високоенергетичних фізичних полів.
4.
Вперше розвинута модель теплофізичних процесів при фотодинамічній терапії з врахуванням неоднорідності перфузійних характеристик аномальної біотканини, що підлягає руйнуванню. Встановлено, що гіпертермія може бути ад’ювантом фотодинамічної терапії, роль якої додатково зводиться до локалізації нагріву в основному лише в пухлині або в деякій її частині. Розрахунки свідчать, що, крім гіпертермічних, можлива поява й більших - термотерапевтичних температур. На прикладі тканини мозку встановлено, що температура може сягати до 55 0С.
5.
Вперше запропонована і розроблена методика інтраопераційного вибору та контролю режимів інтерстиціальної фотодинамічної терапії пухлин й визначення при цьому ступеня руйнування таких тканин. Вона базується на послідовній фіксації часів релаксації їх температури до артеріальної. Така методика адекватно відповідає розробленій моделі короткочасного нагріву біотканини, що представлена як двошарове середовище з рухомою межею між його зруйнованою частиною із зменшеним кровонаповненням в процесі ФДТ й перфузованою, кровотік якої склався в результаті розвитку пухлини.
6.
Розроблена модель розповсюдження лазерного випромінювання в неоднорідному двошаровому середовищі для цілей діагностики змін його оптичних властивостей під час ФДТ. Виявлені в такій моделі ефекти взаємодії дозволили розробити спосіб детектування глибини деструктуйованої зони за допомогою зворотньо-розсіяного біотканиною модульованого по інтенсивності лазерного випромінювання. На прикладі сірої речовини мозку встановлено, що такий спосіб фіксує глибини до 3 мм, що важливо при операціях біля функціональних ділянок півкуль великого мозку. Шляхи підвищення чутливості цього способу залежать від показників поглинання середовища і частоти модуляції випромінювання.
7.
Виявлені механізми і отримані закономірності дозволяють керувати процесом фотодинамічної терапії в клініці і сприяють підвищенню її лікувальної дії.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Бідненко В.М., Сігал В.Л. Математична модель дії локальної лазерної гіпертермії на біологічні мембрани та тканини // Электроника и связь. -1998.-№4, ч.1.-С.60-64.
2. Бідненко В.М., Сігал В.Л. Фотодинамічна терапія: моделі та механізми // Электроника и связь. - 1998. - №4, ч.1. - С.55-58.
3. Бидненко В.Н., Сигал В.Л. Модель и механизмы фотодинамической терапии злокачественных новообразований // Доповіді НАНУ. - 1999. - №1. - С.170-176.
4. Бідненко В.М., Сігал В.Л. Механізм взаємодії теплового поля з біологічними мембранами та тканинами при локальній лазерній гіпертермії // Доповіді НАНУ. - 1999. - №5. - С.188-193.
5. Бидненко В.Н., Сигал В.Л., Розуменко В.Д. Эффекты локальной гипертермии при фотодинамической терапии опухолей мозга // Доповіді НАНУ. - 1999. - №10. -С.181-185.
6. Сигал В.Л., Бидненко В.Н. Теплофизические эффекты при фотодинамической терапии опухолей // Инженерно-физический журнал. -1999.-т.72. -№5. - С.946-950.
7. Бідненко В.М. Модель для інтраопераційного контролю за зоною руйнування пухлини при фотодинамічній терапії // Вісник Київського університету імені Тараса Шевченка, серія “фізико-математичні науки”. - 2000. - №3. - С.323-328.
8. Бидненко В.Н., Сигал В.Л., Розуменко В.Д. Оценки для интраоперационного выбора и контроля режимов интерстициальной термотерапии опухолей мозга // Доповіді НАНУ. - 2001. - №1. - С.104-110.
9. Бидненко В.Н., Сигал В.Л. Теплофизические интраоперационные оценки для зоны разрушения опухолевой ткани при интерстициальной термотерапии // Инженерно-физический журнал. - 2001. - т.74. - №3. - С.87-91.
10. Патент № 33479А Україна, заявка № 99021101. „Спосіб фотодинамічної терапії глибокорозташованих пухлинних тканин“ / Сігал В.Л., Розуменко В.Д., Бідненко В.М.; Інститут нейрохірургії ім. акад. А.П. Ромоданова АМН України, опубл. 15.02.2001, Бюл. № 1. - 2с.
11. Патент № 33480А Україна, заявка № 99021102. „Спосіб інтраопераційного вибору оптимального режиму проведення локальної гіпертермії і термотерапії й визначення ступеня деструкції пухлинних тканин“ / Сігал В.Л., Розуменко В.Д., Бідненко В.М., Андрусич О.О.; Інститут нейрохірургії ім. акад. А.П. Ромоданова АМН України, опубл. 15.02.2001, Бюл. № 1. - 3с.
12. Сигал В.Л., Бидненко В.Н., Розуменко В.Д. Математическая модель фотодинамической терапии и интерстициальной лазерной термодеструкции внутримозговых опухолей // Бюлетень Української Асоціації Нейрохірургів. - 1998. - №5. - С.130-131.
13. Bidnenko V., Sigal V. Theoretical estimations of destruction’s area of tumor under photodynamic therapy // Medical Biological Engineering and Computing. - 1999. - Vol.37. - Supplement 2. - P.1266-1267.
14. Розуменко В.Д., Сигал В.Л., Бидненко В.Н. Термотерапевтические эффекты при фотодинамической терапии опухолей мозга // Материалы XIII Международной научно-практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии”, Алупка 1999. - 1999. - С.102-103.
15. Bidnenko V., Sigal V., Rozumenko V. Theoretical estimations of the destruction area of a brain tumor under photodynamic therapy I // Proc. of SPIE Symposium “Laser Radar Technology and Applications V”. - 2000. - Vol.4035. - P.54-66.
16. Bidnenko V., Sigal V., Rozumenko V. Theoretical estimations of the area of destruction in brain tumors under photodynamic therapy II // Proc. of SPIE Symposium “Controlling Tissue Optical Properties: Applications in Clinical Study”. - 2000. - Vol.4162. - P.175-181.
17. Бидненко В.Н., Сигал В.Л. Физические механизмы для локальной лазерной гипертермии биологической ткани // Вестник новых медицинских технологий, приложение Первого международного симпозиума “Биофизика полей и излучений и биоинформатика”, Тула 1998. - 1998. - №1. - С.54.
18. Бидненко В.Н., Сигал В.Л. Теоретический анализ для оценки механизмов фотодинамической терапии // Вестник новых медицинских технологий, приложение Второго международного симпозиума “Биофизика полей и излучений и биоинформатика”, Тула 1999. - 1999. - №1. - С.15.
19. Сигал В.Л., Бидненко В.Н., Розуменко В.Д. Механизмы разрушения опухолевой ткани при фотодинамической терапии // Тезисы докладов 2-го съезда биофизиков России, Москва 1999. - 1999. - С.648.
20. Бидненко В.Н. Метод интраоперационного контроля за зоной деструкции при фотодинамической терапии с помощью модулированного по интенсивности лазерного излучения // Вестник новых медицинских технологий. - 2000. - т.VII. - №3-4. - С.38.
21. Сигал В.Л., Бидненко В.Н. Новые подходы к оценке предварительного и интраоперационного выбора и контроля режимов интерстициальной гипертермии и термотерапии // Вестник новых медицинских технологий. - 2000. - т.VII. - №3-4. - С.21.
22. Сигал В.Л., Бидненко В.Н. Механизм разрушения опухолевой ткани при локальной гипертермии // Вестник новых медицинских технологий. - 2000. - т.VII. - №3-4. - С.33.
АНОТАЦІЯ
Бідненко В.М. Теплофізичні та фотодинамічні ефекти дії лазерного випромінювання на багатошарову біологічну тканину. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 – Біофізика – Харківський Національний університет ім. В.Н.Каразіна, Харків, 2002.
Дисертація присвячена теоретичному дослідженню фізичних механізмів взаємодії лазерного випромінювання з біотканиною при фотодинамічній терапії та розробці відповідних моделей фотодинамічної дії. Побудована модель фотохімічної взаємодії молекул фотосенсибілізаторів з киснем та з біосубстратом, на основі якої проведений аналіз просторово-часових залежностей змін концентрацій реагуючих речовин, визначені особливості зміни розміру деструктуйованого шару пухлини, а також досліджені процеси кисневого голодування. Розвинута модель теплофізичних процесів з врахуванням неоднорідності перфузійних характеристик біотканини, в рамках якої запропонований новий підхід у розумінні механізмів фотодинамічної терапії глибокорозташованих пухлин. Представлена методика інтраопераційного вибору та контролю режимів інтерстиціальної фотодинамічної терапії злоякісних новоутворень й визначення при цьому ступеня руйнування таких тканин. Запропонований спосіб детектування розміру деструктуйованої зони за допомогою зворотньо-розсіяного біотканиною лазерного випромінювання.
Ключові слова: фотодинамічні процеси, фотосенсибілізатори, синглетний кисень, зони руйнування, теплоперенос, оптична діагностика, температурні режими, шарові моделі, активне середовище, гіпертермія, біологічна тканина.
АННОТАЦИЯ
Бидненко В.Н. Теплофизические и фотодинамические эффекты действия лазерного излучения на многослойную биологическую ткань. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.00.02 – Биофизика. – Харьковский Национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2002.
Диссертация посвящена теоретическому исследованию физических механизмов взаимодействия лазерного излучения с биотканью и разработке соответствующих моделей деструктивного действия фотодинамической терапии.
Построена модель биофизического взаимодействия молекул фотосенсибилизаторов с кислородом в присутствии лазерного излучения и последующей реакции с биологическим субстратом, которая основана на предположении о существовании в биоткани только одного разрушительного агента – синглетного кислорода, образующегося в процессе фотохимических превращений. На основе модели проведен анализ пространственно-временных зависимостей изменения концентраций реагирующих веществ, определены особенности роста деструктуированой зоны опухоли, а также исследованы процессы кислородного голодания. Проверка результатов основана на сравнении теоретически полученных зависимостей с классическими экспериментальными исследованиями. Так, оценки кинетики фотобиофизических реакций сопоставляются с данными Фостера (Foster T.H.) по микроэлектродным измерениям концентрации кислорода в фотосенсибилизированых многоклеточных опухолевых сфероидах при их лазерном облучении, а результаты, определяющие пространственные эффекты разрушения ткани, – с макроизмерениями Венига (Wenig B.L.) глубины ее деструкции. В пределах ошибки исследования, как в первом случае, так и во втором, получено удовлетворительное согласие теоретических и экспериментальных данных.
Развита модель теплофизических процессов при фотодинамической терапии с учетом неоднородности перфузионных характеристик биоткани. Проведен расчет тепловых полей, на основе которого показано, что зона прогрева и температура в ней существенно зависят от значений кровотока опухоли и уменьшаются при его увеличении. Показана возможность возникновения не только гипертермических, но и термотерапевтических температур. В то же время, как свидетельствуют выполненные на основе использования представлений твердо-каркастной жидко-мозаичной модели мембран нормальных клеток и классической жидко-мозаичной теории Зингера-Никольса для злокачественных клеток расчеты, максимальное повышение температуры в здоровой ткани, окружающей опухоль, достигает только 40С, что меньше необходимых значений даже для гипертермического интервала.
Предложено рассматривать процессы взаимодействия высокоэнергетического лазерного излучения с тканью как пространственно-временные изменения двухслойной биосреды, где один слой состоит из разрушенных клеток опухоли, а другой, глубинный, – из недеструктированной ткани. Такие представления, адекватные реальной картине процесса, являются мощным инструментом, использование которого позволяет обнаружить и исследовать механизмы и закономерности происходящих в тканях процессов под действием высокоэнергетических физических полей.
Разработана методика интраоперационного выбора и контроля режимов интерстициальной фотодинамической терапии опухолей и определения при этом степени разрушения таких тканей, основанная на последовательной фиксации времен релаксации температуры к артериальной при выключении источника тепла и дозированной подачи энергии. Математические оценки таких времен произведены на основе предложенного механизма разрушения опухоли, который состоит в необходимости прекращения кровотока, что и обусловливает дальнейшее ее саморазрушения. Разработанная методика не требует дополнительных, как правило сложно определяемых, а иногда и недостижимых знаний о характере взаимодействия лазерного излучения с тканью, изменяющихся во времени, и оперирует только двумя параметрами, значение которых определяются и в клинических условиях. Разработаны рекомендации по повышению эффективности сеансов фотодинамической терапии.
Предложен способ определения размера зоны деструкции с помощью детектирования обратно-рассеяного биотканью модулированного по интенсивности лазерного излучения. На основе диффузионного приближения распространения лазерного излучения в биосреде проведены расчеты возможной глубины определения разрушенной опухоли, а также ее зависимости от оптических характеристик ткани и лазерного излучения.
Ключевые слова: фотодинамические процессы, фотосенсибилизаторы, синглетный кислород, зоны разрушения, теплоперенос, оптическая диагностика, температурные режимы, многослойные модели, активная среда, гипертермия, биологическая ткань.
SUMMARY
Bidnenko V.M. Thermophysical and photodynamic effects of laser irradiation influence on multilayer biological tissue. Manuscript.
Thesis for Philosophy doctor degree by speciality 03.00.02 – Biophysics. – V.N. Karazin Kharkiv National university, Kharkiv, 2002.
This thesis is devoted to theoretical investigation of physical mechanisms of laser-tissue interaction in conjunction with photodynamic therapy and development corresponding models of photodynamic action.
It was developed reaction-diffusion mathematical model for evaluating efficiency and destruction area of tumor. The modeling is based on physical mechanism of tissue effect by singlet oxygen, which displays oxidizer’s function. The space-time tissue dependencies of concentrations of possibility oxygen and photosensitizers condition, and possible hyperhypoxic effects in tumor were calculated. The thermophysic model of temperature effects, which accompany of photodynamic therapy, was investigated. All calculations were carried out with considered non-homogeneous perfusion characteristic of biotissue. The method of intraoperation choice of optimal mode of tumor thermotherapy and determination a degree of destruction such tissue was considered. Calculations were based on consecutive fixation of time relaxation tumor temperature to normal level. Proceeding from the advanced model the technique of realization of a thermotherapy session is offered. The model of intraoperation determination of tissue zone destruction in conjunction photodynamic therapy is developed also. Estimation based on consistent fixation of phase change of modulated laser radiation reflected from tissue.
Key words: photodynamic processes, photosensitizers, singlet oxygen, destruction zone, heat transfer, optical diagnostic, temperature regimes, multilayer models, active medium, hyperthermia, biotissue.
