Способ облучения светом биологической ткани при фотодинамической терапии онкологического заболевания

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБЛУЧЕНИЯ СВЕТОМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ ПРИ ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ ОНКОЛОГИЧЕСКОГО ЗАБОЛЕВАНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Барун Владимир ВладимировичИванов Аркадий ПетровичЧан Хонг НьунгНгуен Конг Тхань(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ облучения светом биологической ткани при фотодинамической терапии онкологического заболевания, включающий введение фотосенсибилизатора в опухолевый участок биологической ткани и облучение опухолевого участка биологической ткани светом с длиной волны 600-700 нм, отличающийся тем, что определяют объемную концентрацию кровеносных сосудов и степень оксигенации крови, облучают опухолевый участок биологической ткани на длине волны, смещенной в сторону увеличения длин волн относительно максимума поглощения фотосенсибилизатора на 5-30 нм в зависимости от объемной концентрации кровеносных сосудов и степени оксигенации крови. Способ относится к области спектроскопии и биомедицинской оптики, в частности к облучению светом биологической ткани при фотодинамической терапии онкологических заболеваний. Он может быть использован при лечении и диагностике онкологических заболеваний приповерхностных слоев биотканей. Стандартные процедуры фотодинамической терапии (ФДТ) и фотодинамической диагностики (ФДД) обычно включают следующее 1 введение в биоткань фотосенсибилизатора (ФС) облучение участка опухоли светом, имеющим длину волны, приходящуюся на максимум поглощения ФС. Физический механизм ФДТ представляет следующее. После введения ФС накапливается в опухолевых тканях. В качестве ФС выбирают вещество, поглощающее свет на длине волны облучения. При облучении зоны опухоли, вследствие поглощения ФС, происходит фотовозбуждение молекул ФС на более высокий энергетический уровень. От возбужденного ФС энергия передается молекулам кислорода, всегда присутствующим в 16490 1 2012.10.30 ткани. Кислород переходит из своего обычного триплетного состояния в возбужденное синглетное состояние. Синглетный кислород токсичен для биоткани и разрушает опухоль. Благодаря преимущественной локализации ФС в опухоли, достигается высокая селективность облучения, а здоровая ткань, окружающая опухоль, слабо подвержена воздействию света. При ФДД возможную зону опухоли обнаруживают по поглощению ФС света, превышающему поглощение соседней здоровой ткани. Известны различные ФС. Типичными группами таких веществ являются порфирины,порфицены и фталоцианины 1. Все они имеют интенсивные полосы поглощения в ближнем ультрафиолетовом - синем и красном интервалах спектра при длинах волн соответственно 350-420 нм и 600-700 нм. Для ФДТ и ФДД приповерхностных опухолевых участков ткани обычно используют красный участок спектра вследствие намного большей глубины проникновения света с 600-700 нм по сравнению с синей областью. Одна из основных проблем при ФДТ и ФДД - доставить путем облучения требуемую плотность мощности света к зоне опухоли, чтобы обеспечить ее заметное поглощение. Биоткань, как известно, является сильно рассеивающей и поглощающей свет средой, существенно ослабляющей падающее внешнее излучение. Глубина проникновения света в ткань варьируется от долей до нескольких миллиметров в зависимости от длины волны 2. Фотодинамический эффект облучения при ФДТ достигается при определенной плотности мощности, поглощаемой опухолью. Если в ФС поглощается мощность, меньшая заданной, образуется мало синглетного кислорода, и эффективность ФДТ снижается. Известны способы облучения биоткани при ФДТ и ФДД путем ввода света в ткань по волокну 3, 4 или помещения источника излучения внутрь 5 тела вблизи облучаемой зоны опухоли. При этом, естественно, биоткань между ее поверхностью и опухолью не ослабляет свет, так что поглощаемая мощность увеличивается. Недостатком указанных способов является их инвазивный характер, т.е. требуется хирургическое или иное вмешательство. Это болезненно, требует определенного времени для заживления раны. Известно также облучение биоткани источником света специальной конструкции 6,обеспечивающей увеличение мощности излучения, настроенного по длине волны на максимум поглощения ФС. Недостатками данного способа является то, что при большой мощности облучения может оказываться неблагоприятное термическое воздействие на здоровые участки ткани, по которым распространяется свет, а также совмещение длин волн облучения и поглощения ФС. Известен также способ облучения через наложенный на поверхность биоткани осмотически активный химический агент 7, просветляющий ткань, т.е. уменьшающий ее показатель рассеяния за счет согласования показателей преломления указанного агента и волокон ткани и тем самым увеличивающий глубину проникновения света в среду. Недостатки этого способа - дополнительное использование химического агента, а также невозможность полного согласования показателей преломления агента и волокон ткани из-за разнородности последних. Известны также способы облучения светом биоткани, содержащей ФС, на двух длинах волн 8, а также путем облучения на двух длинах волн с дополнительным нагревом до 42-43 С 9. Первая длина волны совпадает с максимумом поглощения ФС, а вторая используется для фотодиссоциации оксигемоглобина с дополнительным выделением кислорода. Нагревание усиливает процесс фотодиссоциации, увеличивая количество кислорода вблизи опухоли. Этим достигается усиление фотодинамического эффекта. Недостатками данного способа являются необходимость в дополнительном источнике света и низкий квантовый выход фотодиссоциации, обычно не превышающий 1010. Наиболее близким является способ 11 облучения толстых опухолевых образований,содержащих ФС Фотосенс, светом на двух длинах волн 1 и 2. Первая из них 1675 нм, что соответствует максимуму поглощения ФС, и предназначена для разрушения верх 2 16490 1 2012.10.30 них слоев опухоли, а вторая смещена относительно первой на 7-15 нм и предназначена для разрушения нижних слоев. Сущность способа заключается в том, что излучение на длине волны проникает глубже внутрь опухоли, чем свет на длине волны 1, который сильно ослабляется опухолью вследствие ее большого показателя поглощения из-за наличия ФС. Ослабление света со второй длиной волны будет меньше за счет того, что она приходится на край полосы поглощения ФС. Недостатками данного способа являются неэффективное использование света на первой длине волны и необходимость в двух источниках излучения или выделении двух длин волн одного источника, например, белого света. Это требует дополнительного оборудования. Задачей настоящего изобретения является увеличение поглощаемой мощности при облучении биотканей светом с длиной волны 600-700 нм при ФДТ и ФДД. Решение поставленной задачи достигается тем, что способ облучения светом биологической ткани при фотодинамической терапии включает введение фотосенсибилизатора в опухолевый участок биоткани и воздействие светового пучка с длиной волны 600-700 нм на биоткань, определяют объемную концентрацию кровеносных сосудов и степень оксигинации крови, причем облучение осуществляют на длине волны, смещенной на 5-30 нм в зависимости от объемной концентрации кровеносных сосудов и степени оксигинации крови. На фиг. 1 изображен нормированный спектр поглощения ФС Фотолон (хлорин е 6)(кривая 1) и нормированные спектры мощности, поглощенной этим ФС, при 0,75,0,04 (2) и 0,08 (3), (б)0,04,0,75 (2), 0,9 (3) и 0,97 (4). На фиг. 2 - зависимости(кривая 1, нижняя шкала абсцисс, левая шкала ординат), 0 (2, правая шкала ординат) при 0,75,(3, верхняя шкала абсцисс) и 0 (4) при 0,05. Суть изобретения состоит в следующем. Рассмотрим случай, когда опухоль локализована в дерме, где сосредоточены кровеносные сосуды. Пусть толщинаопухоли больше 1 мм, так что ее можно считать оптически толстым слоем, т.к. оптическая толщина( - показатель ослабления) в видимом и ближнем инфракрасном спектральном диапазоне превышает примерно 20 2. При введении ФС изменяются абсолютные значения спектрального показателя поглощениябиоткани. Значенияможно вычислить по формуле 2,где р - спектр показателя поглощения ФС- спектр показателя поглощения крови- спектр показателя поглощения ткани основы или обескровленной ткани. Очевидно, что наибольший ростимеет место в максимуме полосы поглощения ФС при. Поэтому свет на длине волны указанного максимума ослабляется сильнее, чем на крыльях полосы поглощения ФС. Мощность, поглощаемая ФС в единичном объеме опухоли, имеет вид(,)(, )/0,где- глубина в биоткани, отсчитываемая от ее поверхности- объемная концентрация ФС(, ) - спектр плотности излучения на глубине 0 - плотность мощности монохроматического света, падающая на поверхность биоткани. Как видно из (2), количество поглощенной мощности зависит от произведения(, ). При смещениидлины волны от максимума полосы поглощения ФС и в красную, и в синюю области спектра, показательуменьшается, но плотность излучения растет. Поэтому произведение (, ) может и увеличиваться, и убывать. Когда оно увеличивается, достигается требуемое повышение мощности, поглощаемой ФС. 3 16490 1 2012.10.30 Выше отмечалось, что при ФДТ приповерхностных зон опухоли биоткань обычно освещают в интервале примерно 600-700 нм, т.к. здесь глубина проникновения света существенно больше, чем в сине-зеленой области спектра. Как видно из (1), в поглощении участвуют также кровь и ткань-основа. В указанном интервалепоказатели поглощения крови с типичной степенью оксигенации крови 0,5 (отношение концентрации оксигемоглобина к полному содержанию гемоглобина) и ткани-основы уменьшаются при смещении по длине волны в красный участок спектра 2. Следовательно, смещение длины волны в сторону больших(в красную часть спектра) приведет к более заметному увеличению плотности излучения (, ) и, как результат, к повышению поглощенной мощности по сравнению со смещениемв противоположную сторону. Кроме того, показатель поглощения меланина (компонента эпидермиса) плавно падает с увеличением . Это также приводит к дополнительному увеличению (, ) в красной области спектра за счет большего пропускания света эпидермисом. Приведенные ниже на фиг. 1 расчеты поглощенной мощности в интервале 600-700 нм для типичных ФС показали, что при уменьшении длины волны облучения относительно , соответствующей максимуму поглощения ФС, значенияпадают по сравнению с облучением на длине волны . Поэтому смещение длины волны облучения должно быть именно в красную часть спектра. Указание на это отсутствует в формуле изобретения 11. Подчеркнем еще раз, что при смещении в синюю область спектра требуемый эффект увеличения поглощенной мощности не достигается (фиг. 1). Рассмотрим в качестве примера типичный ФС - Фотолон (хлорин е 6), широко используемый при ФДТ и ФДД 12. Спектр его поглощениябыл измерен 12 как разность соответствующих показателей крови, содержащей ФС и до введения ФС. Эти данные, нормированные на , показаны на фиг. 1 штриховой кривой 1. Видно, что максимум поглощения приходится на длину волны примерно 665 нм. На фиг. 1 даны также спектры мощности (, ), поглощенной ФС (кривые 2 и 3). Значения (, ) нормированы аналогично (, т.е. на мощность (, ). Фиг. 1 соответствует случаю постояннойи варьирующейся объемной концентрациикровеносных сосудов в биоткани, а фиг. 1 б - постоянной концентрациии переменной . Расчеты плотности излучения на различных глубинах выполнены по методике 2. Расчеты, произведенные авторами, показали, что при указанной нормировке значения(, ) слабо зависят от концентрации меланина в эпидермисе для типичных ее значений 2 и от глубиныпри 1 мм 4 мм. Из фиг. 1 видно, что при смещении длины волны облучения в красную область спектра относительнопоглощенная ФС мощность растет. При этом увеличение (, ) по сравнению с облучением может достигать 2 и более раз. Данные фиг. 1 показывают, что в прототипе 11 первая длина волны, равная, используется неэффективно, а достигаемый там результат - повышение поглощенной мощности и, следовательно, более высокая концентрация синглетного кислорода обеспечивается, по-видимому, только использованием второй длиной волны облучения. Более подробно смещениеи максимальный выигрыш 0 в поглощаемой мощности(, , показывающее во сколько раз максимальная поглощенная мощность, достигаемая за счет смещения , превышает мощность при облучении в максимуме поглощения ФС. Как видно из фиг. 2, значенияи 0 существенно возрастают для биотканей с высокими объемными концентрациямикровеносных сосудов и степеньюоксигенации крови. Для артериальной крови по модели 130,06 и 0,75. Из данных фиг. 2 также следует, что при смещении длины волны облучения в сине-зеленую область спектра мощность, поглощаемая ФС, уменьшается относительно облучения при . 4 16490 1 2012.10.30 Приведенный пример показывает, что поглощаемая мощность возрастает примерно на 5-100 за счет смещения длины волны облучения на 5-30 нм в зависимости от значенийи . Конкретные значения параметровиможно определить по независимой методике, например, в соответствии с работой 14. Источники информации 1..,.,.//. . . , . , . . . , . 2000. - . 14-38. 2. Барун В.В., Иванов А.П., Волотовская А.В., Улащик В.С. Спектры поглощения и глубина проникновения света в нормальную и патологически измененную кожу человека// Журнал прикладной спектроскопии. - 2007. - Т. 74. -3. - С. 387-394. 3. Патент США 5766234, МПК 61 5/06, 1998. 4. Патент США 2007/00608041, 2007. 5. Патент США 6622049, МПК 61 5/00, 2003. 6. Патент США 5130997, МПК 61 18/20, 1992. 7. Патент 2446019, МПК 61 5/00, 2008. 8. Джагаров Б.М., Жаврид Э.А., Истомин Ю.П., Чалов В.Н. Двухцветная лазерная фотодинамическая терапия // Журнал прикладной спектроскопии. - 2001. - Т. 68. - С. 151-153. 9. Патент 822112, МПК 61 5/06, 2008. 10. Джагаров Б.М., Чирвоный В.С., Гуринович Г.П. Пикосекундная спектроскопия и фотохимия биомолекул / Под ред В.С. Летохова, 1987. - С. 180-212. 11. Патент 2339415 С 2, МПК 61 5/07, 2008. 12. Хайруллина А.Я., Пархоц М.В., Олейник Т.В. и др. Измерение спектров поглощения фотосенсибилизатора хлорина е 6 и гемоглобина в цельной крови методом, основанным на многократном рассеянии света // Оптика и спектроскопия. - 2001. - Т. 91. -1. С. 54-60. 13. Меглинский И.В. Моделирование методом Монте Карло спектров отражения случайных многослойных сильно рассеивающих и поглощающих свет сред // Квантовая электроника. - 2001. - Т. 31. -12. - С. 1101-1107. 14. Иванов А.П. , Барун В.В. Спектры отражения света как средство диагностики структурных и биофизических параметров кожи // Оптика и спектроскопия. - 2008. Т. 104. -2. - С. 344-351. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6