Теплофізичні та фотодинамічні ефекти дії лазерного випромінювання на багатошарову біологічну тканину - Автореферат

Харківський національний університет ім. Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наукТеплофізичні та фотодинамічні ефекти дії лазерного випромінювання на багатошарову біологічну тканину. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 - Біофізика - Харківський Національний університет ім. 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.В звязку 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 обєкту, 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, розвязок 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. Деякі автори розглядають процеси взаємодії ФС з лазерним випромінюванням, інші - ефекти кисневого голодування та гіперглікемії пухлин, досліджують також механізми, що повязують із зміною оптичних параметрів середовища, і т.д. 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.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.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. 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. 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, а дані, що представляють моделювання просторових ефектів руйнації тканини, - з експериментами Веніга (Wenig B.L., 1990) по макровимірюванням глибини її деструкції.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: 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. 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.