Автореферат (Лазерная функциональная модификация хрящевой ткани и тканей глаза)

На правах рукописиБаум Ольга ИгоревнаМЕХАНИЗМЫ МОДИФИКАЦИИ ХРЯЩЕВОЙ ТКАНИИ ТКАНЕЙ ГЛАЗА ПОД ДЕЙСТВИЕМЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ03.01.02 – Биофизика03.01.08 – БиоинженерияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2016 г.Работа выполнена в Институте Фотонных Технологий Федеральногогосударственного учреждения «Федеральный научно-исследовательский центр«Кристаллография и фотоника» Российской академии наук».Научный консультант:Доктор физико-математических наук Соболь Эмиль НаумовичОфициальные оппоненты:1) Зимняков Дмитрий Александрович, доктор физико-математических наук,профессор, заведующий кафедрой «Физика». Федеральное государственноебюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовскийгосударственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»2) Завестовская Ирина Николаевна, доктор физико-математических наук,профессор, ведущий научный сотрудник.

Федеральное государственноебюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н.ЛебедеваРоссийской академии наук.3) Тарасенко Светлана Викторовна, доктор медицинских наук, профессор,заведующая кафедрой хирургической стоматологии. Государственноебюджетное образовательное учреждение высшего профессиональногообразования Первый Московский государственный медицинский университетимени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации.Ведущая организация:Федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательскийуниверситет информационных технологий, механики и оптики» (УниверситетИТМО).Защита состоится __ __ 2016 г.

в __ __ часов на заседании диссертационногосовета Д501.002.11 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 2,физический факультет МГУ,______________С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственногоуниверситета имени М.В.Ломоносова и на сайте диссертационногосовета http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-002-11Автореферат разослан «__» _________ 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наук2Сидорова А.Э.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыМодификация структуры и свойств биологических тканей под действиемлазерного излучения является новым, активно развивающимся направлениемлазерной биоинженерии и лазерной медицины.

Основным критериемперспективности применения лазерных технологий модификации структуры иреконструкции биологических тканей является сохранение основныхфункциональных особенностей облучаемых объектов. Лазерноиндуцированные лечебные эффекты, такие как изменение формы и регенерациябиологической ткани, достигаются в определенном узком диапазоне параметровлазерного воздействия, выход за пределы которого приводит к потере еефункциональности.

Изучение физико-химических свойств биологической тканипосле неразрушающего лазерного воздействия, исследование состояния ееподсистем (клетки, матрикс, коллаген, протеогликаны и т.п.) и определениестабильности лазерно-индуцированных изменений необходимо для обеспеченияэффективности и безопасности лазерной процедуры.Открытое сотрудниками Института Фотонных Технологий Федеральногогосударственного учреждения «Федеральный научно-исследовательский центр«Кристаллография и фотоника» Российской академии наук» (старое название:Институт Проблем Лазерных и Информационных Технологий РАН) новоеявление – релаксация напряжений в хрящевой ткани под действиемнеразрушающего лазерного нагрева – легло в основу нового направлениябиофизики и биоинженерии – управляемой модификации структуры, формы ирегенерации хрящевых тканей.

Разработаны фундаментальные основы дляцелого семейства новых применений лазеров в медицине: в отоларингологии –для коррекции формы хрящей перегородки носа, в косметологии – длякоррекции формы уха и носа, в спинальной хирургии – для лечения заболеванийпозвоночника. Однако широкое применение таких новых технологий в клиникесдерживается недостаточной изученностью механизмов лазерного воздействияна клетки, допустимых параметров лазерной модификации и отсутствиемдостаточно надежных контрольных систем, обеспечивающих эффективность ибезопасность лазерных медицинских технологий.Актуальность построения теоретических моделей лазерноиндуцированных температурных полей, и полей термонапряжений,представленных в работе, обусловлена необходимостью обоснованныхпредсказаний, позволяющих значительно сократить количество необходимыхэкспериментов на тканях in vivo для выбора оптимальной дозы облучения,обеспечивающей достижение желаемого эффекта.

Таким эффектом можетявляться, например, релаксация внутренних напряжений и коррекция формыреберного хряща без его денатурации, стимуляция регенерации гиалиновогохряща суставов, или достижение структурных изменений, приводящих к3возникновению пористой структуры в склере глаза, обеспечивающейнормализацию внутриглазного давления.Построение теоретических моделей и последующая верификациярезультатов численного моделирования с помощью экспериментальных данныхпредставляется необходимой в связи с тем, что в каждом конкретном случаевоздействия критическими для сохранения функциональности могут бытьпараметры, которые невозможно или трудно измерить.К началу работ, представленных в данной диссертации, недостаточнобыли исследованы и поэтому сохранили свою актуальность не только проблемыоптимизации и контроля лазерных технологических режимов, применяемых прилазерном изменении формы и структуры реберного хряща и тканей глаза, но,также, проблема стабильности лазерно-модифицированной структуры тканей,неразрывно связанная с физико-химическим состоянием и функционированиемвсех подсистем биологической ткани, что представляет особенный интерес длябиофизики.

В то же время, от решения проблемы стабильности лазерноиндуцированных изменений зависит долговременность положительныхрезультатов лазерного воздействия. Поэтому результаты работы актуальнытакже для биоинженерии.Цель и задачи работыЦелью данной диссертационной работы являлось выяснение механизмови оптимизация физических (термических, термомеханических, реологических,перколяционных и оптических) процессов, лежащих в основе лазерноймодификации и контроля при:коррекции формы реберных хрящей и хрящевых трансплантатов,лазерной регенерации хрящей суставов,повышении плотности диагностических матриц,неабляционной коррекции формы роговицы и рефракции глаза,коррекции пористой структуры склеры для нормализации ВГД,лазерном удалении пленок вторичной катаракты.В ходе работы решались следующие задачи:1.

Построение теоретических моделей процессов распространения тепла илазерно-индуцированных полей напряжений с учетом пространственных ивременных особенностей лазерного источника тепла применительно к условиямлазерной коррекции формы хрящей носовой перегородки и реберного хряща,регенерации суставного хряща, модификации гидропроницаемости склеры ирефракции роговицы глаза; а также при лазерном наплавлении чувствительныхэлементов диагностических матриц, которые могут быть использованы дляопределения типа новообразованной ткани при лазерно-индуцированнойрегенерации.42. Теоретическое и экспериментальное определение диапазонаоптимальных параметров и механизмов лазерного воздействия (а) длястабильного изменения формы реберного хряща с сохранением его «каркаснойфункции» в отсутствии денатурации коллагена; (б) для коррекции формы ирефракции роговицы глаза без повреждения структуры и ухудшения оптическихсвойств глаза; (в) для удаления патологических пленок вторичной катарактыглаза.3.

Исследование механизмов лазерной регенерации хрящевых тканейсуставов. Моделирование условий управляемой лазерной модификациипористой структуры биополимеров с целью (1) изменения локальнойгидравлической проницаемости пористой структуры склеры глаза и (2) с цельюреализации механизма опосредованного воздействия на процессыпролиферации и модификации хрящевых клеток для регенерации суставногохряща.4.

Теоретическое и экспериментальное определение диапазонаоптимальных параметров и механизмов поверхностного лазерного наплавлениятрехкомпонентной среды с сохранением функциональности легкоплавкойсоставляющей для моделирования условий создания диагностических матриц.5. Исследование процессов лазерной модификации структурыбиологических тканей оптическими методами для эффективного и безопасногоприменения лазерной коррекции формы хрящей носовой перегородки ироговицы глаза, а также для лазерной нормализации внутриглазного давления.Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервыепроведена лазерная модификация формы реберного хряща с получениемстабильной новой формы, модификация структуры суставного хряща,приводящая к восстановлению гиалинового хряща суставов, формы роговицы спредсказуемым изменением ее рефракции без изменения ее коэффициентовпоглощения и рассеяния в видимом диапазоне, модификация пористойструктуры склеры, обеспечивающая существенное увеличениегидропроницаемости и нормализацию ВГД, оптимизирована технологиялазерного удаления пленок вторичной катаракты.Для всех этих случаев показана безопасность найденных условийлазерного воздействия и сохранение основных функциональных свойств иструктурных особенностей биологических тканей.Обнаружено нелинейное термомеханическое поведение хрящевой ткани взависимости от последовательности двустороннего облучения при лазернойкоррекции формы реберного хряща, толщина которого больше глубиныпоглощения излучения.Предложен новый подход лазерного воздействия на процессыдифференцировки-дедифференцировки клеток хряща путем модификацииструктуры околоклеточного матрикса.