Отзыв ведущей организации (Лазерная функциональная модификация хрящевой ткани и тканей глаза)

«Уз ВЕРЖДАЮ» Проректор по научной работе отзыв Санкт-Петербургский национальный организации исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики на диссертаццонную работу Баум Ольги Игоревны «Механизмы модификации хрящевой ткани и тканей глаза под действием лазерного излучения», представленную на соискание ученой степени доктора физикоматематических наук по специальностям 03,01.02 — Биофизика, 03.01.08— Биоипженерип. Представленная на отзыв диссертационная работа посвящена управляемой моднфнкацин структуры, формы и регенерации хрящевых тканей н тканей глаза. Актуальность темы диссертационной работы Управляемая модификация структуры, формы н регенерации хрящевых тканей н тканей глаза - новое направление, базирующееся на открьпом ранее явлении - релаксации напряжений в хрящевой ткани под действием неразрушающего лазерно~о нагрева, которое легло в основу семейства новых применений лазеров в медицине в отоларинголщ.ии.

в косметологии, в спинальной хирургии. Однако широкое применение новых лазерных технологий сдерживается недостаточной нзученностью механизмов лазерного воздействия на клетки, допустимых параметров лазерной модификации и отсутствием достаточно надежных контрольных систем, обеспечнвакэщнх эффективность и безопасность лазерных медицинских технологий.

Именно этим обусловлена актуальность диссертационной работы, в которой решаются проблемы стабильности лазерно-модифицированной структуры тканей, неразрывно связанные с физико-химическим состоянием и функционированием подсистем биологических объектов, Поэтому исследование Баум О. И. представляет особенный интерес для биофизики. Одновременно с этим проблема стабильности лазерно-индуцированных изменений актуальны для биоинженерии. Особенносп данной диссертационной работы состоит в том, что она включает в себя тесно взаимосвязанные теоретическую часть ~главы 2 и 3), а также экспериментальную и практическую части (главы 4-6). Так развитые в работе теоретические модели, описывающие различные процессы лазерной модификации для каждого конкретного типа рассмотренных биологических объектов, позволили существенно сократить количество ш око экспериментов н предварительно оценивать, как диапазоны оптимальных лазерных параметров, так и предсказывать результат лазерной модификации, ожидая различные лечебные эффекты для каждого типа биологической ткани.

Результаты работы вносят значительный вклад в развитие актуального научного направления, связанно~о с применением лазерных технологий в биофизике. Полученные результаты представляют значительный практический интерес в биоинженерии и рсгепсратнвной медицине. Структура и объем диссертации Диссертация содержит Введение. б глав. Заключение и список цитируемой литературы (177 ссылок). 0(пций объем работы составляет 255 страниц. Во введении к диссертации дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность исследований, сформулированы цели и конкретныс задачи работы.

Глава 1 представляет литературный обзор по основным особенностям лазерного взаимодействия с биологическими тканями, описываются особенности этого взаимодействия с хрящевыми тканями н тканями глаза. Рассматриваются биофункциональные наночастицы, используемые в дальнейших исследованиях и перспективы их применения. Обсуждаются проблемы определения допустимых параметров лазерного излучения и актуальность сохранения функциональности биологических объектов после лазерного воздействия.

Глав» 2 гюсвящена теоретической модели распространения температурного поля и основные моменты его поведения при изменении лазерных параметров и влиянии на источник тепла. Результаты численного моделирования позволили оценить эффектнвносп контрольной системы аппаратуры для лазерной септохондрокоррекции, используемой для лазерного облучения в последующем экспериментальном исследовании, Гл»в» 3 демонстрирует поведение лазероиндуцированных полей напряжения, возникающих при облучении объема и облучении поверхности — двух различных типах облучения, которые будут рассмотрены в дальнейшем в экспериментах на хрящах и тканях глаза. Рассматривается возможность управления источником тепла с помощью цаночастиц и контрастирующих добавок, часто используемых в биомедицинских приложениях.

Представлена двумерная модель образования и развития пор при лазерном воздействии. Глава 4 посвяп!сна исследованию механизмов управляемого изменения формы реберного хряща, Для последующей имплантации необходимо было решить вопрос о сохранении функциональности объекта после лазерного облучения. Показано, что контроль кривизны хрящевой пластины в момент лазерного воздействия позволяет получать желаемую кривизну имплантата. Показано, что эффект лазеро-индуцированного нсаддитивного термомеханического поведения хрящевой пластины можно наблюдать только если глубина лазерного прогрева будет сопоставима с половиной толщины облучаемой и!!асз ины. Глава 5 рассматривает механизмы регенерации суставного хряп!а при умерешгой игпенсивности 1нагрев на 10-20' С) воздействия.

Исследуегся воздействие на три типа дефектов хрящевой пластины: поверхностных малых и больших размеров и травматических, затрагивав!шик костную ткань. Описываются физические механизмы регенерации, процессы дифференцировки и дедифференцировки клеток. Представлена экспериментальная часть„ выполненная на 20 минисвиньях с последукицим гистологическим исследованием очагов регенерации гиалинового хряща. Рассмотрен метод лазерного изготовления диагностических матриц для определения типа новообразованной ткани. !"лава 6 посвящена воздействию лазерного излучения на ткани ~лаза. !'1редставлены экспериментальные данные лазерного воздействия на пленки вторичной катаракты, позволив!пне оптимизировать существующую техпоз!огик! так, чтобы минимизировать побочные эффекты, возникающие в удалении от зоны воздействия, Рассмотрен механизм изменения формы роговицы глаза, исследуется результат геометрии воздействия с использованием кольцевого источника ла!ерно!-о излучения для исклк>чення астигматизма.

Приведены данные атомно-силовой микроскопии и оптических методов ре~истрации сзрукгурных изменений, показывающие возможность получения стабильного результата изменения формы роговицы при мощностях облучения, которые существенно меньше порогов повреждения роговицы и эпителия и гарантируют сохранение оптических свойств в видимом диапазоне, 11редставлена новая технология нормализации внугриглазного давления за счет изменения !идравлической проницаемости склеры н усилении увеосклерального пути отгока внутри! лазной жидкости, Исследования с помощью атомно-силовой микроскопии и микроскопии структурированного облучения с высоким разрешением показали, что в основе механизма увеличения Гидропроницаемости склеры лежит лазерно-ипдуцированнос формирование новых стабильных пор субмикронного размера без каких-либо существенных нарушений структуры склеры.

Показано. что ширина и положение максимума распределения лазерно-ипдуцированных пор по размерам в склере определяются разницей между угловой н радиальной компонентами тензора термических >щпряженнй, возникакнцих при неоднородном лазерном нагреве ткани, что также подтверждается увеличением толщины скчеры, зафиксированной с помон>ью комбинированной оптоакустической и ультразвуковой микроскопии. В заключении сформулированы основные результаты работы. Научнаи новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые проведена лазерная модификаппя формы реберного хряща с получением стабильной новой формы, модификация структуры суставного хряща„ приводящая к восстановлению гиалинового хряща суставов. формы роговицы с предсказуемым изменением ее рефракции без изменения ее коэффициентов поглощения и рассеяния в видимом диапаюне, модификация пористой структуры склсры, обеспечивающая существенное увеличение гидропроницаемости и нормализацию ВГД, оптимизирована технология лазерного удаления пленок вторичной кгггаракть>.

Для всех >ггих случаев показана безопасность найденных условий лазерно>о воздействия и сохранение основных функциональных свойств н структурных особенностей биоло>.ических тканей. Обнаружено нелинейное термомеханическое поведение хрящевой ткани в зависимости от последовательности двустороннего облучения при лазерной коррекции формы реберного хряща, толщина которого больше глубины поглощения излучения.

Предложен новый подход лазерного воздействия на процессы дифференцнровкнделнфференцировки клеток хряща путем модификации структуры околоклеточного мгприкса. Впервые продемонстрировано образование микропор в непосредственной близости от хондроцнтов, способствук>щее доставке к клеткам питательных веществ н сш.нальных молекул, что запускает механизм пролиферации н дифференцировки клеток гиалнново>о хряща, 11остроена двухмерная теоретическая модель образования пор в полимерах, подвергающихся неоднородному лазерному нагреву. Впервые выявлен и исследован механизм стабилизации лазерно-индуцированного порообразования в суставном и реберном хрящах и в склере глаза, связанный с образованием газовых микропузырьков.

Практическая значимость работы заключается в доказательстве возможности применения метода лазерного изменения формы реберного хряща для изготовления нмплантатов (трансплантатов) в клинических операциях по закрыгик> дефектов стенки трахеи. Управление поглощением излучения в методах лазерной коррекции формы хряща и активации его регенерации может производиться с помощью нмпрегнацин магнитных наночастиц в микродефекты хрящевой структуры.

Запуск механизма ре>'енерацни посредством локализованного лазерного воздействия может быть использован при лечении различных форм дегенерации суставного хряща. Применение остро сфокусированного до размеров б мкм лазерного облучения может быть положено в основу относительно дешевой тсхнозюгии лазерного из).отовления диагностических матриц высокой плотности. Метод лазерного создания пористой системы в склере глаза уже начал применяться для снижее(ия внутриглазного давления при лечении глаукомы, а метод изменения формы роговицы глаза может в дальнейшем бьп.ь использован для лечения мнопии.

гииермегропии и астигматизма. Рекомендации по оптимизации лазерной технологии удаления пленок вторичной катаракты можсг быть использована для минимизации побочных эффектов ирн лазерной деструкции пленчатых помутнений глаза. Дое.1 оверносгь и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается восироизводимостью результатов проведенных экспериментов, большим количеством статистически значимых измерений, корреляцией теоретических и эксперимента.и,ных результатов, подтверждением результатов исследования независимыми мстодамн на различном оборудовании и согласованностью с результатами работ других а))з ОРОВ.