Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Рассмотрим долевое распределение солнечного излучения: 9 % — тепловое УФ-излучение, 50 % — ИК-излучение, 41 % — видимое излучение. Коротковолновая граница солнечного излучения— 285 нм. УФ-излучение с длиной волны х < 290 нм поглощается озоновым слоем, часть ИК-излучения — водяным паром. Максимум энергии излучения Солнца соответствует 470 нм, а на Земле— 555 нм из-за поглощения части излучения в атмосфере.
Дозированную солнечную радиацию используют как солнцелсчсние (гелиотерапия), а также как средство закаливания организма. Для лечения также используют искусственные источники теплового излучения; лампы накаливания и ИК-излучатели. Наряду с тепловыми источниками ИК-излучения используют ртутные лампы высокого давления и лазеры, которые в отличие от ламп имеют линейчатый спектр. В качестве источников УФ-излучения используют электрический разряд в газах и парах металлов (Нй, Н, Хе), (Такое излучение не является тепловым и имеет линейчатый 166 4.2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В БИОМЕДИЦИНЕ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ.
ФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ ДИАГНОСТИКА Задача диагностики — достоверное извлечение информации о состоянии организма и патологических изменениях в нем. С этой точки зрения любое воздействие извне нежелательно, поскольку оно так или иначе искажает истинную картину происходящих в организме процессов. Однако без воздействия нет и отклика организма, который является единственным источником необходимой информации.
При диагностике низкоинтенсивные воздействия, не вызывающие необратимых изменений в организме, применяются значительно шире, чем высокоинтенсивные, после которых биоткань либо перестает существовать вообще как организованная структура, либо погибает как биоткань. Однако совсем исключать возможность применения высокоинтенсивного лазерного излучения для диагностики нецелесообразно, поскольку имеется ряд примеров весьма эффективной диагностики заболеваний по анализу продуктов разрушения биоткани высокоинтенсивным излучением, по самому характеру изменения биоткани в процессе облучения и т.
п, Поэтому применение лазеров всегда должно быть привязано к 167 конкретной диагностической задаче и, в сущности, оно не поддается общей классификации. В любом случае при воздействии с целью диагностики следует соблюдать условия малости энергии взаимодействия лазерного излучения с биообъектом по сравнению с запасенной в объекте энергией и максимальной локальностью. Трудность соблюдения этих условий на практике, по-видимому, является основной причиной того, что диагностические применения лазеров до сих пор составляют ничтожно малую долю от всех видов применения лазеров в медицине, хотя богатейшие возможности лазерной диагностики с самого начала не вызывали и сейчас не вызывают сомнений.
Существуют десятки различных методов определения физиологических параметров клетки и организма, основанные на флуоресцентном анализе. Они делятся на разрушающие и неразрушающие методы диагностики в биомедицине с помощью лазеров, В основе применения лазерных методов диагностики в медицине лежит тот факт, что все органические макромолекулы (белки, НК, полисахариды), все форменные элементы крови, большинство жирных кислот и аминокислот, нуклеотидов и другие биохимические компоненты клеточных и внутриядерных субстратов обладают характерными спектрами оптического поглощения, отражения, рассеяния и люминесценции (см.
3.6). Эти спектры различны для окисленного и восстановленного состояния молекулярных компонентов, а соотношение различных форм этих компонентов и их объемная концентрация в исследуемой области определяются общей функциональной активностью различных клеточных структур и органов, в том числе и клеток крови.
Это отражается на общих оптических свойствах тканей, которые могут быть зарегистрированы методами лазерного спектрального ацализа, лазерной доплеровской флуометрии„фотоплетизмографии, лазерной биоспектрофотометрии и др. Лазерные методы не требуют расходных лабораторных препаратов, неинвазивны и асептичны, являются существенно более дешевыми по сравнению с рентгеновскими и томографическими исследованиями и позволяют получать результат практически в реальном масштабе времени.
В медицине люминесценция используется для диагностики важнейших физиологических процессов, большого числа заболеваний для контроля над поступлением, превращением и выводом из организма лекарств и т. д. Одним из первых эффективных применений лазеров в биомедицине была пролетная цитометрия; лазер был применен для ускорения анализов и сепарации отдельных клеток млекопитающих за счет точных измерений их оптических свойств — характеристик 168 вызванной лазером флуоресценции. В пролетной цитометрии используются аргоновые лазеры и Не-Сд лазер.
В конце 80-х гг. ХХ в. в Университете Твенге П олландия) был применен многопараметрический подход к лазерной пролетной цитометрии, основанный на светорассеянии, иногда в сочетании с микрофлуоресценцией ~58, 59). При таком подходе одновременно измеряется ряд сигналов от отдельной клетки, например интенсивность рассеяния вперед и под углом 90' (ортогональное рассеяние), полная интенсивность ортогонального рассеяния, поляризованного параллельно поляризации падающего на образец лазерного излучения и параллельно току клеток ~1~~), и его компонента, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризации падающего излучения и направлению пролета клеток (деполяризованного компонента 1,), и другие комбинации сигналов.
Такой подход позволяет довольно эффективно дифференцировать клетки крови по их морфологии. Информация о типе клеток определяется соотношением интенсивности ортогонального рассеяния и его деполяризованного компонента. Наибольшее значение коэффициента деполяризации 1г 1(1з + 1~~) имеют эозинофилы (0,044). Это объясняется большим количеством малых внутриклеточных частиц (гранул), которые дают многократное рассеяние, вследствие чего происходит деполяризация света.
Двухпараметрические карты интенсивности ортогонального рассеяния и рассеяния вперед показывают с хорошим разрешением области рассеяния гранулоцитами (нейтрофилы), моноцитами, лимфоцитами и эритроцитами с остатками клеток (рис. 4.1). В Университете Твенте был построен пролетный цитометр на базе Не-)че лазера мощностью 5 мВт, одновременно регистрирующий четыре компонента рассеяния для дифференциального счета четырех типов белых клеток крови. Он дает достаточно хорошую корреляцию с обычными измерениями; 0,99 — для лимфоцитов; 0,76 — для моноцитов; 0,99 — для нейтрофилов и 0,98 — для эозинофилов, и может использоваться для экспресс-диагностики различных видов лейкемии. Другое, не мснее эффективное применение лазеров — лазерная анемометрия, т.
е. измерение малых скоростей движения биологических жидкостей на основе доплеровского сдвига частоты излучения лазера. К неразрушающим методам микроспектрального анализа биообъектов относится микрофлуориметрия отдельных живых клеток 169 или органелл. Пространственное разрешение метода — 0,3 мкм, временное — 0,2 нс. Он может быть полезен для флуоресцентного картирования генов, пространственного распределения флуорофоров в клетках и мембранах, для количественного аминокислотного 2+ анализа, определения концентрации свободных ионов Са внутри живых клеток, идентификации и изучения свойств пигментов и красителей внутри живой клетки.
Например, при изучении фото- поведения одноклеточных водорослей была выявлена органелла, исполняющая роль фоторецептора, и молекула фотопигмента. О. О с й О Х х б о о Ф ь Рис. 4,1. Двухпараметрические карты интенсивности рассеяния белых клеток крови Инструментальная база флуоресцентной микроскопии включает в себя лазер, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) в режиме счета фотонов, видеодетекторы, работающие при очень низких уровнях интенсивности флуоресценции 191. Как уже обсуждалось ранее, флуоресценция может применяться при диагностике опухолевых заболеваний.
При этом используется свойство некоторых красителей избирательно накапливаться в опухолевых клетках. Для диагностики выбирают фотосенсибилизатор с высоким уровнем интенсивности флуоресценции. Флуоресцентный анализ позволяет исследовать механизм избирательного накопления красителя в раковых клетках. При этом характер флуоресценции красителя (спектры, время и характер затухания) сильно зависит от его непосредственного окружения, агрегации и комплексообразования с другими структурами.
170 Другим способом различия здоровых и опухолевых тканей является наблюдение существенного сдвига спектров флуоресценции тканей в синюю область по сравнению со здоровыми. Исследование спектров собственной люминесценции живых тканей в видимой области представляет особый интерес. Вопервых, это связано с возможностью прямого визуального наблюдения свечения с выявлением его цветовых оттенков, во-вторых, спектры люминесценции в видимой области содержат ценную информацию о жизненно важных процессах, таких, как транспорт веществ через кровь (красное свечение порфиринов, входящих в состав цитохромов, гемоглобина, миоглобина и др.), клеточный метаболизм (сине-голубое свечение восстановленной формы никотинамндадениндинуклеотидов — НАД Н и НАДФ Н вЂ” и желтое— окисленных форм флавопротеинов).
Спектры люминесценции отражают состояние жизненно важных процессов на клеточном уровне (см. 3.6). Анализ отношения интенсивностей свечения в сине-голубой (455...460 нм) и желто-зеленой (530...550 нм) областях спектра исключительно информативен в части исследования клеточного дыхания. Важным преимуществом такого метода исследования является возможность его использования в любом из органов, к которому можно подвести свет, возбуждающий люминесценцию, и отвести свечение 1л зйи на регистрирующий прибор. Это можно делать эндоскопически, пункционно, с помощью специального оптического катетера и т. п. При лазерной диагностике по спектрам поглощения или флуоресценции часто используют в качестве реперных так называемые изобестические точки, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
