Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА В ДЕРМЕ КОЖНОЙ ТКАНИ

Изобретение относится к неинвазивному получению кислорода в слое дермы путем фотодиссоциации оксигемоглобина крови под действием света заданного спектрального состава. Он может быть использован при лечении патологий приповерхностных участков кожи и, в частности, при низкоинтенсивной лазерной и фотодинамической терапии.

Известно [1], что при облучении кожной ткани светом с частотой ν (или длиной волны λ=c/ν, где с - скорость света в среде) происходит фотодиссоциация оксигемоглобина HbO₂, который распадается на деоксигемоглобин Hb и молекулярный кислород O₂

Этот механизм используют для повышения уровня О₂ в кожных тканях с целью устранению гипоксии (недостатка кислорода), стимулирования аэробного (связанного с потреблением кислорода) обмена веществ в клетках и достижения соответствующих терапевтических эффектов.

Известен способ повышения концентрации молекулярного кислорода (оксигенации) в биоткани, заключающийся в том, что одновременно проводят гипербарическую оксигенацию (ГБО) и низкоинтенсивное лазерное облучение на длине волны от 600 до 1000 нм и тем самым неинвазивно воздействуют через кожу на зону, в которой необходимо повысить концентрацию кислорода [2].

Недостатком этого способа является сложность из-за необходимости сочетать ГБО и облучение, а также невозможность повысить концентрацию кислорода в заданном месте биоткани, где имеется патологический участок, т.к. процесс ГБО включает оксигенации всего организма в целом. Для реализации метода ГБО требуется громоздкое стационарное оборудование. Кроме того, он обуславливает высокий риск кислородной токсемии (отравление крови токсинами бактерий) как результат длительного воздействия О₂ на организм при повышенном давлении.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ [3] неинвазивной генерации молекулярного кислорода в толще дермы, заключающийся в облучении поверхности кожи светом с λ=632.8 нм и одновременном локальном (в месте облучения) повышении температуры ткани примерно до 42°С. Недостатком данного способа является малое число образующихся молекул O₂ из-за использования света с λ=632.8 нм.

Задачей настоящего изобретения является увеличение числа образуемых молекул кислорода в толще дермы кожной ткани.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе неинвазивной генерации молекулярного кислорода в дерме кожной ткани, основанном на фотодиссоциации оксигемоглобина крови при облучении поверхности кожи световым пучком, облучение световым пучком осуществляют на длине волны 575±5 нм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображено отношение R интегральных эффективностей фогодиссоциации (ИЭФ) при монохроматическом облучении поверхности кожи на длинах волн 575 и 632.8 нм при C_V=0.04 (сплошная кривая) и C_V=0.08 (штриховая) в зависимости от объемной концентрации меланина f_m в эпидермисе. Символы соответствуют аналогичному отношению R* при облучении в спектральных интервалах 575±5 нм и 632.8±5 нм при C_V=0.04.

На фиг.2 показаны значения R при монохроматическом облучении поверхности кожи на длинах волн 575 и 418 нм (кривые 1), 575 и 585 нм (2) при C_V=0.04 (сплошные кривые) и C_V=0.08 (штриховые) в зависимости от объемной концентрации меланина. Символы соответствуют аналогичному отношению R* при облучении в спектральном интервале 575±5 нм, 418±5 нм и 585±5 нм при C_V=0.04.

Введем понятие интегральной эффективности фотодиссоциации ИЭФ, под которой понимается количество молекул кислорода N, образующихся в единицу времени во всей толще дермы единичной площади, при падении единичной плотности мощности монохроматического света на поверхность

Здесь

µ_а(λ) - спектральная зависимость показателя поглощения оксигемоглобина (1/см);

H - гематокрит (объемная концентрация эритроцитов в крови);

ƒ - объемная доля гемоглобина в эритроцитах;

S - степень оксигенации крови (отношение количества оксигемоглобина к полному гемоглобину);

q - квантовый выход фотодиссоциации (при освещении в видимом диапазоне спектра (λ≅300-650 нм), он примерно постоянен и составляет 3-5% в зависимости от температуры и других факторов [4]);

z₀ - координата верхней границы дермы;

C_v - объемная концентрация капилляров крови (доля единичного объема ткани, занятая капиллярами);

z - глубина в дерме, отсчитываемая от поверхности кожи;

E(z, λ) плотность излучения в биоткани, (Вт/см²), где I(λ,z,Ω) - интенсивность света как функция угловых координат ϑ и ϕ, dΩ=sin(ϑ)dϑdφ - элементарный телесный угол;

h=6.63·10^-34 Дж с - постоянная Планка;

с=3·10¹⁰ см/с - скорость света.

Величина N(λ) имеет размерность см^-2 c^-1. Верхний предел интегрирования в (1) положен равным ∞ для наглядности, т.к. плотность излучения в глубоких слоях дермы пренебрежимо мала.

В формуле (1) учтено, что в общем случае объемная концентрация капилляров C_v может зависеть от глубины z [5]. Для конкретности полагаем, что Н=0.4, ƒ=0.25 согласно модели [5].

Введем отношение

показывающее, во сколько раз ИЭФ при облучении поверхности кожи на длине волны λ₁ больше (или меньше) соответствующей величины при облучении на длине волны λ.

Формулы (1) и (2) соответствуют монохроматическому освещению поверхности кожи на длине волны λ. Если для генерации кислорода используется световой пучок в спектральном интервале Δλ, то формула (2) принимает вид

Для конкретности Δλ=±5 нм относительно длины волны λ.

Ниже будет показано, что нами найдена длина волн λ₁ (или интервал длин волн λ₁±Δλ₁), при которой значения ИЭФ для всей толщи дермы максимальны, или, иными словами, когда R(λ₁,λ)>1 и R*(λ₁,λ)>1 (λ₁≠λ).

Величины, определенные формулами (1)-(3), зависят, через плотность излучения E(z,λ), от структурных, биофизических и оптических характеристик всех слоев кожи - рогового, эпидермиса и дермы. В расчетах зависимостей E(z,λ) использована модель [6] кожного покрова человека. Биофизические параметры кожи ƒ_m и C_v, варьировались в пределах, типичных для светлой кожи. На фиг.1 и 2 сплошные кривые и символы соответствуют объемной концентрации капилляров C_v=0.04, штриховые - 0.08. Степень оксигенации крови S=0.75, толщины рогового слоя d_s=100 мкм и эпидермиса d_e=100 мкм.

На фиг.1 сопоставлены значения R и R* для λ₁=575 нм и λ=632.8 нм (прототип). Как видно, облучение на длине волны λ₁=575 нм обеспечивает более эффективную интегральную генерацию молекулярного кислорода (примерно в 20-25 раз) во всей толще дермы по сравнению с прототипом.

Нами было обнаружено, что облучение поверхности кожи на длине волны 575 нм обеспечивает максимальные значения ИЭФ по сравнению с другими λ в ближней УФ - видимой области спектра, отличающимися от 632.8 нм, предложенной в прототипе. Чтобы проиллюстрировать это, на фиг.2 сопоставлены значения R и R* для λ₁=575 нм и λ=418 (кривые 1), λ₁=575 нм и 585 нм (2). Длина волны 418 нм соответствует наибольшему поглощению крови и оксигемоглобина µ_a(λ) [6] в ближней УФ, видимой и ближней ИК областях спектра. Длина волны 585 нм была рекомендована в работе [3] в качестве обеспечивающей во всей толще дермы максимальный эффективный показатель поглощения HbO₂, пропорциональный произведению µ_а(λ)E(z,λ). Из данных фиг.2 можно сделать вывод, что рост ИЭФ при облучении на длине волны 575 нм составляет примерно 1.1-2.5 раза по сравнению с λ=418 и 585 нм. Отметим, что небольшие значения R(λ) (порядка 1.1-1.2) при λ=418 нм имеют место при низких концентрациях меланина ƒ_m≤0.02, характерных для патологии кожи - витилиго [6], и поэтому они не очень типичны.

Источники информации

1. Q.И.Gibson, S.Ainsworth. Photosensitivity of heme compounds // Nature. 1957. V.180. No.4599. P.1416-1417.

2. М.М.Асимов, Р.М.Асимов, А.Н.Рубинов. Способ повышения локальной концентрации кислорода в биологических тканях пациента. Патент BY №9855 C1. 30.10.2007.

3. М.М.Асимов, А.Н. Королевич, Е.Э. Константинова. Кинетика оксигенации кожной ткани под воздействием низкоинтенсивного лазерного излучения // Журн. прикл. спектроск. 2007. Т.74. №1. С.120-125.

4. С.В.Лепешкевич, Н.В.Коновалова, Б.М.Джагаров. Исследование методом лазерной кинетической спектроскопии бимолекулярных стадий реакции оксигенации α- и β-субъединиц гемоглобина человека в R-состоянии // Биохимия. 2003. Т.68. №5. С.676-685.

5. И.В.Меглинский. Моделирование методом Монте Карло спектров отражения случайных многослойных сильно рассеивающих и поглощающих свет сред // Квантовая электроника 2001. Т.31. №12. С.1101-1107.

6. В.В.Барун, А.П.Иванов, А.В.Волотовская, В.С.Улащик. Спектры поглощения и глубина проникновения света в нормальную и патологически измененную кожу человека // Журнал прикладной спектроскопии. 2007. Т.74. №3. С.387-394.