Лазерный мир

Беликов Андрей Вячеславович // Карточка проекта, поддержанного Российским Научным Фондом

Фотодинамическая терапия (ФДТ) и диагностика являются перспективными направлениями современной медицины, требующими развития методов и средств доставки фотосенсибилизирующих препаратов к очагу поражения в биоткани, а также методов и средств облучения этих препаратов.

При фотодинамической терапии используются фотосенсибилизирующие препараты, которые содержат фотосенсибилизаторы, активирующиеся светом, что приводит к избирательному повреждению клеточных структур и апоптозу. При диагностике анализируется экзогенная флюоресценция, вызванная введенными в организм агентами, в том числе, фотосенсибилизаторами. К наиболее перспективным фотосенсибилизирующим препаратам следует отнести хлоринсодержащие препараты. Исследование спектрально-люминесцентных свойств хлорина е6 (Ce6) на предмет агрегации, и последующего ее влияния на фотофизические свойства хлоринсодержащего препарата, является критически важным моментом с точки зрения ФДТ.

Для спектра поглощения Ce6 характерно наличие следующих полос: наиболее интенсивная B-полоса (полоса Соре) с пиком на длине волны 401 нм, Qx 00- и Qx 01-полосы (около 505-510 нм), а также Qy 00-полоса с пиком на длине волны около 664 нм. При фотодинамической терапии в основном используются источники света длина волны которых попадает в пик Qy 00-полосы, что связано с тем, что свет с этой длиной волны глубоко приникает в биоткани. Однако это излучение поглощается фотосенсибилизатором не так эффективно, как излучение, попадающее в пик В-полосы. Применение же источников с длиной волны, попадающей в В-полосу ограничено малой глубиной проникновения их излучения в биоткань. В этой связи использование излучения с длиной волны, попадающей в В-полосу, но не соответствующей ее пику поглощения позволит подобрать условия, при которых свет будет глубже проникать в биоткань, но при этом поглощение света фотосенсибилизатором будет выше или на том же уровне, как при воздействии света попадающего в пик Qy 00-полосы.

Для ряда дерматологических заболеваний и прежде всего онихомикоза, глубина проникновения света не должна быть выше 0.3-0.5мм. Кроме того, при фотодинамическом воздействии пик полосы поглощения хлоринсодержащих препаратов сдвигается в ИК область, а их поглощение в диапазоне 600-700 нм уменьшается, т.к под действием лазерного излучения происходит фотодеградация фотосенсибилизирующих препаратов с хлорином е6. Высокая доля агрегатов в растворе приводит к низкой скорости фотодеградации и ингибирует фотоокислительный процесс, препятствующий образованию синглетного кислорода ответственного за наиболее значимую реакцию фотодинамической индукции гибели клеток.

Фотодинамическую эффективность фотосенсибилизирующего препарата можно охарактеризовать при анализе его конформационных состояний. Поэтому исследование динамики спектра поглощения фотосенсибилизирующих препаратов при воздействии на них источником с длиной волны, лежащей вне пика полосы поглощения но попадающей в полосу поглощения (нерезонансное воздействие вне пика поглощения, например на длине волны 450 нм) способное ослабить оба вышеперечисленных эффекта является актуальным и может привести к положительным в смысле сохранения фотодинамической активности препарата последствиям. Это возможно, в том числе потому, что при нерезонансном лазерном воздействии на хлоринсодержащий фотосенсибилизирующий препарат, в отличие от резонансного воздействия, может происходить не только процесс фоторазрушения фотосенсибилизатора, но и дополнительный нагрев, изменение pH и др., что влияет на конформационное состояние фотодинамического агента.

Нерезонансное лазерное воздействие должно в меньшей степени чем резонансное приводить к уменьшению поглощения фотосенсибилизирующего препарата в течение времени воздействия на длине волны возбуждения, т.к. в этом случае процессы фоторазрушения на длине волны возбуждения либо выражены слабо, либо полностью отсутствуют, а разрушение фотосенсибилизатора происходит не только под действием света, но под действием других факторов (температура, кислотность и пр.) и в этом случае в процессе операции по лечению, например, грибкового заболевания в дерматологии для компенсации потери фотодинамической активности препарата потребуются меньшие чем в случае резонансного воздействия интенсивности излучения, что позволит избежать ненужной травмы кожи при сохранении высокой эффективности фотодинамического действия, т.е. повысит безопасность лечения или диагностики в дерматологии. Кроме того можно подобрать длину волны нерезонансного воздействия таким образом, чтобы порог разрушения биоткани (кожи) на этой длине волны существенно превышал порог разрушения на длине волны резонансного воздействия, что позволит повышать интенсивность излучения при нерезонансном воздействии (для компенсации потери поглощательной способности в результате фоторазрушения фотосенсибилизатора) до большего значения чем при резонансном воздействии и существенно повысить тем самым эффективность фотодинамической процедуры.

Одной из распространенных проблем дерматологии является грибковая инфекция. Для лечения микозов широко используются местные фармацевтические препараты. Проницаемость ногтя и кожи для местных препаратов существенно ограничена, что снижает эффективность лечения. Для повышения эффективности доставки местных препаратов в биоткань можно использовать различные методы. Лазерная доставка отличается от других методов минимальной инвазивностью, безболезненностью, улучшенной фармакокинетикой препарата и высокой локальностью. Проницаемость ногтя или рогового слоя кожи можно увеличить с помощью лазерной микропорации. Однако, при лазерной доставке (микропорации) важно избежать трансформации лекарства под действием лазерного излучения.

В этой связи для доставки водных растворов лекарств используют лазерное излучение, эффективно поглощающееся водой и не поглощающееся лекарством, т.е. используют нерезонансное воздействие за пределами полосы поглощения лекарства. Эффективная доставка наблюдается при нерезонансном лазерном воздействии с длиной волны лежащей в диапазоне 2.8-3 мкм соответствующем полосе поглощения воды. Таким образом, сочетание активной лазерной доставки и фотодинамической терапии с использованием хлоринсодержащих фотосенсибилизирующих препаратов может существенно увеличить эффективность и качество лечения грибковых заболеваний в дерматологии. Фоторазрушение фотосенсибилизирующего агента в процессе резонансного лазерного облучения существенно снижает эффективность фотодинамической терапии и диагностики. В этой связи поиск новых методов и средств для сохранения фотодинамической эффективности препарата в течение всего времени процедуры облучения при отсутствии повреждений кожи является актуальной задачей, которую в рамках данного проекта предлагается решить за счет активной лазерной доставки и нерезонансного лазерного воздействия на фотосенсибилизирующий препарат.

Ожидаемые результаты
Будут представлены результаты спектрального исследования влияния резонансного (с длиной волны λ = 660 нм и 405 нм) и нерезонансного (с длиной волны λ = 450 нм и 2810 нм) лазерного воздействия на конформационное состояние хлоринсодержащих фотосенсибилизирующих препаратов, направленные на получение информации о физических свойствах исследуемых объектов и состоянии их агрегации. Резонансное воздействие предполагает облучение с близкой к пику полосы поглощения препарата длиной волны, а нерезонансное исключает этот процесс частично или полностью. Ключевым моментом исследования является установление параметров лазерного излучения, которые не приводят к агрегации молекул хлорина, и, следовательно, к существенному ухудшению их фотодинамических и люминесцентных свойств, с одной стороны, и усилению хиральности из-за образования агрегатов, с другой стороны. В практическом применении важно как можно дольше сохранить состояние фотодинамического агента при лазерном воздействии в форме мономера для генерации активной формы кислорода и эффективного лечения грибковых заболеваний.

При нерезонансном лазерном воздействии на хлорин-содержащий фотодинамический препарат, в отличие от резонансного воздействия, может происходить не только процесс фоторазрушения, но и в большей степени нагрев, изменение pH и др., что влияет на конформационное состояние фотодинамического агента. Будут проанализированы спектры поглощения в области 190-900 нм и конформационные состояния препаратов до и после воздействия. Ожидается, что нерезонансное лазерное воздействие должно в меньшей степени чем резонансное приводить к уменьшению поглощения фотосенсибилизирующего препарата в течение времени воздействия на длине волны возбуждения и в этом случае в процессе операции по лечению, например, грибкового заболевания в дерматологии для компенсации потери фотодинамической активности препарата потребуются меньшие чем в случае резонансного воздействия интенсивности излучения, что позволит избежать ненужной травмы кожи при сохранении высокой эффективности фотодинамического действия, т.е. повысит безопасность лечения или диагностики в дерматологии.

Будут представлены результаты экспериментального исследования процессов микропорации биотканей (кожи, ногтя) и активной лазерной доставки хлоринсодержащих препаратов через одиночное микроотверстие и через массив микроотверстий в биоткани в условиях in vitro. Будут представлены результаты исследования зависимости скорости микропорации и скорости проникновения хлоринсодержащих препаратов через микроотверстия в биоткани от параметров лазерного излучения, диаметра микроотверстий и плотности их упаковки. Лазерная микропорация и доставка будут осуществляться при нерезонансном воздействии на длинах волн 450 нм и 2810 нм, для того чтобы избежать фоторазрушения препарата в процессе доставки.

Результаты исследования позволят определить оптимальные для лазерной доставки параметры лазерного излучения, что важно, т.к. эффективная лазерная доставка лекарств является одним из ключевых этапов любого, в том числе фотодинамического лечения или диагностики в дерматологии. Будут представлены результаты оценки фунгистатической активности хлоринсодержащих препаратов нового поколения («Revixan» (ООО «Ареал», Россия), «Chloderm» («Chloderm», Россия) до и после микропорации и активной доставки препаратов излучением с оптимальной для доставки длиной волны, а также после лазерной доставки и нерезонансного (с длиной волны λ = 450 ± 5 нм) и резонансного (с длиной волны λ = 405 ± 5 нм и λ = 656 ± 10 нм) фотодинамического воздействия. Будут приведены результаты влияния энергетической экспозиции резонансного и нерезонансного воздействия на фунгистатическую активность грибков. Также будет определена фунгистатическая активность (PMI) хлоринсодержащих препаратов через 1, 3, 5 и 7 дней инкубации.

Результаты исследования позволят определить оптимальные параметры лазерного излучения для эффективного с точки зрения фунгистатической активности резонансного и нерезонансного воздействия на современный фотодинамический препарат при фотодинамическом лечении грибковых заболеваний в дерматологии. Будет дана оценка перспектив нерезонансного лазерного воздействия при фотодинамической терапии и диагностике грибковых заболеваний в дерматологии.

Полное описание на https://rscf.ru/project/22-25-00468/