[go: up one dir, main page]

RU2672478C1 - Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях - Google Patents

Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях Download PDF

Info

Publication number
RU2672478C1
RU2672478C1 RU2017127929A RU2017127929A RU2672478C1 RU 2672478 C1 RU2672478 C1 RU 2672478C1 RU 2017127929 A RU2017127929 A RU 2017127929A RU 2017127929 A RU2017127929 A RU 2017127929A RU 2672478 C1 RU2672478 C1 RU 2672478C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
delayed fluorescence
pulse
intensity
phosphorescence
tissue
Prior art date
Application number
RU2017127929A
Other languages
English (en)
Inventor
Эскендер Куртаметович Алиджанов
Юрий Дмитриевич Лантух
Сергей Николаевич Летута
Сергей Николаевич Пашкевич
Дмитрий Анатольевич Раздобреев
Азамат Талгатович Ишемгулов
Александр Афиногенович Чакак
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет"
Priority to RU2017127929A priority Critical patent/RU2672478C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2672478C1 publication Critical patent/RU2672478C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

Изобретение относится к медицине, в частности к онкологии, и может быть использовано для диагностики возникновения злокачественных опухолей в тканях in vitro. Вводят в ткань фотосенсибилизатор. Воздействуют на ткань лазерным излучением серией импульсов с плотностью мощности 0,5 МВт/сми длительностью импульса 15 нс. Во временном интервале 1-15 мкс после каждого импульса облучения одновременно измеряют интенсивность замедленной флуоресценции и фосфоресценции фотосенсибилизатора. При снижении интенсивности фосфоресценции, свидетельствующем о снижении концентрации триплетных состояний фотосенсибилизатора, осуществляют корректировку показаний интенсивности замедленной флуоресценции после каждого возбуждающего импульса. Корректировку осуществляют путем добавления величины разностного интегрального сигнала фосфоресценции к интегральному сигналу замедленной флуоресценции. Наличие опухоли в ткани диагностируют при снижении скорректированного показателя интенсивности замедленной флуоресценции на 60% к седьмому лазерному импульсу. Способ обеспечивает повышение точности и достоверности диагностики онкологических патологий в биологических тканях за счет обнаружения тушения замедленной флуоресценции молекулярных зондов в тканях при их импульсно-периодическом возбуждении путем контроля изменения концентрации молекул зондов в триплетных состояниях непосредственно в процессе измерения кинетики затухания замедленной флуоресценции. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области медицины, онкологии и может быть использовано для диагностики возникновения злокачественных новообразований в тканях.
В ткань вводят экзогенные молекулы - зонды. Такими зондами могут служить молекулы органических красителей, способные излучать замедленную флуоресценцию (ЗФ) и фосфоресценцию. Затем введенные в ткань молекулы возбуждают импульсами лазерного излучения в основной полосе поглощения S0→S1, где S0 - основное состояние молекулы, S1 - первое возбужденное синглетное состояние. В результате интеркомбинационной конверсии S1→Т1 из первого возбужденного синглетного состояния, появляются молекулы красителей в триплетном T1 состоянии (которые характеризуются большими значениями времени жизни 10-6 - 10-3 с). Триплетные состояния молекул эффективно тушатся молекулярным кислородом 3О2 с образованием синглетного кислорода 1О2.
В работе [«Журнал физической химии», 2013, том. 87, №9, с. 1602-1607] показано, что в биотканях в присутствии синглетного и молекулярного кислорода возможны следующие каналы релаксации триплетных состояний молекул:
- термоинициированная обратная T1→S1 интеркомбинационная конверсия с последующей замедленной флуоресценцией T1→S1→S0+hνЗФ (в дальнейшем будем называть этот тип замедленной флуоресценции - ТЗФ);
- синглет-триплетная аннигиляция T1+1O2, сопровождающаяся возникновением S1 состояний молекул с последующей замедленной флуоресценцией T1+1О23О2+S1→S0+hνЗФ (в дальнейшем будем называть этот тип замедленной флуоресценции - СТА ЗФ);
- фосфоресценция T1→S0+hνФОС.
Авторами настоящей заявки ["Вестник ОГУ", 2015, №13, С. 175-180; Journal of Photochemistry & Photobiology, В: Biology 163 (2016) 232-236] показано, что в злокачественных опухолях, в отличие от нормальных тканей, при импульсно-периодическом возбуждении, из-за разности скоростей расходования фотосенсибилизированного синглетного 1О2 кислорода внутри ткани и поступления 3О2 кислорода из внешней среды в ткань в промежутке между возбуждающими импульсами, наблюдается эффект тушения СТА ЗФ. В работе ["Вестник ОГУ", 2015, №13, С. 175-1802] этот эффект предложено использовать для диагностики возникновения опухолей на ранней стадии.
Интегральный измеряемый сигнал замедленной флуоресценции зондов в биотканях представляет собой суперпозицию двух типов свечения - ТЗФ и СТА ЗФ. Интенсивность замедленной флуоресценции IЗФ (площадь под кинетической кривой ЗФ) определяется выражением:
Figure 00000001
где А1 и А2 - постоянные коэффициенты;
nΔ(t) - концентрация синглетного кислорода;
nT(t) - концентрация зондов в триплетном состоянии.
Первое слагаемое в (1) представляет вклад СТА ЗФ в общий сигнал, второе - вклад ТЗФ.
Тушение СТА ЗФ в опухолях происходит потому, что при возбуждении в строб-режиме для каждого последующего импульса концентрация молекул кислорода в ткани оказывается меньшей, чем для предыдущего импульса. Уменьшение концентрации кислорода в ткани влечет за собой уменьшение
величины nΔ(t) в выражении (1) и, как следствие, уменьшение вклада первого слагаемого в общий сигнал ЗФ.
Другой причиной тушения ЗФ может быть фотохимическое обесчвечивание красителей в тканях при лазерном возбуждении, т.е. уменьшение величины nT(t) в выражении (1). Для учета возможной фотохимической деградации красителей предлагается при каждом отдельном измерении кинетики ЗФ зондов одновременно измерять кинетику их фосфоресценции.
Интенсивность фосфоресценции IФ0С равна:
Figure 00000002
где A3 - постоянный коэффициент.
Измерения фосфоресценции зондов позволяет контролировать изменение величины nT(t). Практически эта задача решается введением в установку дополнительного фотоприемника, регистрирующего свечение в спектральном диапазоне, соответсвующем фосфоресценции зондов. Величина разностного интегрального сигнала фосфоресценции, определяемого во временном интервале 0-15 мкс, добавляется к интегральному сигналу замедленной флуорисценции. Врезультате описаной процедцры получаем скорректированные данные о кинетике СТА ЗФ, что повышает достоверность процедуры диагностики паталогии биологических тканей.
Ближайшим по техническому решению к предлагаемому способу является способ определения патологий в биологических тканях на основе измерения тушения СТА ЗФ молекулярных зондов в тканях в режиме импульсно-периодического возбуждения [Journal of Photochemistry & Photobiology, В: Biology, 163, 2016, 232-236]. Недостатком способа является отсутствие контроля изменения концентрации триплетных состояний фотосенсибилизаторов (зондов) после каждого возбуждающего импульса, что вносит неточность в интерпретацию результатов измерений.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и обеспечение корректности способа диагностики онкологических заболеваний основанного на тушении замедленной флуоресценции зондов при импульсно-периодическом возбуждении, путем создания возможности контроля изменения концентрации триплетных состояний молекул зондов непосредственно в процессе измерения кинетики затухания замедленной флуоресценции. Задача решается тем, что в экспериментальную установку вводится дополнительный канал регистрации свечения и одновременно с замедленной флуоресценцией измеряется кинетика фосфоресценции молекулярных зондов после каждого возбуждающего импульса. По изменениям, происходящим в кинетике фосфоресценции, контролируется концентрация триплетных состояний молекул зондов в ткани и производится (при необходимости) корректировка данных измерений кинетики замедленной флуоресценции.
Реализация способа оптической диагностики патологий в биологических тканях с одновременным контролем концентрации триплетных состояний молекул зондов непосредственно в процессе измерения кинетики затухания замедленной флуоресценции приведена в следующем примере.
Измерения проводились in vitro в тканях здоровых и больных раком молочной железы мышей линии BYRB и раком желудка крыс линии Wistar. Образцы тканей окрашивались ксантеновыми красителями (молекулярными зондами, фотосенсибилизаторами) - эритрозином, эозином или бенгальским розовым и подвергались облучению серией лазерных импульсов с плотностью мощности 0,5 МВт/см2 и длительностью импульса 15 нс. Импульсы следовали через равные промежутки времени в 200 мс. Обычно в серии было от 5 до 7 импульсов. После каждого импульса измерялись кинетические кривые замедленной флуоресценции (λmax=570 нм) и фосфоресценции (λmax=680 нм).
На фиг. 1а приведены кинетические кривые ЗФ, а на фиг. 1б кинетические кривые фосфоресценции эритрозина, измеренные после первого (линия 1) и седьмого (линия 2) импульсов возбуждения. Видно, что после седьмого импульса наблюдается заметное тушение СТА ЗФ, что свидетельствует о наличии патологии в исследуемом образце ткани.
Для контроля концентрации триплетных состояний молекулярных зондов осуществляли измерение кинетики фосфоресценции. На фиг. 1б видно, что интенсивность фосфоресценции фотосенсибилизатора (эритрозина) при выбранном режиме облучения во временном интервале 0-15 мкс не изменяется, что свидетельствует об отсутствии фотохимической деградации красителя.
На фиг. 2 представлены кинетические кривые замедленной флуоресценции и фосфоресценции красителя бенгальского розового в злокачественной опухоли ткани желудка крысы линии Wistar. На фиг. 2а видно, что имеет место сильное тушение ЗФ бенгальского розового. Это свидетельствует о возможном наличии в исследуемой ткани патологии.
Однако измерения кинетики фосфоресценции красителя показывают, что от импульса к импульсу происходит уменьшение интенсивности фосфоресценции. На фиг. 2б приведены кинетические кривые после 1-го и после 7-го импульсов. Этот результат указывает на то, что имеет место фотохимическая деградация фотосенсибилизатора, которая также приводит к уменьшению интенсивности ЗФ бенгальского розового.
В данном случае, для корректной диагностики наличия патологии в исследуемой ткани, следует скорректировать кинетическую кривую ЗФ путем учета фотохимических процессов. Результаты процедуры корректировки показаны на фиг. 3. Здесь приведена гистограмма сравнительных изменений интенсивности замедленной флуоресценции и фосфоресценции бенгальского розового, внедренного в ткани желудка больной и здоровой крысы линии Wistar при импульсно-периодическом возбуждении с частотой 5 Гц (гистограмма построена по площади под кинетическими кривыми, регистрируемыми после каждого импульса во временном интервале 0-15 мкс). По оси абсцисс отложен порядковый номер возбуждающего импульса.
Ряд 1 - интегральная интенсивность ЗФ бенгальского розового в ткани здоровой крысы (небольшое уменьшение интенсивности ЗФ обусловлено фотохимической деградацией красителя);
Ряд 2 - интегральная интенсивность ЗФ бенгальского розового в ткани больной крысы (без учета фотохимической деградации красителя);
Ряд 3 - интенсивность СТА ЗФ бенгальского розового в ткани больной крысы с учетом фотохимической деградации красителя.
Из фиг. 3 видно, что к седьмому импульсу интенсивность сигналов СТА ЗФ (Ряд 3) красителя, внедренного в испытуемую ткань желудка, уменьшается на 60%, что надежно и достоверно свидетельствует о наличии в ней патологии.

Claims (1)

  1. Способ оптической диагностики злокачественных опухолей в тканях in vitro, включающий введение в ткань фотосенсибилизатора и воздействие на ткань импульсно-периодическим лазерным излучением, отличающийся тем, что лазерное воздействие осуществляют серией импульсов с плотностью мощности 0,5 МВт/см2 и длительностью импульса 15 нс, затем во временном интервале 1-15 мкс после каждого импульса облучения одновременно измеряют интенсивность замедленной флуоресценции и фосфоресценции фотосенсибилизатора, и при снижении интенсивности фосфоресценции, свидетельствующем о снижении концентрации триплетных состояний фотосенсибилизатора, осуществляют корректировку показаний интенсивности замедленной флуоресценции после каждого возбуждающего импульса путем добавления величины разностного интегрального сигнала фосфоресценции к интегральному сигналу замедленной флуоресценции, наличие опухоли в ткани диагностируют при снижении скорректированного показателя интенсивности замедленной флуоресценции на 60% к седьмому лазерному импульсу.
RU2017127929A 2017-08-03 2017-08-03 Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях RU2672478C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017127929A RU2672478C1 (ru) 2017-08-03 2017-08-03 Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017127929A RU2672478C1 (ru) 2017-08-03 2017-08-03 Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2672478C1 true RU2672478C1 (ru) 2018-11-15

Family

ID=64328052

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017127929A RU2672478C1 (ru) 2017-08-03 2017-08-03 Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2672478C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2707828C1 (ru) * 2018-12-25 2019-11-29 Закрытое акционерное общество "Элекард Девайсез" (ЗАО "Элекард Девайсез") Устройство для фотодинамической визуализации для дифференциации путей лимфооттока
RU2835219C1 (ru) * 2024-03-25 2025-02-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации Способ обнаружения опухолевой ткани в операционном материале при раке молочной железы

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2231775C2 (ru) * 2002-09-17 2004-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет" Способ определения концентрации кислорода
WO2013109966A1 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 The Trustees Of Dartmouth College Method and apparatus for quantitative hyperspectral fluorescence and reflectance imaging for surgical guidance
RU2552032C1 (ru) * 2014-04-22 2015-06-10 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства Здравоохранения Российской Федерации (ГБОУ ВПО НижГМА Минздрава России) Способ фотодинамической терапии
RU2596869C1 (ru) * 2015-05-26 2016-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук Устройство для флуоресцентной диагностики и мониторинга фотодинамической терапии

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2231775C2 (ru) * 2002-09-17 2004-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет" Способ определения концентрации кислорода
WO2013109966A1 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 The Trustees Of Dartmouth College Method and apparatus for quantitative hyperspectral fluorescence and reflectance imaging for surgical guidance
RU2552032C1 (ru) * 2014-04-22 2015-06-10 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства Здравоохранения Российской Федерации (ГБОУ ВПО НижГМА Минздрава России) Способ фотодинамической терапии
RU2596869C1 (ru) * 2015-05-26 2016-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук Устройство для флуоресцентной диагностики и мониторинга фотодинамической терапии

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Kim MM et al. A Comparison of Singlet Oxygen Explicit Dosimetry (SOED) and Singlet Oxygen Luminescence Dosimetry (SOLD) for Photofrin-Mediated Photodynamic Therapy.Cancers (Basel). 2016 Dec 6;8(12). pii: E109. *
ЛЕТУТА С.Н. и др. Флуоресцентная дозиметрия в фотодинамической терапии. Вестник ОГУ 2015 N13(188) с.175-180. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2707828C1 (ru) * 2018-12-25 2019-11-29 Закрытое акционерное общество "Элекард Девайсез" (ЗАО "Элекард Девайсез") Устройство для фотодинамической визуализации для дифференциации путей лимфооттока
RU2835219C1 (ru) * 2024-03-25 2025-02-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации Способ обнаружения опухолевой ткани в операционном материале при раке молочной железы

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102068776B1 (ko) 자가형광이 존재하는 생물학적 물질에서 타겟 형광체의 이미징
Palade et al. Arsenazo III and antipyrylazo III calcium transients in single skeletal muscle fibers.
Letuta et al. Delayed luminescence of erythrosine in biological tissue and photodynamic therapy dosimetry
CN111103272B (zh) 细胞特异性光敏效应的实时筛查与测量系统及方法
Scully et al. Development of a laser-based fluorescence microscope with subnanosecond time resolution
KR900005168A (ko) 간 기능검사장치
Rich et al. Elimination of autofluorescence in fluorescence correlation spectroscopy using the AzaDiOxaTriAngulenium (ADOTA) fluorophore in combination with time-correlated single-photon counting (TCSPC)
Scholz et al. The singlet-oxygen-sensitized delayed fluorescence in mammalian cells: a time-resolved microscopy approach
RU2672478C1 (ru) Способ оптической диагностики патологий в биологических тканях
Gao et al. β-Galactosidase activity monitoring and bioimaging by a novel ICT mechanism-based NIR fluorescent probe with large Stokes shift
CN101021537A (zh) 检测细胞羟基自由基的荧光探针及合成方法和用途
Lanzanò et al. Spectral analysis of delayed luminescence from human skin as a possible non-invasive diagnostic tool
Winfree et al. Intravital microscopy of biosensor activities and intrinsic metabolic states
CN109060746B (zh) 一种比率型荧光检测方法及应用
Alich et al. A dark quencher genetically encodable voltage indicator (dqGEVI) exhibits high fidelity and speed
CN113945552A (zh) 一种活细胞线粒体中还原型谷胱甘肽的浓度测定方法
Hallett et al. Fluorescent methods for measuring and imaging cytosolic free Ca2+ in neutrophils
Suda et al. Intracellular Calciumu Singals Measured with Fura-2 and Aequorin in Frog Skeletal Muscle Fibers
RU2672806C1 (ru) Способ фотодинамической терапии с контролем эффективности в режиме реального времени
Cheun et al. Biophoton emission of MDCK cell with hydrogen peroxide and 60 Hz AC magnetic field
Antic et al. ElectroFluor Voltage‐Sensitive Dyes: Comprehensive Analysis of Wavelength‐Dependent Sensitivity and Cross‐Channel Bleed‐Through
Letuta et al. Long-term luminescence of organic dyes in cells of biological tissues
Losi et al. Time-resolved photoacoustics determination of intersystem crossing and singlet oxygen photosensitization quantum yields for 4, 5', 8-trimethylpsoralen
RU2780954C1 (ru) Способ применения фикобилипротеинов в качестве оптических сенсоров локальной температуры в живых клетках и тканях
Marcek Chorvatova et al. Time-Resolved Imaging of Mitochondrial Flavin Fluorescence and Its Applications for Evaluating the Oxidative State in Living Cardiac Cells

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190804