Fizikalne in biološke osnovesvetlobne terapije

Erik MarganOddelek za eksperimentalno fiziko

osnovnih delcev,

Institut Jožef Stefan

Rebeka StrgarSlovensko Združenje za

fotomedicino in fotobiologijo

Igor Frangež, dr. Med.,Univerzitetni klinični center, Ljubljana

LED v svetlobni terapiji

Uporaba LED je postala smiselna ko je svetlobni tok presegel vrednost ~3 lm

Polprevodniški LASER

Zgradba in sevalni spekter preprostega polprevodniškega

laserja.

Izstopni žarek se sipa pod širokim

kotom, zato je nujna uporaba fokusne in kolimacijske optike.

Visoko razvita tehnologija se ne razlikuje dosti od

čarovništva.

Arthur C. Clarke

Zakaj fizikalne osnove?

Sodobne biologije in kemije ni več mogoče razumeti brez vsaj nekaj fizike;

Inovator na svojem področju je lahko le nekdo,ki je seznanjen tudi s drugimi relevantnimi disciplinami;

Boj proti znanstveni nepismenosti in psevdoznanosti:

če naravoslovci ne bomo komunicirali z javnostjo, bo medijski prostor zasedel nekdo drug in rezultat nam ne bo všeč.

Sledite denarju!Če želite razumeti politiko:

Mark Felt“Deep Throat”

Woodward& Bernstein Vsi predsednikovi možje

Sledite energiji!

Če želite razumeti naravo:

4 vrste fizikalnih interakcij:

Vrsta interakcije: Relativna jakost: Doseg:

močna jedrska 102 10−15 m

elektromagnetna 1 ∞ (~1/r2)

šibka jedrska 10−11 10−18 m

gravitacijska 10−40 ∞ (~1/r2)

Sevanje

Ionizirno:

Ima zadostno energijo da odtrga enga ali več elektronov iz orbital.

Ni dovolj energije za ionizacijo, le za termično vzbujanje.

Neionizirno:

Sevanje

Delci:Ni varne spodnje energijske meje!(Linear, No-Threshold Model - LNT)

Varna energijska meja: < 4 eV

Elektromagnetno valovanje:

Varna močnostna meja: < 4 W/kg

Energijska meja med ionizirnim in neionizirnim sevanjem za

elektromagnetno valovanje:

~ 3 eV

1eV (elektron-volt) je energija, ki jo pridobi elektron, če ga pospešimo z električnim potencijalom 1V.

Energije šibkih vezi med organskimi molekulami so reda ~4 eV ali več.

Energijska razmerja

Energijo definiramo kot zmožnost opravljanja dela, zato tudi enoto za energijo vpeljemo prek količine opravljenega mehanskega ali električnega dela:

James Prescott Joule1818-1889

James Watt1736-1819

1 J = 1 kg m2 s-2 = 1 Ws

W = ∫Fds = mgh = Pt = VIt

Energija in valovna dolžina

W = h = h __c

Planckova konstanta: h = 6.625 × 10-34 Js

Naboj elektrona: qe = 1.602 × 10-19 As

W [eV] = _______W [J]

qe [As]

Frekvenca: [Hz]

Valovna dolžina: [m]

Svetlobna hitrost: c = 299 792 458 ms-1

→ 1eV = 1.602 × 10-19 J

1900

Energija in valovna dolžina

1 eV 1240 nm (IR)

2 eV 620 nm (Rdeča)

3 eV 413 nm (Violična)

W = _____h c

qe

4 eV 310 nm (UV-A)

Perioda, valovna dolžina , frekvenca

Atom: ~2300 let od prve ideje do prvega uspešnega modela

Demokrit460-370pnš

Ernest Rutherford

~1911

Niels Bohr

~1913

Energija elektronskih orbital

Absorpcija fotona Emisija fotona

Energija prehoda je v obeh primerih enaka!

Molekularna termična nihanjaVsakemu načinu nihanja pripada

natančno določena frekvenca absorpcije in sevanja fotona!

Atomske orbitale

Prikaz elektronskega “oblaka” pri atomu vodika v vzbujenem stanju (4,2,0) in (8,3,1) s pomočjo

barvno kodirane verjetnostne gostote.

Vodikova valovna funkcija: gostota

verjetnosti za

različna vzbujena

stanja atomske orbitale

Energija in življenje

Entropija:Neurejenost sistema se povečuje z vsakim procesom (v zaprtem sistemu)

Navidezno krši termodinamične zakone, ker ob porabi energije vzdržuje urejenost, toda to počne na račun neurejenosti okolja.

Življenje:

Termodinamika bioloških procesov

Molekularna termična nihanja

Snov je pretežno v termičnem ravnovesju z okolico:

sevanje iz okolice prehaja v molekularna termična nihanja

in obratno.

Svetlobna terapijaPribližna energijska razmerja molekularnih vezi

Vrsta vezi Disociacijska energija[kcal/mol] [kJ/mol] [eV]

Kovalentna vez 400 1600 17

Vodikova vez 12–16 50–70 0,55–0,8

Vez med dipoloma 0.5–2.2 2–9 0.022–0.1(Debye: inducirani dipoli,dipol-dipol interakcije)

Londonove(van der Waalsove)disperzijske sile <1 <4 <0.044

Svetlobna terapijaMedatomske sile v vodi

Molekula vode H2O je

nesimetrična. Kot med vodikoma in kisikom znaša ~104°. Zaradi nesimetrije pride do izraza električna polarnost molekule, kar v večjih aglomeratih pripelje do spontane

disociacije na H+ in OH- ion.

Svetlobna terapijaPrimeri delovanja medatomskih sil v molekuli

Svetlobna terapijaVezalna energija v odvisnosti od atomskega števila

in vrste elektronske orbitale

Svetlobna terapijaHiper-bilirubinemija:

zlatenico pri novorojenčkih zdravijo z modro svetlobo, ki izomerizira molekulo bilirubina in jo naredi topno.

Svetlobna terapijaEncimi znižajo potrebno aktivacijsko energijo bioloških

procesov in povečajo pogostost reakcij za ~100.000× in več (pri isti temperaturi)

Delovanje

ATP sintaze

Svetlobna terapijaVečina raziskovalcev se osredotoča na mitohondrijsko dihalno verigo

Setlobna terapijaZgradba citokrom C oksidaze

Velika in zapletena trans-membranska molekula,s štirimi kovinskimi centri in 13 proteinskimi verigami.

Zgornji del je v medmembranskem prostoru mitohondrija, spodnji del pa znotraj.

Svetlobna terapijaOksidativni in fosforilacijski procesi v elektronski transportni verigi

priskrbijo energijo za sintezo adenozin tri-fosfata (ATP).

Svetlobna energija aktivira foto-sistem I in II; s tem priskrbi po dva elektrona, ki sta na voljo za naslednje procese v verigi.

Svetlobna terapijaSinteza adenozin tri-fosfata (ATP)

½ NADH + cytCox + ADP + Pi ½ NAD+ + cytCred + ATP

ATP molekula je ključni gradnik mišic, omogoča

gibanje in dihanje,sodeluje pa tudi pri

znotraj- in zunaj-celični signalizaciji

Adenozin di-fosfat (ADP)

Adenozin tri-fosfat (ATP)

Svetlobna terapijaFAD+ - FADH2 ravnovesje

Flavin Adenin Dinukleotide

Svetlobna terapija

NAD+ - NADH pretvorba

Koencim Nikotinamid Adenin Dinukleotide

Svetlobna terapijaDelovanje citokrom-C oksidaze

4 Fe2+-cytC + 8 H+in + O2 → 4 Fe3+-cytC + 2 H2O + 4 H+

out Sprejme po en s svetlobo sproščen elektron od vsake izmed 4 cytC molekule, jih prenese na

kisikovo molekulo, ter 4 protone vzete v notranji vodni fazi poveže v dve vodni molekuli. Hkrati prenese 4 protone prek membrane, s čemer vzdržuje membranski električni potencijal,

ki ga ATP sintaza potrebuje pri sintezi ATP. Ob tem se sprošča notranje vezan NO.

Svetlobna terapija

Shematski prikaz funkcije ATP pri sintezi DNA

Svetlobna terapijaShema celične signalizacije inducirane s svetlobo

Svetlobna terapija

Vzbujanje peptidne resonance pri polimerizaciji DNK verige:

dvojna kisikova vez pod vplivom svetlobe preide v dvojno dušikovo vez, ter spremeni polarnost kompleksa, kar olajša

ribosomom sintezo DNK verige

Svetlobna terapija

doi:10.1038/nature10618

Primerjava zgradbe kriptokroma in fotoliaze (foto-receptorji)posredujejo adaptivne odzive na modro in violično svetlobo pri mnogih vrstah

Svetlobna terapija

doi:10.1038/nature10670

Aktiviranje K+ kanalov v porah celičnih membran prek Ca++

Posredni vpliv svetlobe na koncentracijo Ca++ ionov

Svetlobna terapijafoto-izomerizacija vpliva na oscilacije živčnih celic

<http://arxiv.org/pdf/1110.6208>Tunable Oscillations in the Purkinje NeuronZ.R. Abrams, A. Warrier, Y. Wang, D. Trauner, X. Zhang

Svetlobna terapijaProblem doziranja: absorbira se le del svetlobe

Svetlobna terapija:Optična prepustnost nekaterih bio-sestavin

Svetlobna terapija

Nasprotujoči si zahtevi:

¤ čim večja vdorna globina

¤ čim večja absorpcija

Brez absorpcije ni učinka!!!

Svetlobna terapijaPovprečni spekter terapijske učinkovitosti R in NIR

Svetlobna terapija

Povprečna učinkovitost laserske terapije na celice glede na valovno dolžino

Legenda:

+pozitivna korelacija

---negativna korelacija

+/-nedoločeno

?ni podatkov

*Študije in vivo

Svetlobna terapijaBiološki odziv na sprejeto dozo

LASER v svetlobni terapijitežave s določanjem doze

Odvisnost relativne intenzitete sevanja od oddaljenosti

Pri mreži LED na srednjih oddaljenostih je intenziteta skoraj konstantna, sicer pa pada s kvadratom oddaljenosti

Spektralna gostota moči: LED in LASER

Spektralna gostota moči: definicije

James Clerk Maxwell

Svetloba je elektromagnetno valovanje!

1865: A dynamical Theory of Electromagnetic Field

Maxwellove enačbe

Maxwellove enačbe natančno opisujejo elektromagnetne pojave. So pa razmeroma neintuitivne, iz njih ni vedno preprosto dojeti pravega pomena, tudi kadar poznamo matematični formalizem..

Potujoče EM valovanje

Najbolj preprosta rešitev Maxwellovih enačb.

Foton

A. Einstein,1905:

EM val jekvantiziran!

Stefan-Boltzmannov zakon sevanja

Jožef Stefan1879

Ludwig Boltzmann1884

j = T4 = ______2 5 k4

15 c2 h3

Max Planck: spektralna odvisnost sevanja

1900

Sončnispekter

Sončno sevanje

Povprečna gostota moči: ~ 1366 Wm-2

1 m2 = 104 cm2

Povprečna gostota moči: ~ 100 mWcm-2

IEC varnostna meja za dolgotrajno (>1000s) izpostavljenost UVa+Vidnemu+IR sevanju:

~ 100 Wm-2

~ 10 mWcm-2

oziroma ~ 1/10 sonca

__________________________________________________________

Skozi zemeljsko ozračje: ~ 1000 Wm-2

Svetlobna bio-modulacija

“Posebne biološko učinkovite” modulacijske frekvence:

v območju med 10Hz in 10MHz

Royal Raymond Rife(1932)

Paul Nogier(1957)

???Psevdo-znanost

ali dejanske makromolekularne resonance?

Svetlobnabio-modulacija

Modulirano valovanje v časovnem prostoru

Frekvenčni spekter

Sinteza valovanj

Joseph Fourier1822

Svetlobna bio-modulacija

Če je opaziti razliko med enakomernim osvetljevanjem in amplitudno moduliranim ali pulznim načinom osvetljevanja je to najverjetneje zaradi dveh razlogov:

- pri pospešenih procesih nastajajo produkti, ki blokirajo učinke osvetljevanja, njihova koncentracija narašča ker jih celica ne more dovolj hitro nevtralizirati ali izločiti;

- pospešeni procesi hitreje izrabijo zaloge surovin iz katerih se sintetizirajo novi produkti.

Celica najbrž potrebuje “počitek” da se zaloge obnovijo in neželjeni produkti izločijo!

Votan, d.o.o.

<http://www.votan.si>