Prospects of improvement of minimally invasive laser technologies in photodynamic therapy dental pathologies

Full Text

Интенсивное развитие науки, техники, электроники и роботостроения начиная со второй половины ХХ века определило один из главных векторов развития медицины - внедрение роботов и искусственного интеллекта. Последнее десятилетие характеризуется значительным прогрессом в медицинской робототехнике. Разработка компанией Intuitive Surgical, Inc. (США) универсальной роботизированной хирургической системы с дистанционным управлением явилась революционным рубежом в развитии роботизирован- ной медицины. Сегодня несколько тысяч операций в урологии, гинекологии, абдоминальной хирургии выполняются при помощи робота Da Vinci [1]. Фемтосекундная лазерная система LenSx американской фирмы Alcon является наивысшим достижением в области роботизированной хирургии глазных заболеваний. Преимущества применения медицинской робототехники очевидны: минимальная инвазивность, высокая точность, быстрая реабилитация больных. В области головы и шеи находится множество тончайших анатомических структур - мышц, сосудов, нервов, воздухоносных синусов, хирургическое вмешательство на которых требует филигранной точности в манипуляциях врача-хирурга [2]. При лечении Original article Рис. 1. Схема классического фотодинамического воздействия на клетку. различных заболеваний слизистой оболочки полости рта необходимы детальный анализ и правильная терапия, основанная на математическом расчете [3]. С такими задачами мог бы справиться роботизированный комплекс для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Однако в настоящее время не существует медицинских роботов для проведения минимально инвазивных операций в области головы и шеи. Кроме того, создание отечественной роботизированной хирургической системы необходимо в настоящий момент для реализации программы совершенствования оказания медицинской помощи населению в России. Актуальными являются разработка и создание отечественной роботизированной системы, не уступающей по своим характеристикам иностранным аналогам, для заместительной и реконструктивной хирургии тканей и органов головы и шеи с возможностью модульного наращивания, позволяющей интегрировать инновационные лазерные технологии для 3D-визуализации и обратной связи, применения однопортовых тончайших эндоскопических манипуляторов с лазерным световодом, нейромониторинга. Потенциально создание универсального многофункционального роботизированного стоматологического комплекса может идти сразу по нескольким направлениям, таким как разработка модуля механических манипуляторов, модуля контроллеров, лазерного модуля. Концепция построения робототехнического комплекса для малоинвазивных операций в области головы и шеи включает в себя разработку модуля врача- оператора, модуля манипуляторов, мобильного модуля пациента. Одним из основных компонентов модуля манипуляторов в роботизированном хирургическом комплексе является лазерная установка. Современная минимально инвазивная хирургия немыслима без лазерных технологий. Со времени изобретения лазера нашими соотечественниками, лауреатами Нобелевской премии А.М. Прохоровым и Н.Г. Басовым прошло чуть более 50 лет, но за это время оптическая квантовая электроника получила колоссальное развитие в различных областях науки и техники, в том числе в биологии и медицине. Основными свойствами лазерного излучения являются когерентность, монохроматичность и поля- ризованность. Когерентность - излучение световой энергии одновременно всеми атомами в одной фазе, что позволяет создавать высокую плотность световой энергии. Монохроматичность - излучение световой энергии с одной частотой колебания, благодаря чему удается концентрировать на значительных расстояниях энергию и мощность, возможность варьировать режимы излучения от непрерывного до импульсного с различной длительностью импульсов. Поляризован- ность позволяет фокусировать и регулировать плотность энергии на облучаемом объекте за счет ничтожно малой расходимости светового потока. Уникальное сочетание этих свойств позволяет реализовать различные механизмы взаимодействия - как тепловые (плазмообразование, абляция, испарение, плавление, нагрев), так и нетепловые (спектрально-резонансные) воздействия на вещество, оказывающие влияние на сложные атомные и молекулярные системы [4]. В настоящее время выделяют три основных направления развития лазерных систем в медицине: - методы неинвазивной лазерной диагностики: оптическая когерентная томография для диагностики онкологических заболеваний, лазерный спектральный анализ молекул-биомаркеров в выдыхаемом воздухе для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта; - методы лазеротерапии с использованием низкоинтенсивного лазерного излучения, в фотодинамической терапии для избирательного разрушения раковых клеток, патогенных микроорганизмов, атеросклеротических бляшек; - методы хирургического лазерного лечения в различных областях медицины [5-6]. В роботизированном комплексе для стоматологии лазерный модуль потенциально может использоваться в различных направлениях: как хирургический световой скальпель, позволяющий делать тончайшие разрезы тканей с одномоментной абляцией, коагуляцией и испарением, как оптический прибор с возможностью лазерной 3D-визуализации тканей по принципу обратной связи, а также как лазерный контроллер точности, позволяющий проводить предварительные лазерные измерения перед работой манипуляторов с механическими инструментами, а затем проводить измерение точности проведенных манипуляций. Воздействие лазерного излучения на кислород является одним из важных свойств, обусловливающих комплексность биохимических реакций в тканях. Известно, что фотомолекулярные реакции, происходящие в клетках под действием лазерного излучения, запускают терапевтический процесс в тканях. Предполагают, что механизм первичных процессов, приводящих к фотодинамической терапии, можно представить следующим образом: молекула фотосенсибилизатора, поглотив квант света, переходит в возбужденное триплетное состояние, энергия которого переходит на внутриклеточные молекулы кислорода в тканях с образованием молекулярного синглетного кислорода (рис. 1). Благодаря высокой окислительной активности синглетный кислород вступает в химические реакции с биологическими структурами, в частности, окисляет молекулы ароматических аминокислот и разрушает мембранные структуры, запуская реакцию Оригинальная статья 'Dye* Dye 'Dye* Dye а б i L hv J L hv J hv Рис. 2. Заселение возбужденного синглетного состояния при двух- (а) и трехфотонном возбуждении (б) наносекундными волновыми лазерными импульсами (пунктиром показаны наносекундные «виртуальные» состояния электронной системы молекул кислорода, создаваемые полем одного или двух фотонов). перекисного окисления липидов в клетке или околоклеточном пространстве. Деструкция биологических субстратов приводит также к образованию свободных радикалов, обладающих вторичным повреждающим действием на клетки [7]. Возможность проведения фотодинамической терапии в тканях без применения фотосенсибилизаторов, т. е. способа прямой генерации синглетного кислорода, видится наиболее перспективной для дальнейшего использования в медицинской практике [8-9]. Материал и методы Анализ литературы и научный поиск были направлены на изучение оптимальных параметров лазерного излучения для возможности применения малоинвазивных хирургических лазерных технологий с эффектами фотодинамического воздействия на ткани различных длин волн, частоты импульсов [10]. В работе использовался прототип лазерной установки на основе полупроводниковых кристаллов, собранный с помощью инженеров-физиков. Излучение фокусировалось в оптическом световоде диаметром 500 мкм. С помощью ИК-спектрометра с фотоумножителем С-1, охлаждаемым жидким азотом, были измерены спектры излучения лазера. Для регистрации синглетного кислорода использовались модельные среды - водные растворы нафта- цена и дифенилизобензофурана в четыреххлористом углероде. Контроль за реакцией выделения синглет- ного кислорода осуществлялся с помощью монохроматора методом определения фосфоресценции синглетного кислорода по выцветанию полос поглощения указанных веществ после лазерного облучения. Результаты и обсуждение При изучении спектра лазерного излучения нами было установлено, что в импульсном наносекундном режиме при излучении с переменной длиной волны 1270-1278 нм максимум поглощения кислорода тканями находится в пределах 1270 нм и в импульсном режиме интенсивность излучения выше в 2 раза. Использование наносекундных импульсов в дальнем инфракрасном лазерном излучении в пределах 1265-1275 нм позволяет глубже проникать в ткани при меньшем нагреве и приводит к более выраженному фотодинамическому эффекту. За счет малого времени жизни и высокой мощности лазерных импульсов за время электронного перехода в молекуле кислорода происходит суммирование энергии двух-трех лазерных фотонов, приводящее к заселению синглетного кислорода в тканях (рис. 2). В результате экспериментов доказано наличие прямого возбуждения синглетного кислорода (1O2). Детальное изучение временных и спектральных параметров, а также реакционной способности синглетной формы кислорода (1O2) показало, что суммарная скорость его дезактивации фД ~ 200 нс. Определены оптимальные параметры лазерного излучения. Проведенные исследования позволили создать прототип лазерного модуля для роботического мультифункционального комплекса для малоинвазивной хирургии челюстно-лицевой области. Разработанный прототип может быть самостоятельным хирургическим лазерным комплексом с возможностью, а также может быть интегрирован в робо- тический медицинский комплекс для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

E. A Bazikyan

A.I. Evdokimov MSMSU

Department of dental surgery

Andrey Anatol’evich Chunikhin

A.I. Evdokimov MSMSU

Email: docca74@yandex.ru
candidate of medical Science, associate professor, Department of dental surgery A.I. Evdokimov MSMSU

References

Supplementary files