Fizikalne in biološke osnove svetlobne terapije

1. Erik Margan Oddelek za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev, Institut Jožef Stefan Fizikalne in biološke osnovesvetlobne terapije • Rebeka Strgar • Slovensko Združenje za • fotomedicino in fotobiologijo • Igor Frangež, dr. Med., • Univerzitetni klinični center, Ljubljana

2. LED v svetlobni terapiji Uporaba LED je postala smiselna ko je svetlobni tok presegel vrednost ~3 lm

3. Polprevodniški LASER Zgradba in sevalni spekter preprostega polprevodniškega laserja. Izstopni žarek se sipa pod širokim kotom, zato je nujna uporaba fokusne in kolimacijske optike.

4. Visoko razvita tehnologija se ne razlikuje dosti od čarovništva. Arthur C. Clarke

5. Zakaj fizikalne osnove? Sodobne biologije in kemije ni več mogoče razumetibrez vsaj nekaj fizike; Inovator na svojem področju je lahko le nekdo,ki je seznanjen tudi s drugimirelevantnimi disciplinami; Boj proti znanstveni nepismenosti in psevdoznanosti: če naravoslovci ne bomo komunicirali z javnostjo, bo medijski prostor zasedel nekdodrug in rezultat nam ne bo všeč.

6. Sledite denarju! Če želite razumeti politiko: Mark Felt “Deep Throat” Woodward & Bernstein Vsi predsednikovi možje

7. Sledite energiji! Če želite razumeti naravo:

8. 4 vrste fizikalnih interakcij:

9. Sevanje Ionizirno: Ima zadostno energijo da odtrga enga ali več elektronov iz orbital. Neionizirno: Ni dovolj energije za ionizacijo, le za termično vzbujanje.

10. Sevanje Delci: Ni varne spodnje energijske meje! (Linear, No-Threshold Model - LNT) Elektromagnetno valovanje: Varna energijska meja: < 4 eV Varna močnostna meja: < 4 W/kg

11. 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.

12. Energijska razmerja Energijo definiramo kot zmožnost opravljanja dela, zato tudi enoto za energijo vpeljemo prek količine opravljenega mehanskega ali električnega dela: W = ∫Fds = mgh = Pt = VIt 1 J = 1 kg m2 s-2= 1 Ws James Watt 1736-1819 James Prescott Joule 1818-1889

13. Energija in valovna dolžina Frekvenca: n[Hz] Valovna dolžina:l [m] c __ W = h n = h l Svetlobna hitrost: c = 299 792 458 ms-1 Planckova konstanta: h = 6.625 × 10-34 Js Naboj elektrona: qe = 1.602 × 10-19 As 1900 W [J] _______ → 1eV = 1.602 × 10-19 J W [eV] = qe [As]

14. Energija in valovna dolžina h c _____ W = qe l 1 eV  1240 nm (IR) 2 eV  620 nm (Rdeča) 3 eV  413 nm (Violična) 4 eV  310 nm (UV-A)

15. Perioda, valovna dolžina , frekvenca

16. Atom: ~2300 let od prve ideje do prvega uspešnega modela Demokrit 460-370pnš Ernest Rutherford ~1911 Niels Bohr ~1913

17. Energija elektronskih orbital Absorpcija fotona Emisija fotona Energija prehoda je v obeh primerih enaka!

18. Molekularna termična nihanja Vsakemu načinu nihanja pripada natančno določena frekvenca absorpcije in sevanja fotona!

19. Atomske orbitale Prikaz elektronskega “oblaka” pri atomu vodika v vzbujenem stanju (4,2,0) in (8,3,1) s pomočjo barvno kodirane verjetnostne gostote.

20. Vodikova valovna funkcija: gostota verjetnosti za različna vzbujena stanja atomske orbitale

21. Energija in življenje Termodinamika bioloških procesov Entropija: Neurejenost sistema se povečuje z vsakim procesom (v zaprtem sistemu) Življenje: Navidezno krši termodinamične zakone, ker ob porabi energije vzdržuje urejenost, toda to počne na račun neurejenosti okolja.

22. Molekularna termična nihanja Snov je pretežno v termičnem ravnovesju z okolico:sevanje iz okolice prehaja v molekularna termična nihanja in obratno.

23. Svetlobna terapija Približna energijska razmerja molekularnih vezi Vrsta veziDisociacijska energija [kcal/mol] [kJ/mol] [eV] Kovalentna vez 400 1600 17 Vodikova vez 12–16 50–70 0,55–0,8 Vez med dipoloma0.5–2.22–9 0.022–0.1 (Debye: inducirani dipoli, dipol-dipol interakcije) Londonove (van der Waalsove) disperzijske sile<1 <4 <0.044

24. Svetlobna terapija Medatomske 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.

25. Svetlobna terapija Primeri delovanja medatomskih sil v molekuli

26. Svetlobna terapija Vezalna energija v odvisnosti od atomskega števila in vrste elektronske orbitale

27. Svetlobna terapija Hiper-bilirubinemija: zlatenico pri novorojenčkih zdravijo z modro svetlobo, ki izomerizira molekulo bilirubina in jo naredi topno.

28. Svetlobna terapija Encimi znižajo potrebno aktivacijsko energijobioloških procesov in povečajo pogostost reakcij za ~100.000× in več (pri isti temperaturi) Delovanje ATP sintaze

29. Svetlobna terapija Večina raziskovalcev se osredotoča na mitohondrijsko dihalno verigo

30. Setlobna terapija Zgradba 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.

31. Svetlobna terapija Oksidativni 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.

32. Svetlobna terapija Sinteza adenozin tri-fosfata (ATP) ½NADH + cytCox + ADP + Pi ½NAD+ + cytCred + ATP Adenozin di-fosfat (ADP) Adenozin tri-fosfat (ATP) ATP molekula je ključni gradnik mišic, omogoča gibanje in dihanje, sodeluje pa tudi pri znotraj- in zunaj-celični signalizaciji

33. Svetlobna terapija FAD+ - FADH2 ravnovesje Flavin Adenin Dinukleotide

34. Svetlobna terapija Koencim Nikotinamid Adenin Dinukleotide NAD+ - NADH pretvorba

35. Svetlobna terapija Delovanje 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 fazipoveže 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.

36. Svetlobna terapija Shematski prikaz funkcije ATP pri sintezi DNA

37. Svetlobna terapija Shema celične signalizacije inducirane s svetlobo

38. 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

39. Svetlobna terapija Primerjava zgradbe kriptokroma in fotoliaze (foto-receptorji) posredujejo adaptivne odzive na modro in violično svetlobo pri mnogih vrstah doi:10.1038/nature10618

40. Svetlobna terapija Aktiviranje K+ kanalov vporah celičnih membran prek Ca++ Posredni vpliv svetlobe na koncentracijo Ca++ ionov doi:10.1038/nature10670

41. Svetlobna terapija foto-izomerizacija vpliva na oscilacije živčnih celic <http://arxiv.org/pdf/1110.6208> Tunable Oscillations in the Purkinje Neuron Z.R. Abrams, A. Warrier, Y. Wang, D. Trauner, X. Zhang

42. Svetlobna terapija Problem doziranja: absorbira se le del svetlobe

43. Svetlobna terapija:Optična prepustnost nekaterih bio-sestavin

44. Svetlobna terapija Nasprotujoči si zahtevi: ¤ čim večja vdorna globina ¤ čim večja absorpcija  Brez absorpcije ni učinka!!!

45. Svetlobna terapija Povprečni spekter terapijske učinkovitosti R in NIR

46. Svetlobna terapija • Legenda: • + • pozitivna korelacija • - • negativna korelacija +/- nedoločeno ? ni podatkov * Študije in vivo Povprečna učinkovitost laserske terapije na celice glede na valovno dolžino

47. Svetlobna terapija Biološki odziv na sprejeto dozo

48. LASER v svetlobni terapijitežave s določanjem doze

49. Odvisnost relativne intenzitete sevanja od oddaljenosti Pri mreži LED na srednjih oddaljenostih je intenziteta skoraj konstantna, sicer pa pada s kvadratom oddaljenosti

50. Spektralna gostota moči: LED in LASER