WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ДИФФУЗИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ В БИОТКАНЯХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОСМОТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ИММЕРСИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ Башкатов А.Н., Генина Э.А., Тучин В.В.

ВВЕДЕНИЕ Существенный прогресс в разработке неинвазивных методов многофункционального клинического мониторинга различных заболеваний, связан в значительной мере с развитием оптических методов диагностики [1-15]. В дерматологии, офтальмологии, гинекологии, гастроэнтерологии, нейрохирургии оптические методы перспективны для диагностики, локализации и лечения злокачественных новообразований [9,10,12,14-24], фотодинамической терапии различных заболеваний [1,10,12,25-34], маммографии и томографии кожи и внутренних органов [6,10-12,14,15,20,35-38]. В офтальмологии при лечении глаукомы, отслоения сетчатки глаза и ряда других заболеваний широко применяется транссклеральная фотокоагуляция тканей глазного яблока - цилиарного тела, сетчатки глаза и т.д. [39-41].

Оптические методы используются для мониторинга функциональной активности мозга, сердечной деятельности, работы сосудистой системы, определения скорости кровотока и лимфотока, объема крови в биотканях и степени ее оксигенации [42-54].

Одна из основных проблем применения оптических методов в медицине связана со сложным характером переноса оптического излучения – его значительным перераспределением по угловым координатам и существенным ослаблением коллимированных пучков при прохождении через поверхностные слои биотканей, примером которых являются кожа, склера глаза, твердая мозговая оболочка и т.д.

Сложный характер взаимодействия оптического излучения с биологическими тканями обусловлен их оптической неоднородностью, вызывающей сильное рассеяние излучения видимого и ближнего инфракрасного (ИК) спектральных диапазонов, что значительно ограничивает пространственное разрешение и глубину зондирования многих оптических методов [12,14,15,18,23,24,55-65]. Управление оптическими характеристиками биотканей, наряду с развитием методов оптической томографии, является одним из перспективных путей решения данной проблемы.

Управление оптическими свойствами биотканей в конечном итоге сводится к изменению рассеивающих или поглощающих характеристик среды, которая либо закрывает объект исследования (или фотовоздействия), либо сама является таким объектом. Характер поглощения и рассеяния света биотканями можно достаточно эффективно изменять с помощью различных средств (например, с помощью механического сдавливания биотканей, их дегидратации, коагуляции, или применения других физических или химических методов воздействия) [12,14,26,39,43,56,58,60-63, 65-108]. Таким образом, объектом управления является биоткань, оптимальное пропускание которой для оптического (лазерного) излучения определяет оптимальные условия проведения терапевтической процедуры, хирургической операции или наблюдения подлежащих слоев биоткани, а в качестве управляющего воздействия может быть выбрано локальное механическое или осмотическое напряжение в ткани.

Хорошо известно, что основным источником рассеяния света в биотканях является различие в значениях показателей преломления различных компонент биотканей, т.е. между митохондриями, ядром, другими компонентами и цитоплазмой клеток; или внутритканевой жидкостью и структурными элементами соединительной (фиброзной) ткани (коллагеновыми и эластиновыми волокнами) [10,12,14,15,45,56,69 71,75,109-121]. Рассеяние света в биотканях может быть существенно уменьшено при помощи осмотически активных иммерсионных жидкостей (просветляющих агентов) [12,14,43,56,58,61,62,65,69-72,75,76,78-86,88,90-108]. Введение в биоткань иммерсионной жидкости, имеющей показатель преломления больший, чем у внутритканевой жидкости, вызывает частичное замещение внутритканевой жидкости иммерсионным раствором, выравнивание показателей преломления рассеивателей (например, коллагеновых волокон) ткани и окружающей их среды, и, как следствие, значительное снижение светорассеяния.

Кроме того, благодаря осмотическим свойствам, иммерсионные жидкости могут вызывать локальную дегидратацию, что так же приводит к выравниванию показателей преломления различных компонент биотканей. Осмотическое действие на биоткани носит сложный характер и во многом определяется кислотными свойствами просветляющих жидкостей. Хорошо известно, что действие гипотонических растворов на биоткани, имеющих клеточную структуру, например, печень, вызывает осмотическое набухание клеток, а воздействие гипертонических растворов приводит к их сжатию [56]. Для фиброзных тканей, например склеры глаза или дермы кожи, степень набухания определяется гликозаминогликанами внутритканевого матрикса [122]. В свою очередь, изменение объема рассеивающих элементов биотканей приводит к изменению их рассеивающих характеристик [120].

Временное селективное просветление верхних слоев биотканей является ключевым моментом развития техники структурного и функционального зондирования биотканей, применяемого, в частности, для локализации статических и динамических макронеоднородностей скрытых в сильно рассеивающих средах, к которым относятся и биоткани. В настоящее время в качестве просветляющих агентов используются водные растворы глюкозы [56,58,62,69-72,75,76,79,80,83,84,86,88,90-92,94,95,97-102,106-108], маннитола [43,56,71,84,94,107,108], пропиленгликоля [65,78,79,98,105], полиэтиленгликоля [78], глицерина [61,62,80,85,92-94,98-99,104,105,107], рентгеноконтрастных веществ (тразографа [58,80-82,98], верографина [78]) и т.д.

В качестве просветляющих агентов наиболее широко используются водные растворы глюкозы различной концентрации. Выбор данного вещества в качестве просветляющего агента обусловлен как его биосовместимостью и разрешенностью к клиническому применению [123], так и доступностью данного препарата. Растворы глюкозы применялись для оптического просветления кожи [62,80,86,88,90,92,94,95,101, 107], склеры глаза [58,79-83,86,91,94,95,97,106,107], твердой мозговой оболочки [84,86, 94,100,107,108], печени [56,70,71], крови [98,99], клеточных культур и оптических фантомов (модельных сред) [56,72]. Возможность использования водных растворов маннитола для оптического просветления мембран головного мозга обсуждалась в работе [43]. Влияние раствора маннитола на клетки печени было исследовано в работах [56,71]. Увеличение концентрации глюкозы или маннитола в ткани приводит к выравниванию показателей преломления рассеивателей и внутритканевой жидкости и, как следствие этого, снижению светорассеяния в биоткани. Показано, что измерение рассеивающих характеристик крови может быть использовано для мониторинга содержания глюкозы в крови больных сахарным диабетом [69,75]. Компьютерное моделирование показывает, что применение в качестве просветляющих агентов водных растворов глюкозы вызывает значительное снижение светорассеяния и увеличение глубины проникновения зондирующего излучения в биоткани [76,102].



Влияние глицерина на оптические свойства кожи было исследовано в работах [61,62,80,85,93-94,104,105,107]. Проведенные исследования показывают, что глицерин является высоко эффективным средством для оптического просветления биотканей, хотя механизм оптического просветления в данном случае основан в основном на осмотической дегидратации биотканей.

Несмотря на многочисленные исследования, связанные с управлением оптическими параметрами биотканей, проблема определения коэффициентов диффузии осмотически активных жидкостей в биотканях остается недостаточно изученной до настоящего времени. Вследствие сложного многокомпонентного строения биотканей и нелинейного характера процессов диффузии измерение коэффициентов диффузии осмотически активных жидкостей в биотканях является сложной научной задачей. Согласно существующим в настоящее время представлениям диффузия различных веществ в биотканях происходит в несколько этапов. На первом этапе происходит проникновение диффундирующих веществ в межклеточное и межфибриллярное пространство и взаимодействие их с клеточными мембранами и внутритканевым матриксом биотканей. На следующем этапе, повидимому, имеет место трансмембранная диффузия вещества в клетки, сопровождающаяся изменением внутриклеточного осмотического давления. Нельзя исключать и возможности перестройки самих мембран, связанной с изменением свойств межклеточной жидкости. При достаточном насыщении межфибриллярного пространства соединительной ткани просветляющим веществом, очевидно будет происходить его взаимодействие с материалом фибрилл ткани.

Тем не менее, использование достаточно простых оптических и диффузионных моделей позволяет решить данную проблему без значительной потери точности, причем естественный разброс оптических и структурных свойств биотканей делает подобное упрощение допустимым. Полученные в результате исследований значения коэффициентов диффузии могут быть с успехом использованы при построении математических моделей, описывающих процессы взаимодействия осмотически активных иммерсионных жидкостей и биотканей, что, в частности, весьма актуально при исследовании процессов, связанных с черезкожным введением лекарственных препаратов и метаболических агентов.

В настоящее время существует целый ряд биофизических методов и методик [124-137] по определению коэффициентов диффузии различных веществ, но, к сожалению, только небольшая часть существующих методов может быть с успехом использована для оценки коэффициентов диффузии в биотканях. В основном существующие методы основаны на использовании техники флуоресцентных измерений или использовании для регистрации потока диффундирующего вещества радиоактивных меток. Применение техники флуоресцентных измерений невозможно для определения коэффициентов диффузии нефлуоресцирующих веществ (например, водных растворов глюкозы), а использование радиоактивных веществ может быть нежелательно в случае in vivo измерений. Кроме того, высокая чувствительность флуоресцентных и радиоактивных методов измерений делает их использование затруднительным еще и в силу естественной метаболической активности организма, что вносит дополнительные погрешности в процесс измерений. Метод, позволяющий выполнять оценку коэффициентов диффузии нефлуоресцирующих осмотически активных иммерсионных жидкостей в биотканях, был предложен в 1997 г. [58] и в последствии развит в работах [94,106-108]. Данный метод основан на измерении динамики изменения рассеивающих характеристик биотканей под действием осмотически активных иммерсионных жидкостей и может быть с успехом использован как для in vitro, так и для in vivo измерений.

Целью настоящей работы является изучение оптических и диффузионных явлений в биотканях при воздействии осмотически активных иммерсионных жидкостей.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ И БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 1.1 Структура и физические свойства биотканей 1.1.1 Фиброзные ткани (на примере склеры глаза, твердой мозговой оболочки и кожи) С точки зрения управления оптическими параметрами биотканей наибольший интерес представляют фиброзные ткани, в общей сложности составляющие порядка 50% от массы тела [138], причем структурные и физические свойства фиброзных биотканей, типичными представителями которых являются склера глаза, дерма кожи или твердая мозговая оболочка мозга, достаточно сходны между собой. На Рис. показана типичная структура фиброзных биотканей.





Рис. 1. Электронная микрофотография ткани склеры глаза (х2900) [139] Фиброзные биоткани в основном состоят из коллагеновых волокон, упакованных в лентообразные пучки, которые многократно пересекаются друг с другом оставаясь примерно параллельными поверхности ткани [58,139-141], и окруженных аморфным базовым веществом (внутритканевой жидкостью), содержащим протеогликаны, гликопротеины, белки, полисахаридные комплексы и т.д., и образующим внутритканевый матрикс [142-144]. Внутри жгутов коллагеновые волокна собраны в группы, между которыми находятся произвольно распределенные в пространстве участки лишенные коллагеновых волокон. Ширина коллагеновых пучков меняется в достаточно широких пределах от 1 до 50 мкм, толщина пучков составляет от 0.5 до 6 мкм [139] и длина пучков волокон достигает нескольких миллиметров [67].

Протеогликаны составляют основную субстанцию базового вещества биотканей.

Они образуют чехлы вокруг коллагеновых волокон (фибрилл). Связь фибрилл и их ориентация в ткани обеспечивается за счет слияния утолщений протеогликанового чехла. Таким образом, протеогликаны играют основную роль в регуляции строения коллагеновых волокон, осуществляют межволоконные связи и определяют ориентацию волокон, а также регулируют проницаемость фиброзной ткани для воды и других молекул [138,142,143,145,146].

Типичными представителями фиброзных биотканей являются ткани склеры глаза и твердой мозговой оболочки мозга. Склера глаза представляет собой непрозрачную для оптического излучения биоткань, покрывающую до 80% поверхности глазного яблока. Толщина склеры варьируется от 0.3-0.9 мм (экваториальная область) до 0.9-1.8 мм (задний полюс глазного яблока). В области лимбуса толщина склеры составляет 0.5-0.8 мм. Кроме этого, наблюдаются и возрастные изменения толщины склеральной ткани [147]. Степень гидратации склеры порядка 68%. Примерно 75% сухого веса склеры приходится на коллаген, порядка 10% на другие белки и около 1% на мукополисахариды [67].

В основном в склере выделяют три основных слоя: эписклеру, склеральную строму, или собственно склеру, и темную пластинку – ретинальный эпителий [67,148].

При проведении in vivo исследований необходимо также учитывать влияние конъюнктивы и теноновой капсулы (~200 мкм) затрудняющих проникновение различных веществ внутрь склеры. Диаметр коллагеновых волокон колеблется по разным данным от 68 нм во внутренних слоях склеры до 125 нм в наружных слоях [141], или от 30 нм до 220 нм [67,139,148,149]. Средний диаметр коллагеновых фибрилл составляет порядка 100 нм [148]. Средний размер межцентрового промежутка коллагеновых волокон склеры равен 285 нм [58,150] и изменяется в диапазоне от 100 до 300 нм. Ретинальный эпителий образован тонкими коллагеновыми пучками волокон внутренних слоев склеры [148]. Он содержит значительное количество пигментированного вещества, в основном меланина, который локализуется в пространстве между пучками коллагеновых волокон [40,41].

Твердая мозговая оболочка – фиброзная мембрана, окружающая мозг снаружи.

Она представляет собой плотную пластинку, образованную соединительной тканью и имеющую слоистое строение. В твердой мозговой оболочке различают: 1) наружный покровный слой, выстилающий твердую мозговую оболочку и переходящий в трабекулы эпидурального пространства; этот же слой образует внутреннюю выстилку костей свода черепа; 2) наружную эластиновую сеть; 3) решетчатый коллагеновый слой, состоящий из 10-15 пластин, образованных коллагеновыми волокнами; 4) внутреннюю эластиновую сеть; 5) внутренний покровный слой, образующий выстилку твердой мозговой оболочки со стороны субдурального пространства; этот слой образован уплощенными полигональными клетками типа эндотелия [151,152]. Средний диаметр коллагеновых волокон составляет порядка 100 нм [108].

В зависимости от возраста толщина твердой мозговой оболочки меняется приблизительно от 0.3 до 0.5 мм [152]. Возрастные особенности строения твердой мозговой оболочки сводятся, в основном, к изменению толщины слоев, ориентации волокнистых элементов и плотности клеток, и степени развития микроциркулярного русла.

Следует подчеркнуть, что между поверхностным, средним и глубоким слоями нет резких переходов. Они тесно связаны между собой, образуя анатомически и функционально единое целое. Средний слой – самый мощный по толщине, он к годам значительно превосходит и поверхностный и глубокий слои. Пучки коллагеновых волокон в среднем слое расположены несколькими рядами. Наблюдается значительное переплетение коллагеновых пучков среднего слоя. Причем переплетаются они часто беспорядочно, и, несмотря на плотность упаковки, сохраняют извитость, а, следовательно, и потенциальную способность к удлинению. Различная направленность пучков объясняет почти одинаковую растяжимость твердой мозговой оболочки, как в поперечном, так и в продольном направлениях. Количество клеточных элементов, а также артериальных и венозных сосудов к 18 годам уменьшается.

Появляются крупные кровеносные сосуды. Эластиновых волокон к 18-летнему возрасту много, они ветвятся. Появляются более толстые их пучки, которые в основном концентрируются на границах среднего слоя [152].

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.