Оптическое просветление биотканей

Оптическое просветление биотканей
фиброзная ткань
Показатели преломления: коллагеновые фибриллы = 1.48-1.49, внутритканевая жидкость = 1.35, цитоплазма = 1.37, ядро = 1.39, органеллы= 1.38–1.41
животная клетка

Введение
Знание оптических параметров биологических тканей является принципиально важным для разработки оптических моделей биологических тканей, дозиметрии лазерного излучения при планировании хирургических и терапевтических процедур и проведении диагностики различных заболеваний с использованием оптических методов.
Ри.1. Ткани организма человека

Начало
Оптическая неинвазивная диагностика появилось примерно в середине 1980-х годов, когда стали доступными персональные компьютеры, световоды и лазеры. Некоторые его методы схожи с методами лабораторной спектрофотометрии и люминесцентного анализа, но освещению и последующему изучению здесь подвергаются не образцы крови или отдельные фрагменты биотканей, а непосредственно живые ткани — тело пациента. Важно, что эл-магн. излучение не значительной интенсивности абсолютно безвредно.
Световоды и лазеры в медицине

Методы и механизмы оптического просветления
Фиброзная ткань (склера) под электронным микроскопом, продольный срез (×2900)

Компрессия
Увеличение прозрачности ткани происходит за счет увеличения:
оптической однородности, которая достигается удалением крови и внутритканевой жидкости (воды) из области компрессии
упорядоченности структурных компонентов

Компрессия
Кинетика спектров отражения кожи человека in vivo, измеренные на двух длинах волн в условиях внешней механической компрессии (интервал времени 0-290 сек) и при ее снятии (интервал времени свыше 290 сек)

Дегидратация
Полное оптическое пропускание образца ткани увеличивается за счет
уменьшения его толщины
внутреннего выравнивания показателей преломления
увеличения плотности упаковки и упорядоченности волокон

Оптическая иммерсия
Метод пропитывания биотканей различными химическими растворами, гелями и маслами , основанный на согласовании показателей преломления структурных компонент биотканей и окружающего их вещества, получил наиболее широкое распространение под названием «оптическое просветление биотканей» (в англоязычной литературе – tissue optical clearing). Временное селективное просветление верхних слоев биотканей является ключевым моментом развития техники структурного и функционального зондирования биотканей.

Оптическая иммерсия
В настоящее время для объяснения снижения светорассеяния биотканей за счет влияния просветляющего агента(ПА) предложено несколько механизмов:
осмотическая дегидратация биоткани;
частичная замена внутритканевой жидкости на ПА, при которой происходит согласование показателей преломления структурных компонент биоткани;
структурная модификация или диссоциация коллагена биоткани.

Оптическая иммерсия
Кинетика дегидратации кожи при испарении и применении гиперосмотических агентов – глицерина и пропиленгликоля

Оптическая иммерсия
Кинетика спектров отражения склеры глаза кролика и кожи человека in vivo, измеренные на длине волны 700 нм в различные моменты времени после введения 40%-водного раствора глюкозы

Оптическая иммерсия
Коллимированное пропускание

Оптическая иммерсия

Оптическая иммерсия

Молекулярная строение
молекулы йогексола (омнипак)
Оптическая иммерсия

Применения метода оптического просветления биотканей
Трансклеральные
лазерные операции
Склера покрывает глазное яблоко снаружи. Она относится к фиброзной оболочке глаза, включающей также роговицу. Однако, в отличие от роговицы, склера является непрозрачной тканью, потому что формирующие ее коллагеновые волокна располагаются хаотично.

Применения метода оптического просветления биотканей
Оптическая когерентная томография

Применения метода оптического просветления биотканей
Улучшение визуализации подкожных кровеносных сосудов
ПЭГ-200

Применения метода оптического просветления биотканей
Улучшение визуализации кровеносных сосудов мозга
Изображения черепа мыши in vivo до и после оптического просветления

Применения метода оптического просветления биотканей
Улучшение визуализации подкожной татуировки
Изображения поверхности кожи in vitro с татуировкой:
а) образец с татуировкой до воздействия глицерина;
б) образец с татуировкой после микроперфорации поверхности и 24-часового воздействия глицерина

Применения метода оптического просветления биотканей

Механизм оптического просветления
JASON M. HIRSHBURG

Механизм оптического просветления
JASON M. HIRSHBURG

Молекулярные модели белка коллагена
Пептид 1BKV (глицин, пролин, гидроксипролин, аргинин, лейцин, изолейцин, треонин, аланин)
Пептид ((GPH)3)10 (глицин, пролин, гидроксипролин)

Молекулярные модели просветляющих агентов
1,2-пропандиол
1,3-пропандиол
Этиленгликоль

Молекулярные модели просветляющих агентов
Глицерин
Сорбитол

Молекулярные модели просветляющих агентов
Глюкоза
Ксилитол

Молекулярные модели просветляющих агентов
Йогексол
(Омнипак)

Межмолекулярное взаимодействие
Пептид ((GPH)3)10+1,3 пропандиол
Пептид ((GPH)3)10+1,2 пропандиол

Межмолекулярное взаимодействие
Пептид 1BKV+1,3 пропандиол

Межмолекулярное взаимодействие
Пептид ((GPH)3)10+глицерин

Межмолекулярное взаимодействие
Пептид ((GPH)3)10+сорбитол+вода

Результаты молекулярного моделирования

Результаты молекулярного моделирования
На графиках представлены зависимости среднего расстояния (в нм) между остовными группами различных α-цепей коллагена от массовой доли (в %) молекул 1,2-этандиола – (1), 1,2-пропандиола – (2) и 1,3-пропандиола – (3). Вертикальными черточками обозначен уровень стандартной ошибки полученных арифметических средних.

Выводы
Анализ данных, представленных на рис.6 показывает, что влияние молекул двухатомных спиртов на регулярную структуру коллагена, по сравнению с растворителем (водой), составляет в среднем 6.0% (что соответствует 0.017 нм). Для 1,2-этандиола это значение составляет 5.5%, для 1,2-пропандиола – 6.9% и для 1,3-пропандиола – 5.7%, соответственно. В данном случае отсутствует прямая корреляция между средней величиной изменения расстояния между альфа цепями коллагена и потенциалом оптического просветления. Тем не менее в результате компьютерного моделирования получен на наш взгляд важный результат который состоит в том, что добавление в окружающую коллаген среду двухатомных спиртов приводит к ослаблению гидратной оболочки молекул коллагена, которая оказывает на структуру коллагена стабилизирующее действие [29]. Таким образом можно заключить, что добавление в водное окружение коллагена двухатомных спиртов приводит к определенному изменению геометрических размеров молекул коллагена, что, может сказываться на показателе преломления и как следствие на оптическом просветлении биоткани.

Дальнейшие исследования
15 Пептидов ((GPH)3)10
Молекулярная модель
коллагеновой микрофибриллы