Transcript ST_Bio_Fiz_60

Fizikalne in biološke osnove
svetlobne terapije
Rebeka Strgar
Erik Margan
Slovensko Združenje za
Oddelek za eksperimentalno fiziko
fotomedicino in fotobiologijo
osnovnih delcev,
Institut Jožef Stefan
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.
Če želite razumeti politiko:
Sledite denarju!
Mark Felt
“Deep Throat”
Woodward
& Bernstein
Vsi predsednikovi možje
Če želite razumeti naravo:
Sledite energiji!
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.
Neionizirno:
Ni dovolj energije za ionizacijo,
le za termično vzbujanje.
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
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:
W = ∫Fds = mgh = Pt = VIt
1 J = 1 kg m2 s-2 = 1 Ws
James Prescott Joule
1818-1889
James Watt
1736-1819
Energija in valovna dolžina
Frekvenca: n [Hz]
c
__
W = hn= h
l
Valovna dolžina:
l [m]
Svetlobna hitrost: c = 299 792 458 ms-1
Planckova konstanta:
1900
Naboj elektrona: qe = 1.602 × 10-19 As
W [J]
W [eV] =
h = 6.625 × 10-34 Js
_______
qe [As]
→
1eV = 1.602 × 10-19 J
Energija in valovna dolžina
hc
_____
W =
qe l
1 eV  1240 nm (IR)
2 eV  620 nm (Rdeča)
3 eV  413 nm (Violična)
4 eV  310 nm (UV-A)
Perioda, valovna dolžina , frekvenca
Atom: ~2300 let od prve ideje do
prvega uspešnega modela
Demokrit
Ernest Rutherford
Niels Bohr
460-370pnš
~1911
~1913
Energija elektronskih orbital
Absorpcija fotona
Emisija fotona
Energija prehoda je v obeh primerih enaka!
Molekularna termična nihanja
Vsakemu 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
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.
Molekularna termična nihanja
Snov je pretežno v termičnem
ravnovesju z okolico:
sevanje iz okolice prehaja v
molekularna termična nihanja
in obratno.
Svetlobna terapija
Približna 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
<4
<0.044
(Debye: inducirani dipoli,
dipol-dipol interakcije)
Londonove
(van der Waalsove)
disperzijske sile
<1
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 OHion.
Svetlobna terapija
Primeri delovanja medatomskih sil v molekuli
Svetlobna terapija
Vezalna energija v odvisnosti od atomskega števila
in vrste elektronske orbitale
Svetlobna terapija
Hiper-bilirubinemija:
zlatenico pri novorojenčkih zdravijo z modro svetlobo,
ki izomerizira molekulo bilirubina in jo naredi topno.
Svetlobna terapija
Encimi znižajo potrebno aktivacijsko energijo bioloških
procesov in povečajo pogostost reakcij za ~100.000× in več
(pri isti temperaturi)
Delovanje
ATP sintaze
Svetlobna terapija
Večina raziskovalcev se osredotoča na mitohondrijsko dihalno verigo
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.
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.
Svetlobna terapija
Sinteza adenozin tri-fosfata (ATP)
½ NADH + cytCox + ADP + Pi  ½ NAD+ + 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
Svetlobna terapija
FAD+ - FADH2 ravnovesje
Flavin Adenin Dinukleotide
Svetlobna terapija
Koencim Nikotinamid Adenin Dinukleotide
NAD+ - NADH pretvorba
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 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 terapija
Shema 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
Primerjava zgradbe kriptokroma in fotoliaze (foto-receptorji)
posredujejo adaptivne odzive na modro in violično svetlobo pri mnogih vrstah
doi:10.1038/nature10618
Svetlobna terapija
Aktiviranje K+ kanalov v porah celičnih membran prek Ca++
Posredni vpliv svetlobe na koncentracijo Ca++ ionov
doi:10.1038/nature10670
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
Svetlobna terapija
Problem 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 terapija
Povprečni spekter terapijske učinkovitosti R in NIR
Svetlobna terapija
Legenda:
+
pozitivna korelacija
--negativna korelacija
+/nedoločeno
?
ni podatkov
*
Študije in vivo
Povprečna učinkovitost laserske terapije na celice glede na valovno dolžino
Svetlobna terapija
Biološki odziv na sprejeto dozo
LASER v svetlobni terapiji
težave 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
Svetloba je elektromagnetno
valovanje!
James Clerk Maxwell
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 je
kvantiziran!
Stefan-Boltzmannov zakon sevanja
Jožef Stefan
1879
j = s T4
Ludwig Boltzmann
1884
5 k4
2
p
______
s =
15 c2 h3
Max Planck: spektralna odvisnost sevanja
1900
Sončni
spekter
Sončno sevanje
Povprečna gostota moči: ~ 1366 Wm-2
Skozi zemeljsko ozračje: ~ 1000 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
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?
Svetlobna
bio-modulacija
Modulirano valovanje
v časovnem prostoru
Frekvenčni spekter
Sinteza valovanj
Joseph Fourier
1822
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>