Szemelvények a fény biológiai hatásaiból

Az előadások a következő témára: "Szemelvények a fény biológiai hatásaiból"— Előadás másolata:

1 Szemelvények a fény biológiai hatásaiból
Alapfogalmak

2 A fény és rokonai Elektromágneses sugárzások frekvencia
mobil telefon infravörös gamma sugárzás rádióhullám látható ultraibolya röntgen mikrohullám frekvencia nem ionizáló sugárzás ionizáló sugárzás

3 A fény tartományai látható fény infravörös fény UV-B UV-C 280-315 UV-A
zöld sárga narancs vörös ibolya kék cián infravörös fény UV-B nm UV-C nm UV-A nm ultraibolya fény

4 A biológiai hatást befolyásolják:
fényforrás szövetek molekulák Mit bocsát ki? Mit enged át? Mit nyel el?

5 Optikai ablak Távközlési ablak Behatolási mélység rádió hullámok fény
röntgen gamma 500 km 200 km 100 km Optikai ablak Távközlési ablak ózon Behatolási mélység 10 km

6 A biológiai hatás kialakulásának lépései
Fotofizikai folyamat (fényabszorpció) Fotokémiai reakció Fotobiológiai következmény A fény elnyelődése a fotobiológiai hatás kialakulásának feltétele

7 megfelelő hullámhosszúságú
Fényabszorpció feltétele megfelelő hullámhosszúságú fény elnyelő atom/molekula a kettő találkozása

8 A fény behatolási mélysége a bőrben
A behatolási mélység hullámhosszfüggő (abszorpció, reflexió) A legnagyobb a vörös tartományban

9 Behatolási mélység Lézer(λ) δ CO2(10.6 m) 0.1-0.2 mm Holmium (2.9 m)
Ar+ (488, 514 nm) 0.5-2 mm Nd:YAG (1064 nm) 2-6 mm δ : az a távolság ahol a beeső intenzítás 37% -ra csökken δ függ a szövet vérellátottságától δ függ a jelenlévő kromofóroktól δ legnagyobb nm tartományban

10 A fény behatolási mélysége a szemben
A behatolási mélység hullámhosszfüggő (abszorpció, reflexió)

11 Fényt elnyelő molekulák (kromofórok) az emberi szervezetben
Endogén kromofórok Exogén kromofórok pl. nukleinsavak fehérjék melanin pl. ételfestékek kozmetikumok gyógyszerek

12 Endogén kromofórok abszorpciós spektruma (1)
DNS purin és pirimidin bázisai Relatív optikai denzitás Hullámhossz (nm)

13 Endogén kromofórok abszorpciós spektruma (2)
DNS purin és pirimidin bázisai Relatív optikai denzitás fehérjék aromás aminósavai Hullámhossz (nm)

14 Endogén kromofórok abszorpciós spektruma (3)
hemoglobin b-karotin Relatív optikai denzitás Hullámhossz (nm)

15 Endogén kromofórok abszorpciós spektruma (4)
hemoglobin b-karotin Relatív optikai denzitás Melanin Hullámhossz (nm)

16 Fényabszorpció következménye:
gerjesztett állapot a gerjesztett állapot megszünése Fényemisszió Fotokémiai reakció Termikus átmenet hn A B Kvantumhatásfok (F) : az egy “B” keletkezéséhez szükséges elnyelt fotonok számának a reciproka SF=1

17 Az elektronátmenetek egyszerűsített Jablonsky diagramja
gerjesztés (1) sugárzás nélküli átmenet (2) fluoreszcencia (3) intersystem crossing (4) foszforeszcencia (5)

18 Fotokémiai reakciók Indirekt vagy szenzibilizált Direkt Az elnyelő molekula új kémiai kötések kialakításában vesz részt Az elnyelő molekula elektron vagy energia átadásában vesz részt

19 Direkt fotokémiai reakció (1)
Cikloaddíció – pl. pirimidin dimerek kialakulása a DNS-ben UVB - UVC Timin Timin dimer

20 Direkt fotokémiai reakció (2)
Lineáris addíció – pl. vízaddició a DNS-ben Hidratációs termék

21 Direkt fotokémiai reakció (2)
Lineáris addíció –DNS – fehérje keresztkötés + HS – CH2CHCHCOOH NH2 H S – CH2CHCHCOOH UVB - UVC 2 Timin cisztein

22 Direkt fotokémiai reakció (3)
Izomerizáció – pl. urokánsav transz – cisz izomerizációja UVB - UVC cisz-urokánsav transz-urokánsav

23 Direkt fotokémiai reakció (4)
Fragmentáció UV - VIS H riboflavin lumiflavin

24 Direkt fotokémiai reakció (5)
Oxidáció H2 H2 H3C H2 C H2 C H3C C CH3 CH3 C C C CH CH3 CH3 C C H2 CH H2 CH3 H3C CH3 H3C + O2 + hν OOH cholesterol 3β-Hydroxy-5ά-hydroperosy-Δ6-cholestene

25 Indirekt fotokémiai reakciók
Elektronátadás D D* hn D* + A D+ + A- Termék : reaktív szabadgyök Energiaátadás D D* hn D* + A D + A* Termék: szinglet oxigén

26 Elektronátadással járó kölcsönhatások
termékei

27 A hatásosság hullámhosszfüggő
Ultraibolya fény mutagén hatása az E. coli baktériumon DNS relatív abszorpciója A hatásosság hullámhosszfüggő A hatást feltehetően a DNS-ben elnyelődő fotonok okozzák

28 Hatásspektrum: egy adott biológiai folyamat kiváltásának
hullámhossz szerinti eloszlása a hatás mértéke a hullámhossz függvényében – felületegységre eső azonos energia esetén -azonos hatás kiváltásához szükséges, felületegységre eső energia reciproka* a hullámhossz függvényében *Hatáskeresztmetszet: s [m2/J ] Ha a kvantumhatásfok független a hullámhossztól, akkor egy molekula abszorpciós spektruma és az általa kiváltott fotobiológiai folyamat hatásspektruma párhuzamos egymással

29 fotoinaktivációjanak hatásspektruma
Az E. coli baktériumon fotoinaktivációjanak hatásspektruma Hatáskeresztmetszet (cm2/J) Hullámhossz (nm)

30 Fény által indukált folyamatok a szövetekben
Fény elnyelődése Sugárzás Sugárzásmentes átmenet Szöveti autofluoreszcencia Exigén kromofórok fluoreszcenciája - Fotoabláció Fotodiszrupció Hőhatás Plazama által indukált abláció Fotokémiai reakció Szövetek fragmentálódás, szétválása mechanikai hatásra Sejtszerkezet direkt destrukciója Koaguláció, Vaporizáció, Karbonizáció Nagy intezítású UV sugárzás hatására Nagy intenzitású fényimpulzus okozta lökéshullám

31 Autofluoreszcencia Endogén fluorfórok jelenléte a sejben vagy az
extracelluláris matrixban) Szövettől és lokalizációtól függő Different fluoreszcencia spektrum Eltérő fluoreszcencia spektrum normális, premalignus és malignus szövetben NADH fluoreszkál, NAD+ nem

32 Hőhatás Vibrációs relaxáció energiájából
Nem specifikus , gyenge λ-függés 1, Koaguláció : t > 60oC 2, Vaporizátió t>100oC (termikus) abláció 3, Karbonization, t>150oC 4, Melting (Olvadás); nagy I impulzus lézerből Thermal effect manifestation can be affected by wavelength of laser, irradiance (CW), pulse width Ablation purely thermomech effect produced by high pressure stem generated; blood vessels can spread the tehrmal damage Pulse lasers can localize affected area Carbinzation has no prqctical appln, irrepairable damage Melting has appln of tissue welding

33 Fotoabláció UV lézer impulzus (10MW/cm2 - 10 GW/cm2)
Excimer lézerek (193 nm-351 nm), ns impulzus Refraktív kornea sebészet, szövet “contoruing” (sculpting)

34 Fotodiszrupció Lágy szövetekben v. testfolyadékokban nagy irradianci hatására Plasma ablation localized; photodisruption spreads due to shock waves emanating ns- os impulzusok; ps-os impulzusok: diszrupció és abláció Felhasználás ->minimally intrusive sebészet Post-katarakta sebészet – lencse posterior capsulotomy laser-induced lithotripsy of urinary calculi