Szemelvények a fény biológiai hatásaiból Alapfogalmak

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

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 280-315 nm UV-C 200-280 nm UV-A 315-400 nm ultraibolya fény

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

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

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

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

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

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 800-1300 nm tartományban

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Elektronátadással járó kölcsönhatások termékei

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

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

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

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

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

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

Fotoabláció UV lézer impulzus (10MW/cm2 - 10 GW/cm2) Excimer lézerek (193 nm-351 nm), 10-20 ns impulzus Refraktív kornea sebészet, szövet “contoruing” (sculpting)

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