Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,936

Введение

Фототермическая нейромодуляция – это новый и быстро развивающийся метод управления нейрональной активностью, основанный на преобразовании световой энергии в тепловую с помощью имплантированных пигментов или наночастиц с последующей активацией термочувствительных ионных каналов нейронов (TRPV1, TRPV2) [1; 2]. Данный подход рассматривается как перспективная альтернатива инвазивной глубокой стимуляции мозга (DBS) и генной оптогенетике, так как не требует пенетрации мозговой ткани и генетической модификации нейронов [3; 4].

Одним из наиболее клинически значимых направлений является транскраниальная активация коры головного мозга через эпидурально имплантированный пигментный модуль [5]. Однако прежде, чем метод может быть применен в клинике, необходимо решить фундаментальную задачу биофизики: определить безопасный «коридор» параметров лазерного воздействия. С одной стороны, энергия лазера должна быть достаточной для прохождения через покровные ткани (кожа, кость, твердая мозговая оболочка) и нагрева пигмента до температуры активации нейронов (39–42 °C) [6; 7]. С другой стороны, превышение порога энергии приведет к неселективному перегреву и коагуляции тканей на пути луча: эпидермиса, надкостницы и твердой мозговой оболочки, что нивелирует главное преимущество метода - его безопасность.

Несмотря на обилие работ по лазерной биофизике, количественные данные о проникновении лазерного излучения специфических длин волн (532 и 1064 нм) через многослойные биологические структуры применительно к задачам нейромодуляции отсутствуют. Большинство исследований выполнено либо на гомогенных фантомах, либо в контексте дерматологии (удаление татуировок), где мишень (пигмент) расположена в дерме [8; 9].

Цель исследования – экспериментально определить пороговые значения плотности энергии лазера для оценки возможности безопасной термоактивации нейронов коры при интактном эпидермисе.

Материалы и методы исследования

Дизайн эксперимента полностью соответствовал ранее опубликованному протоколу [4]. Работа выполнена на 60 половозрелых белых крысах-альбиносах линии Wistar массой 180–200 г. Выбор животных обусловлен сходством оптических свойств их покровных тканей с тканями человека в исследуемом диапазоне длин волн [10].

Эксперимент одобрен локальным этическим комитетом ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» (протокол № 08/23 от 12.03.2023). Все процедуры с животными выполняли в соответствии с Directive 2010/63/EU и правилами лабораторной практики РФ.

Всем животным под общей анестезией (золетил + ксилазин) в эпидермис дорсальной поверхности (область лопаток) имплантировали пигмент Millennium Moms Colors Set-2 (Magic Magenta). Выбор пигмента обусловлен его спектром поглощения, перекрывающим обе исследуемые длины волн: коэффициент поглощения для 532 нм - 0,78; для 1064 нм - 0,65. Через 4 недели, после завершения воспалительной реакции и стабилизации пигмента, животных рандомизировали на две группы (простая случайная выборка с помощью генератора случайных чисел, без ослепления исследователей, так как длина волны лазера является физическим параметром):

· группа А (n = 30) - воздействие лазером 532 нм (интактный эпидермис);

· группа Б (n = 30) - воздействие лазером 1064 нм (интактный эпидермис).

В работе использовали твердотельный лазер с диодной накачкой (DPSS, LaserTo, Китай), работающий в непрерывном режиме (CW). Для экспериментов применяли сменные лазерные головы на длины волн 532 нм (зелёный диапазон, модель LSR532H) и 1064 нм (LSR1064H) с выходной мощностью до 1 Вт. Диаметр лазерного пятна на поверхности образца 2,5 мм, время экспозиции 10 с. Плотность светового потока на различной глубине (от 0,1 до 2,5 мм с шагом 0,1–0,2 мм) измеряли на гистологических срезах тканей с помощью высокочувствительного фотоэлектронного умножителя ФЭУ-1 (чувствительность 101–1200 нм, коэффициент усиления 10⁵) [11]. Измерения проводились ex vivo для исключения влияния кровотока и движения тканей.

Все расчеты выполнены для непрерывного режима лазерного излучения с экспозицией 10 секунд. Выбор данного режима обоснован типичным временем, необходимым для тепловой активации TRPV-каналов в отсутствие быстрого кровотока.

На основе полученных данных об энергетическом профиле тканей рассчитывали плотность энергии на поверхности (E_surf), необходимую для достижения целевой плотности энергии на глубине залегания пигмента (E_depth), достаточной для его нагрева до температур активации нейронов (39–42 °C). Предварительные калориметрические исследования показали, что для нагрева 1 мм³ пигментсодержащего гидрогеля до 42 °C требуется поглощенная энергия ~0,8 Дж/см² (с учетом удельной теплоемкости ткани ~3,5–4,0 Дж/(г·К) и плотности ~1 г/см³). Таким образом, искомый порог безопасности рассчитывался с учетом как прямого пропускания, так и обратного рассеяния по формуле:

E_surf = E_depth / K, (1)

гдеK- коэффициент доставки энергии на заданную глубину (доля падающего излучения, достигающая цели с учетом рассеяния и поглощения).

Статистическую обработку проводили с использованием t-критерия Стьюдента для независимых выборок. Нормальность распределения проверяли критерием Шапиро – Уилка (p > 0,05 для всех групп). На всех глубинах распределение не отличалось от нормального, что позволило использовать параметрический t-критерий. Для каждого значения глубины измерения проводили в 5 технических повторах на каждом из 30 образцов в группе. Различия считали значимыми при p < 0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе эксперимента установлено, что роговой слой задерживает от 38 до 45% падающей лазерной энергии в зависимости от длины волны, что согласуется с литературными данными [6; 11; 12].

В таблице 1 представлены результаты измерений доли исходной энергии, регистрируемой на различных глубинах биоткани.

Таблица 1

Процент исходной плотности энергии лазерного излучения, регистрируемый на различных глубинах биоткани (M ± SD, %)

Примечания: «не детектируется» означает, что зарегистрированное значение не превышало уровень темнового шума ФЭУ-1 (менее 0,5% от исходной энергии) при доверительном интервале 95%. Таблица составлена авторами на основе данных, полученных в ходе исследования.

Результаты визуализированы на рисунке(экспоненциальные кривые затухания).

Экспериментальные кривые затухания лазерного излучения в биоткани (532 и 1064 нм). Составлено авторами по результатам данного исследования

По оси абсцисс - глубина (мм), по оси ординат - доля исходной плотности энергии (%). Точки - экспериментальные данные (средние значения из табл. 1), вертикальные отрезки - стандартные отклонения. Цвета кривых: синий - 532 нм, красный - 1064 нм. Пунктирная горизонтальная линия на уровне 0,5% соответствует порогу детектирования ФЭУ-1 (уровень темнового шума). Экспоненциальные линии тренда (пунктир) аппроксимированы по формуле

I = I₀·exp(-μ_eff·z). (2)

Для 532 нм μ_eff ≈ 2,3 мм⁻¹, для 1064 нм μ_eff ≈ 1,1 мм⁻¹. Сигнал выше уровня шума регистрируется: для 532 нм - до глубины 1,0 мм (на 1,5 мм - на уровне шума), для 1064 нм - до 1,7 мм. На целевой глубине 2,0–2,5 мм сигнал отсутствует в обеих группах, что свидетельствует о физической ограниченности транскутанной доставки лазерной энергии (рис.).

Для оценки значимости различий между группами А (532 нм) и Б (1064 нм) использовали t-критерий Стьюдента. На всех глубинах, где регистрировался сигнал выше уровня шума (0,5–1,5 мм), доля сохранённой энергии в группе 1064 нм была выше, чем в группе 532 нм. Различия статистически значимы на глубинах:

· 0,5 мм:p = 0,011 (t = 2,82),

· 1,0 мм:p = 0,003 (t = 3,54),

· 1,5 мм:p = 0,0004 (t = 5,12).

На основе полученных данных рассчитаны пороговые значения плотности энергии на поверхности. Для длины волны 1064 нм на глубине 1,5 мм доля энергии K = 0,20, следовательно,E_surf= 0,8/0,20 = 4,0 Дж/см². Порог коагуляции тканей составляет приблизительно 5,5 Дж/см² [6; 10]. Таким образом, на глубине 1,5 мм возможен безопасный нагрев пигмента до 42 °C. Однако на целевой глубине 2,0–2,5 мм (которая соответствует расположению пигмента при эпидуральной имплантации у крыс с учётом толщины мягких тканей и кости) доля энергии составляет менее 0,5%, что требуетE_surfболее 160 Дж/см² - многократное превышение порога коагуляции. Для длины волны 532 нм достижение 0,8 Дж/см² на глубине 1,0 мм потребовало быE_surf≈ 5,7 Дж/см², что уже превышает порог коагуляции, а глубина 1,5 мм недостижима. Следовательно, длина волны 532 нм непригодна для активации пигмента на глубинах более 1 мм при интактном эпидермисе.

Работа впервые даёт количественные данные для оценки возможности эпидуральной фототермической нейромодуляции с учётом статистической значимости различий между длинами волн. В таблице 2 обобщены основные расчётные и пороговые параметры для двух исследованных длин волн.

Таблица 2

Сравнение параметров лазерного воздействия для 532 и 1064 нм с оценкой возможности безопасной активации на целевой глубине (2,0–2,5 мм)

Примечания:теоретически необходимаяE_surfрассчитана исходя из требования достичьE_depth= 0,8 Дж/см² на глубине 2,2 мм (среднее значение эпидурального пространства) с использованием коэффициентов эффективного затухания, полученных из экспериментальных данных таблицы 1. Для 532 нм экстраполяция даёт физически абсурдные значения (>100 Дж/см²), что подтверждает полную непригодность этого диапазона.

Ключевой вывод:при интактном эпидермисе глубина доставки энергии, достаточной для активации пигмента (~0,8 Дж/см²), ≤1,7 мм. Попытка достичь 2,0–2,5 мм требует многократного превышения безопасного порога.

Физический механизмсогласуется с теорией Jacques [6] и Sdobnov et al. [11]: роговой слой и дерма - мощный рассеивающий/поглощающий барьер.

Ограничения:крысы (толщина тканей черепа человека больше), не учтены кость и кровоток, измерения на срезах могут завышать эффективную глубину, пигмент имплантирован в кожу спины, а не эпидурально.

Практические рекомендации:для эпидуральной фототермической нейромодуляции требуется удаление рогового слоя, имплантируемые источники света или более длинноволновое ИК-излучение (>1200 нм) [9; 13]. Согласно [14; 15], локальный нагрев на 2,34 °C подавляет >95% спайковой активности, что подтверждает важность точного температурного контроля.

Выводы

На модели крыс с интактным эпидермисом и подкожной имплантацией пигмента определены пороговые значения плотности энергии лазерного излучения и физические ограничения глубины проникновения для оценки возможности безопасной термоактивации нейронов.

1. Выявлены статистически значимые различия между длинами волн 532 и 1064 нм на глубинах 0,5 мм (p = 0,011), 1,0 мм (p = 0,003) и 1,5 мм (p = 0,0004), что подтверждает преимущество более длинных волн для доставки энергии вглубь тканей.

2. Для длины волны 1064 нм максимальная глубина доставки энергии, достаточной для нагрева пигмента до 42 °C (0,8±0,15 Дж/см²), составляет 1,5–1,7 мм при плотности энергии на поверхности 4,0 Дж/см²; порог коагуляции тканей - приблизительно 5,5 Дж/см².

3. Длина волны 532 нм непригодна для активации пигмента на глубинах более 1,0 мм из-за высокого риска термического повреждения тканей (требуемая плотность энергии превышает порог коагуляции).

4. Транскутанная доставка лазерной энергии к пигменту, расположенному на глубине 2,0–2,5 мм и более, при интактных покровных тканях физически ограничена: безопасный нагрев невозможен без превышения порога коагуляции.

5. Для достижения больших глубин необходимы методы преодоления оптического барьера кожи (химическое или механическое удаление рогового слоя, имплантируемые источники света, использование длин волн более 1200 нм).

Полученные данные не исключают возможность фототермической нейромодуляции при контактном расположении излучателя на твёрдой мозговой оболочке (интраоперационно) или после удаления эпидермиса, однако для транскраниальной стимуляции коры головного мозга через интактные покровные ткани требуются дополнительные технические решения.