Тема Фотобиологические процессы Фотомедицина I Что такое

Тема: Фотобиологические процессы. Фотомедицина

I. Что такое фотобиологический процесс? Фотобиологический процесс – это процесс, который начинается с поглощения квантов света молекулами и заканчивается физиологической реакцией организма

I. Виды фотобиологических процессов 1) Фотосинтез – синтез органических молекул растениями или бактериями за счет энергии солнечного света 2) Фототропизм - поворот листьев или стеблей растений к источнику света 3) Фототаксис - движение микроорганизмов, например бактерий, к свету или от света 4) Зрение – превращение световой энергии в энергию нервного импульса в сетчатке глаза

5) Эффекты УФ-излучения Загар (потемнение кожи за счет синтеза в ней пигмента меланина под действием света) Эритема (стойкое воспалительное покраснение кожи, возникающее вследствие расширения кровеносных сосудов)

6) Синтез витамина D в коже (витамин D необходим для усвоения организмом кальция) 7) Инактивация вирусов и бактерий (используют для стерилизации крови) 8) Угнетение иммунитета 9) Мутагенное и канцерогенное действие

Свет обладает избирательным действием (в отличие от рентгеновского и гамма-излучения) Это обусловлено тем, что кванты света поглощаются молекулами, тогда как кванты рентгеновского излучения и гамма излучения поглощаются атомами Меняя длину волны, можно избирательно запускать те или иные фотобиологические процессы

Избирательность действия света

II. Стадии фотобиологических процессов: 1. Поглощение фотона света (hn) молекулой-акцептором 2. Внутримолекулярный перенос энергии 3. Меж-молекулярный перенос энергии ПРОЦЕССЫ 1 -3 – физические 4 -6 – химические 7 – физиологические 4. Первичный фотохимический акт (образование нестабильных фотопродуктов из возбужденных состояний S 1 или T 1 ) 5. Темновые реакции, приводящие к образованию стабильных фотопродуктов 6. Биохимические реакции с участием стабильных фотопродуктов 7. Физиологический ответ организма на действие света

III. Квантовый выход фотохимической реакции Пути растраты энергии при поглощении фотона света ( hn ) Фотохимическая реакция S= синглетное состояние T= триплетное состояние S* 1 h n Фл стадии 3 -6 фотопроцесса S 0 Т Фос Т T 1* основное состояние hn поглощение Фл= флуоресценция Т = тепло Фос= фосфоресценция Каждая возбужденная молекула растрачивает энергию путем только одного процесса (флуоресценции или фосфоресценции, или тепла, или фотохимической реакции) Квантовый выход фотохимической реакции: jx = Число молекул, вступивших в фотохимическую реакцию Число молекул, поглотивших фотон jx не зависит от длины волны падающего света (l)

IV. Эффективное сечение молекулы для фотохимического превращения Закон поглощения света Бугера-Ламберта-Бера Эффективное сечение для фотохимического превращения: ln(I 0 / I) = sn l 0 n = концентрация молекул I 0 = интенсивность падающего света I = интенсивность света после поглощения = эффективное сечение поглощения l = толщина образца s s = s jx jx : квантовый выход фотореакции S: эффективное сечение поглощения s зависит от длины волны света (l) s пропорционально вероятности такого взаимодействия фотона света с молекулой, в результате которого произойдет фотохимическая реакция

Как определить значение s? Количество нетрансформированных молекул уменьшается в ходе облучения светом Скорость фотохимических превращений: После интегрирования от 0 до t: Доза облучения: dn/dt = -jx I 0 sn ln(n 0 / nt ) = I 0 tsjx = Dобs Dоб = I 0 t Найти s можно из графика: ln(n 0 /nt ) tg(a ) = s a D

IV. Спектры поглощения. Спектры действия Спектр поглощения – это зависимость эффективного сечения s (или коэффициента поглощения) от длины волны Спектры поглощения Уроканиновая кислота Поглощение поглощения света l белки ДНК Длина волны (нм)

Спектр действия – это зависимость: a) Зависимость эффективного сечения фотохимических превращений s от длины волны действующего света l б) зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света l

Сравнивая спектры поглощения и спектры фотобиологического действия можно определить молекулы, отвечающие за данный фотобиологический процесс Относительные единицы Спектр поглощения нуклеиновой кислоты и спектр фотоинактивации E. coli Фотоинактивация Длина волны , нм

V. Фотомедицина. Фототерапия. Фотомедицина – это раздел медицины, в котором световое излучение применяют для диагностики и лечения Фототерапия - применение излучения (УФ, красного, ИК) для лечения кожных, онкологических заболеваний аутоиммунных, Свет, который применяется при фототерапии, поглощается специфическими хромофорами в тканях Эндогенные хромофоры: ДНК, белки, гемоглобин Экзогенные хромофоры: фоточувствительные красители (фотосенсибилизаторы)

Фототерапия желтухи новорожденных Желтуха новорожденных является следствием резкого повышения в организме концентрации билирубина Билирубин плохо растворим в воде и хорошо - в жире Облучение организма синим светом (~450 нм) приводит к образованию водорастворимого изомера билирубина

Фотодинамическая терапия (ФДТ) здоровая 2 -3 дня опухоль Накопление красителя в опухолевых тканях Инъекция красителя пациенту Облучение (630 -650 нм) Фотодинамическое действие (свет + краситель + кислород) Разрушение опухоли © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава

Тема: Физика слуха

Орган слуха состоит из звукопроводящей системы (наружное, среднее и внутреннее ухо) и звуковоспринимающей системы (волосковые клетки на базиллярной мембране внутреннего уха)

Зачем три уха? Воспринимаемые нами звуки – механические волны, приходят по воздуху. Звук очень плохо проникает из воздуха в воду. Чтобы решить эту проблему возникли наружное и среднее ухо. Волосковые клетки – механоэлектрические рецепторы- находятся во внутреннем ухе Волосковые клетки должны находиться в водной среде, иначе они высохнут и погибнут. Генерация трансмембранных потенциалов также невозможна, если клетка не находится в водной среде. У рыб внутреннее ухо есть, а наружного и среднего – нет, т. к. нет границы воздух-вода.

Наружное ухо Длина слухового прохода человека примерно 2, 3 см. Акустический резонанс возникает, если длина волны звука в 4 раза больше длины резонатора. Т. е. резонанс приходится на 3 к. Гц.

Кривые равной громкости: Показывают зависимость уровня интенсивности (Iд. Б) от частоты звука при заданной громкости (Ефон) L

Как человек определяет локализацию звука? При низких частотах ухо четко улавливает разность фаз звуковой волны в левом и правом ухе (из-за различия расстояний от источника звука При высоких частотах ухо реагирует на разность интенсивностей звука. Из-за «звуковой тени» вокруг головы различие в интенсивностях может достигать 30 д. Б (1000 раз!). Это позволяет локализовать источник звука с точностью от 3 до 10 градусов.

Функции наружного уха 1. Наружное ухо выполняет роль резонатора. При действии звуковых частот, близких к 3000 Гц, происходит усиление давления на барабанной перепонке по сравнению с давлением в свободном звуковом поле. Вследствие эластичности барабанной перепонки это усиление составляет около 100 раз. 2. Обеспечивает бинауральность слуха. Форма наружного уха (воронка, закрытая с одного конца), идущего с определенного направления) приспособлена для улучшенного восприятия звука, идущего с определенного направления. 3. Функция защитного механизма. В слуховом проходе вблизи барабанной перепонки поддерживается постоянный уровень температуры и влажности независимо от колебаний температуры и влажности во внешней среде, что обеспечивает стабильность упругих свойств барабанной перепонки.

Акустический импеданс (волновое сопротивление) среды § Это характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на границе раздела сред § Акустическим импедансом (Z) называют произведение плотности среды (r) на скорость (с) распространения звуковой волны в среде: § Коэффициент проникновения звуковой волны (b) – это величина, равная отношению интенсивностей прошедшей и падающей волн: Формула Рэлея: если: то:

Акустический импеданс (волновое сопротивление) среды Формула Рэлея: § Коэффициент проникновения звуковой волны (b) – это величина, равная отношению интенсивностей прошедшей и падающей волн:

Среднее ухо – трансформатор давления. 1. Косточки среднего уха (молоточек, наковальня, стремечко) работают, как рычаги, обеспечивая выигрыш в силе в 1, 3 раза. 2. Площадь барабанной перепонки человека 0, 7 см 2, а площадь овального окна внутреннего уха 0, 032 см 2. Звуковая волна давит на барабанную перепонку (Рб)

Среднее ухо – трансформатор давления. Сила, давящая на молоточек Fм= Рб Sм= Рб 5, 5·10 -5 м 2, где Sм – площадь контакта молоточка с перепонкой. Сила, давящая на стремечко, равна Fс=1, 3 Fм. Давление стремечка на овальное окно Роо=Fс/Sс=Fс/(3, 2·10 -6 м 2), где Sс – площадь контакта стремечка с овальным окном. Отсюда Роо/Рб=22. Фон Бекеши экспериментально доказал, что это соотношение давлений равно 17, или выигрыш в уровне интенсивности Lд. Б=20·lg(Роо/Рб)=20·lg 17≈25 д. Б (в интенсивности - в 316 раз)

СРЕДНЕЕ УХО Амплитуда смещений барабанной перепонки l=V/2πν, где V – скорость движения барабанной перепонки (равной скорости движения молекул воздуха), ν - частота. В свою очередь V=P/(ρ·c), Отсюда l=V/2πν=P/(2πνρ·c). Подставим с=3, 4·102 м/с, для воздуха ρ=1, 3 кг/м 3, пороговое значение Ро=2·10 -5 Па. Отсюда V=5·10 -8 м/с, а при частоте ν=1 к. Гц смещение барабанной перепонки составит l=0, 8·10 -11 м, что меньше размера атома водорода. Если увеличить уровень интенсивности звука до болевого порога 130 д. Б, то смещение будет l=10 -3 м=1 мм.

Среднее ухо Если колебания амплитудой в 1 мм передать на внутреннее ухо, то оно будет разрушено. Среднее ухо защищает внутреннее от перегрузок за счет изменения характера колебаний стремечка. При пороговых смещениях стремечко движется, как поршень. При средних – как дверь, закрепленная на петлях с одной стороны. При больших – как дверь с петлями посредине, т. е. когда одна сторона входит, другая – выходит.

ВНУТРЕННЕЕ УХО Улитка имеет форму спирали, у человека она имеет 2, 5 витка. Длина развернутой улитки 35 см, объем около 100 мкл (2 капли воды) В улитке 3 параллельных заполненных жидкостью канала. Вестибулярный и барабанный (тимпанальный) каналы заполнены перилимфой, улитковый канал – эндолимфой. В эндолимфе концентрация ионов калия в 100 раз выше, чем в перилимфе. Улитковый канал отделен от барабанного базилярной мембраной, на которой располагается кортиев орган с волосковыми клетками и нервными окончаниями.

Внутреннее ухо Характер колебаний базилярной мембраны зависит от частоты. Мембрана неоднородна по длине. К вершине улитки она уширяется и утолщается. Рядом со стремечком она имеет в 100 раз больший модуль упругости, чем у вершины. Из-за ее неоднородности механические волны разной частоты приводят в движение разные участки мембраны: низкие частоты вызывают колебания наиболее массивной части. Движения базилярной мембраны вызывают деформацию волосковых клеток, что приводит к деполяризации их цитоплазматических мембран. Эти изменения потенциала действуют на дендриты нейронов, находящихся в контакте с основанием волосковых клеток. В результате возбуждаются волокна слухового нерва.

ДЕФЕКТЫ СЛУХА Экзогенные факторы инфекционные заболевания во время беременности, особенно в первые месяцы: o Более 50 % случаев глухоты и тугоухости считаются наследственно обусловленными. Показано, что в возникновении глухоты даже после перенесенной инфекции значительное место принадлежит наследственному предрасположению врожденные o краснуха, корь, грипп, а также Эндогенные факторы сифилис, токсоплазмоз и др. Среди постнатальных инфекций, способствующих поражению слуха, определенная роль отводится: o o корь, скарлатина, эпидемический паротит менингиты, менингоэнцефалиты. Одной из важнейших причин нарушения слуха (чаще тугоухости) у детей считаются отиты. Особенно актуальна эта закономерность при глухоте, связываемой с медикаментозным лечением. Генетическая недостаточность органа слуха делает его уязвимым применении ряда антибиотиков.

РАЗНОВИДНОСТИ ТУГОУХОСТИ Сенсоневральная тугоухостьколичество волосковых клеток уменьшается (повреждается), они не способны трансформировать звуковые колебания в нервные импульсы. При длительном периоде нейросенсорной тугоухости частично атрофируются веточки слухового нерва, не получающие необходимой стимуляции электрическими сигналами от волосковых клеток. Иначе говоря, сенсоневральная тугоухость имеет тенденцию прогрессировать со временем. Кондуктивная тугоухость представляет собой частичную глухоту из-за отсутствия нормальной проводимости звука. Основными причинами данного заболевания является аномалии среднего уха, его косточек или барабанной перепонки, или же непроходимость слухового прохода уха

АУДИОМЕТРИЯ – измерение остроты слуха, т. е. чувствительности слухового органа к звукам разной частоты.

СНЯТИЕ АУДИОГРАММ

Аудиоскрининг новорожденных По данным Второй международной конференции по скринингу новорожденных, диагностике и раннему вмешательству (2 nd International Conference on Newborn Hearing Screening Diagnosis and Intervention): частота нарушений слуха наблюдается у 3 из 1000 новорожденных

КОХЛЕАРНАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ Кохлеарная имплантация эффективна только при улитковом уровне поражения слуха и не эффективна при наличии ретрокохлеарной патологии. Сущность метода заключается в установке в организме пациента устройства, способного преобразовывать электрические импульсы, поступающие с внешнего микрофона, в сигналы, понятные нервной системе. При этом под кожей (в височной области) устанавливается тело имплантата, а через барабанную полость в барабанную лестницу улитки проводится электродный массив. Внешний речевой процессор (аудиопроцессор) преобразует звук, поступающий на микрофон, в электрический сигнал. Это приводит к возбуждению нейронов спирального ганглия улитки (1 нейрон слухового анализатора). Таким образом звуковая информация, закодированная в поток электрических импульсов передаётся по проводящим путям слухового анализатора в корковые отделы, что дает возможность слышать.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ