Состав для контрастирования внутренней структуры биологических объектов при лазерной томографии

 

Использование: в медицине, а именно в лазерной медицинской диагностике, и может применяться в препаратах, предназначенных для увеличения контрастности внутренней структуры биологических объектов при построении оптического изображения методами лазерной томографии. Сущность изобретения: состав содержит дифталоцианины с акцепторными заместителями при их концентрации в водном или водно-солевом растворе 5·10^-5 - 5·10^-3 моль/л. Состав позволяет обеспечить диагностику онкологических заболеваний практически безопасным, неинвазивным методом лазерной оптической томографии за счет увеличения отношения сигнал/шум при построении оптического изображения патологически измененных органов и тканей.

Изобретение относится к лазерной медицинской диагностике, в частности к препаратам, предназначенным для увеличения контрастности внутренней структуры биологических объектов при построении оптического изображения методами лазерной томографии.

Цель изобретения диагностика онкологических заболеваний практически безопасным, неинвазивным методом лазерной оптической томографии за счет увеличения отношения сигнал/шум при построении оптического изображения патологически измененных органов и тканей.

Известны контрастирующие химические вещества, поглощающие рентгеновское излучение, которые применяются для увеличения отношения сигнал/шум при построении томографического изображения внутренних органов методами медицинской рентгеновской томографии [1] Однако рентгеновская диагностика не безвредна для организма. В то же время рентгеноконтрастные вещества не обеспечивают достаточного поглощения лазерного излучения и, следовательно, не позволяют контрастировать биоткани новообразований по отношению к нормальным прилегающим тканям при построении оптического томографического изображения.

Известно применение поглощающих красителей, равномерно распределенных по всему объему при введении в полупрозрачную диффузную сильно рассеивающую (биологическую) среду, для увеличения отношения сигнал/шум при построении оптического изображения объекта, находящегося внутри такой среды [2] В этом случае изображение объекта получается с помощью баллистических приосевых фотонов, на прохождении которых через среду практически не сказывается рассеяние, что и позволяет использовать томографические алгоритмы построения оптического изображения. Недостатком таких красителей является относительно слабое действие поглощения на баллистические приосевые фотоны, обеспечивающие получение необходимого оптического изображения, по сравнению с внеосевыми фотонами, для которых более существенно наличие поглощения (из-за большего оптического пути в среде): на этом эффекте и основано снижение отношения сигнала (баллистические фотоны) к шуму (внеосевые фотоны). Таким образом, в рассматриваемом случае краситель, равномерно распределенный по объему среды, не способствует контрастированию изучаемой внутренней структуры рассеивающих объектов.

Известны также химические вещества, например из класса порфиринов, способные преимущественно накапливаться в тканях злокачественных новообразований. Такие вещества, т.о. обладающие тропностью к патологически измененным биологическим органам и тканям, применяются для диагностики заболеваний по характерной флуоресценции соединений при оптическом возбуждении [3] Недостатком описываемых веществ является трудность возбуждения и наблюдения флуоресценции в случае новообразований небольшого размера, а также при локализации новообразований внутри биологических тканей, обладающих сильным рассеянием излучения. В области наибольшего пропускания биотканей - ближней инфракрасной части спектра, к которой относится диапазон генерации широко распространенных в медицинской практике неодимовых лазеров (с длиной волны 1,06 мкм), подбор эффективно флуоресцирующих химических веществ практически невозможен.

Известны сенсибилизаторы из классов гематопорфинов, фталоцианинов и нафталоцианинов, входящие в состав препаратов внешнего и внутреннего действия, для лечения онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии (ФДТ) при возбуждении препаратов лазерным излучением [4] Однако использование производных гематопорфинов, изготавливаемых из природного сырья, затрудняется вследствие нестабильности их характеристик. Применение же синтетических фталоцианиновых и нафталоцианиновых соединений осложнено в связи с необходимостью привлечения для их возбуждения твердотельных титановых или газовых криптоновых лазеров с недостаточной мощностью излучения либо полупроводниковых лазеров, характерной особенностью которых служит растянутая диаграмма направленности, что вызывает заметные потери излучения при его передаче через световоды к месту локального воздействия.

Помимо вышеизложенного, известно применение для ФДТ состава, содержащего раствор дифталоцианинов с донорными и/или акцепторными заместителями в органическом растворителе, когда препараты могут быть возбуждены лазерным излучением в широком диапазоне длин волн от видимого до ближнего инфракрасного излучения [5] Недостатком таких органических растворов является неудовлетворительная совместимость с тканями живых организмов при преимущественном внутривенном введении вследствие токсичности, либо наркотического действия, что исключает их применение в клинике.

Указанные недостатки могут быть устранены при использовании состава, содержащего водный или водно-солевой раствор дифталоцианинов с акцепторными заместителями при концентрации 5·10^-5 5·10^-3 моль/л. В этом случае достигается контрастирование внутренних структур биологических объектов при лазерной томографии, так как дифталоцианины способны к поглощению лазерного излучения в видимой и ближней инфракрасной областях спектра и обладают тропностью к патологически измененным биологическим органам и тканям, что имеет следствием увеличение отношения сигнал/шум не за счет уменьшения шума (вклада внеосевых фотонов), как это достигалось с красителями, равномерно распределенными по всему объему, а за счет увеличения полезного эффекта - поглощения излучения во внутренних структурах объекта, изображение которых находится томографическими методами. Дифталоцианины с акцепторными заместителями в отличие от таких соединений с донорными заместителями имеют достаточно высокую растворимость в воде и водно-солевых растворах.

Переход от водных к водно-солевым, например физиологическим растворам дифталоцианинов, практически не изменяет спектральные характеристики растворов и не сказывается на их фотостабильности, а также на тропности к биологическим органам и тканям.

Пример 1. Состав для контрастирования внутренней структуры биологических объектов на основе водного раствора дисульфодифталоцианина лютеция при концентрации 5.10^-4 моль/л. Максимум поглощения раствора соответствовал длине волны 620 нм. Спектральные характеристики, а также оптическая плотность слоя жидкости толщиной 0,5 мм, равная 2,55, не изменились при испытаниях на фотостабильность при освечивании состава, находившегося в кювете со стеклянными окошками, излучением лазера на спиртовом растворе оксазина 1 с накачкой аргоновым лазером со средней мощностью 20 мВт в течение 15 мин.

Пример 2. Состав для контрастирования внутренней структуры биологических объектов на основе водного раствора моносульфодифталоцианина циркония при концентрации 5·10^-4 моль/л. Максимум поглощения раствора соответствовал длине волны 745 нм. Спектральные характеристики, а также оптическая плотность слоя жидкости толщиной 0,5 мм, равная 2,0, не изменились при испытаниях на фотостабильность при освечивании состава, находившегося в кювете со стеклянными окошками, излучением титанового лазера с ламповой накачкой со средней мощностью 30 мВт в течение 10 мин.

Пример 3. Состав для контрастирования внутренней структуры биологических объектов на основе водного раствора тетракарбоксидифталоцианина празеодима при концентрации 5·10^-4 моль/л. Максимум поглощения раствора соответствовал длине волны 1060 нм. Спектральные характеристики, а также оптическая плотность слоя жидкости толщиной 0,8 мм, равная 2,0, не изменились при испытаниях на фотостабильность при освечивании состава, находившегося в кювете со стеклянными окошками, излучением стеклянного неодимового лазера с ламповой накачкой с плотностью энергии генерации 2 Дж/см², длительностью импульса 500 мкс и частотой повторения импульсов 5 Гц в течение 10⁵ импульсов.

Пример 4. Состав для контрастирования внутренней структуры биологических объектов на основе водного раствора тетракарбоксидифталоцианина празеодима при концентрации 5·10^-5 моль/л. Максимум поглощения раствора соответствовал длине волны 1060 нм. Спектральные характеристики, а также оптическая плотность слоя жидкости толщиной 8 мм, равная 2,0, не изменились при испытаниях на фотостабильность при освечивании состава, находившегося в кювете со стеклянными окошками, излучением гранатового неодимового лазера с ламповой накачкой при длительности импульса генерации 5 пс, энергии в импульсе 5 мкДж, частоте повторения импульсов 1 Гц в течение 10⁵ импульсов.

Пример 5. Состав для контрастирования внутренней структуры биологических объектов на основе водного раствора тетракарбоксидифталоцианина празеодима при концентрации 5·10^-3 моль/л. Максимум поглощения раствора соответствовал длине волны 1060 нм. Спектральные характеристики, а также оптическая плотность слоя жидкости толщиной 0,08 мм, равная 2,0, не изменились при испытаниях на фотостабильность в условиях примера 4.

Пример 6. Состав для контрастирования внутренней структуры биологических объектов на основе водно-солевого физиологического раствора тетракарбоксидифталоцианина празеодима при концентрации 5·10^-4 моль/л. Максимум поглощения раствора соответствовал длине волны 1060 нм. Спектральные характеристики, а также оптическая плотность слоя жидкости толщиной 0,8 мм, равная 2,0, не изменились при испытаниях на фотостабильность в условиях примера 4.

Пример 7. Эксперимент проводился на группе мышей линии A/Snell, которым была введена доза 10⁷ см^-3 опухолевых клеток штамма ВМР (высокометастазирующего рака), полученного в ОНЦ РАМН. В качестве контрастирующего химического соединения был выбран тетракарбоксидифталоцианин празеодима. Плотность слоя физиологического раствора этого соединения толщиной 1 мм на длине волны генерации используемого неодимового гранатового пикосекундного лазера (1,06 мкм) составляла 1,8 при концентрации соединения 9·10^-4 моль/л. Раствор вводился в хвостовую вену животного на 10-й день после прививки. Оптическое изображение опухоли и метастазов во внутренние органы: печень, почки, селезенка, легкие (размером от 2 мм) снималось через 24 ч после введения раствора.

Длительность импульса генерации лазера равнялась 5 пс, энергия в импульсе 5 мкДж, частота повторения импульсов 1 Гц. С целью выделения баллистических фотонов проводилась временная и пространственная селекция регистрируемого излучения.

Оптическое изображение опухоли и метастазов размером порядка 3 мм удалось наблюдать у 100 животных. В контрольной группе животных, которым не вводился раствор соединения, оптическое изображение опухоли получить не удалось, хотя на секционном исследовании было установлено наличие опухолевого узла и метастазов в легких, печени, селезенке и почках.

Пример 8. При выполнении эксперимента на группе мышей в условиях примера 7 со спиртовым раствором окта-4-перфтортретбутилдифталоцианина празеодима с концентрацией 5·10^-4 моль/л после внутривенного введения раствора отмечались необратимые изменения состава и свойств крови (коагуляция белков плазмы, тромбообразование, изменение функциональной активности форменных элементов крови), приводящие к быстрым или отсроченным летальным последствиям.

Таким образом, предлагаемый состав для контрастирования внутренней структуры биологических объектов превосходит прототип по совместимости с тканями живых организмов и обладает высокой стойкостью к действию лазерного излучения и тропностью к патологически измененным биологическим органам и тканям. Использование предлагаемого состава способно обеспечить построение качественного оптического изображения.

Источники информации: 1. R.A. Robb, T.A. Hoffman, L.J. Sinak, L.D. Harris, E.L. Ritman. Proc. IEEE, 1983, V.71, N. 3, p. 308-319.

2. Патент US N 5, 140, 463, кл. G 02 B 27/00, 1992.

3. R. L. Lipson, E.J. Baldes, A.M. Olsen. J.Natl. Cancer Inst. 1961, V. 26, p. 1-11.

4. А. Ф. Миронов. Итоги науки и техники, сер. "Современные проблемы лазерной физики", т. 3, 1990.

5. Заявка на получение патента на изобретение N 93012915/14, 1993.

Формула изобретения

Состав для контрастирования внутренней структуры биологических объектов при лазерной томографии на основе поглощающих красителей, отличающийся тем, что в качестве поглощающих красителей используют дифталоцианины с акцепторными заместителями при их концентрации в водном или водно-солевом растворе 5·10^-5 5·10^-3 моль/л.