Světelný zdroj, zejména k navození a monitorování fotodynamického jevu in vitro

Oblast techniky

Technické řešení se týká uspořádání světelného zdroje s homogenitou světelného pole, určeného zejména k navození a monitorování fotodynamického jevu in vitro, především ve standardních analytických mikrodestičkách s možností kontinuálního monitoringu změn v běžných mikrodestičkových analyzátorech pro jeho transparentnost.

Dosavadní stav techniky

Fotodynamický jev představuje kombinovaný účinek čtyř složek, a to fotosensitivní látky (sensitizeru), molekulárního kyslíku, světla a substrátu, nejčastěji biologického charakteru. Výsledným produktem této reakce je tvorba různých forem reaktivního kyslíku, zoxidovaný substrát a zregenerovaný sensitizer, který byl aktivován světlem. Tento jev nachází své hlavní uplatnění ve fotodynamické terapii, kde jsou sensitizery přednostně vychytávány v patologicky změněných buňkách. Po následném ozáření buněk viditelným zářením o vlnové délce shodné s absorpčním maximem sensitizeru dochází k jejich destrukci, na níž se účastní převážně singletový kyslík a další radikály. Doba života těchto produktů v buněčném prostředí je velmi krátká, neboť velmi rychle reagují s okolními biomolekulami. V závislosti na velikosti takto navozených změn v jejich molekulární struktuře, a tedy míře buněčného poškození, může dojít k nastartování řady buněčných procesů vedoucí k zániku buňky. Sensitizer je bez světelné aktivace netoxický, a má vlastnost vlastní fluorescence, která se také využívá v diagnostice. Navozené buněčné poškození lze sledovat pomocí různých světlem aktivovaných sond za pomocí detekce, například jejich fluorescence pomocí spektrofluorimetru.

V preklinické výzkumné fázi se při studiu efektivnosti tohoto druhu terapie využívají různé nádorové a nenádorové buněčné kultury, kultivované např. na Petriho miskách nebo analytických mikrodestičkách. Jako zdroje světelné energie k aktivaci sensitizeru se nejčastěji používá laserové nebo diodové světlo. K vytvoření širší ozařovací plochy se často umísťuje mezi laserový paprsek a zkoumaný objekt optický difuzér. U světla pocházejícího z LED diod je dosaženo osvětlovacího pole různým uspořádáním několika LED diod, vytvářejících různou míru homogenity světelného toku jak pro aplikace in vivo, což je popsáno například v dokumentech KR 20090055891, EP 2044974, US 2009088824, CN 101214403, US 2007239233, US 2007225778, WO 02098508, WO 2005035058, WO 9321842, tak pro aplikace in vitro, což je známo z dokumentů DE 102008008875, CZ 302829, CZ 302084 nebo WO 9321842. Uspořádání diod v ozařovačích je buď nahodilé nebo v řadách se stejnou nebo rozdílnou vzájemnou vzdáleností.

Vhodné uspořádání diod spojené se vznikem homogenního světelného poleje popsáno v několika spisech, například ve WO 2005035058, CZ 302829, které řeší problém homogenity při ozařovaní ze shora. LED diody jsou u tohoto řešení uspořádány v hexagonálním tvaru, v konstantní vzdálenosti vůči sobě a jsou upevněny na podložce nad úložištěm. U řešení dle spisu CN 203247266(U) je homogenity dosaženo pohybem destičky s umístěnými LED prvky a pomocí rozptylu na přídatném matném skle. Analýza vzorku se běžně provádí detekcí signálu pomocí detekčního zařízení umístěného nad nebo pod vzorkem. Nevýhodou tohoto řešení je, že analýzu výsledného účinku fotodynamické terapie in vitro, tedy stanovení celkového množství oxidované látky, je možno provádět až po určitém čase ozáření. Velmi často užívaným a oblíbeným detektorem je totiž chemická značka, která se po proniknutí do buněk a její oxidaci přeměňuje na fluorescenční produkt, jehož celkový výtěžek lze snadno stanovit pomocí komerčně dostupných fluorescenčních spektrofotometrů nebo readerů. Z důvodu rychlých fotofyzikálně-chemických změn spojených se vznikem reaktivních forem kyslíku a samotné autofotooxidaci detekční značky je žádoucí, aby měření probíhala kontinuálně v čase. Určité řešení přináší zařízení dle CZ 302084, kde je ozařování prováděno z boku. Tento způsob řešení je však vhodný pro relativně malé vzorky a nedosahuje takové homogenity jako u přímého ozařování ze shora.

Úkolem předkládaného technického řešení je představit k využívání takový světelný zdroj, který by byl konstrukčně poměrně jednoduchý, poskytoval světlo o poměrně rovnoměrném světelném

-1 CZ 28377 Ul toku a zároveň umožňoval kontinuální monitorování produktů vzniklých při fotodynamickém jevu pomocí komerčně dostupných spektrofotometrů nebo readerů.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je světelný zdroj, zejména k navození a monitorování fotodynamického jevu in vitro v analytických mikrodestičkách, na jejichž homí ploše jsou vytvořeny jamky, které jsou uspořádány v řadách, a které slouží k uložení analyzovaných vzorků, kde podstata řešení spočívá v tom, že světelný zdroj je tvořen obdélníkovým rámem upraveným pro ustavení jeho polohy na homí plochu analytické mikrodestičky a pro vyjímatelné uložení polotransparentní tenkostěnné ozařovací destičky opatřené diodovými čipy rozmístěnými v řadách se vzájemným hexagonálním uspořádáním, přičemž diodové čipy jsou paralelně propojeny se sběrnicí vedenou po obvodu ozařovací destičky a propojenou s napájecím zdrojem.

Ve výhodném provedení je rám jednak ve střední části vnitřních ploch opatřen obvodovým lemem a jednak na jedné ze stěn bočním vybráním pro umožnění vývodu vodičů k napájecímu zdroji.

Provedením podle technického řešení se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že konstrukční řešení světelného zdroje umožňuje kontinuální monitorování produktů vznikajících při fotodynamického jevu. Další výhodou je, že ozařovací destičky osázené diodovými čipy jsou snadno vyjímatelné a je možné je pouze vysunutím a zasunutím vyměnit za jiné destičky s jinými vyzařovacími charakteristikami. Nezanedbatelnými přednostmi zařízení je jeho nízká pořizovací cena, malé zástavbové rozměry a minimální energetická náročnost provozu.

Přehled obrázků na výkresech

Konkrétní příklad konstrukčního provedení světelného zdroje je objasněn pomocí přiložených výkresů, kde obr. 1 je celkový axonometrický pohled na světelný zdroj, obr. 2 pohled na světelný zdroj z obr. 1 v explodovaném provedení, obr. 3 je pohled na ozařovací destičku shora se schématem uspořádání a elektrického zapojení diodových čipů, obr. 4 je detailní boční pohled na část ozařovací destičky z obr. 3 a obr. 5 dva detailní pohledy na části ozařovacích destiček s příklady rozmístění diodových čipů nad jamkami.

Výkresy, které znázorňují představované technické řešení a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady provedení technického řešení

Světelný zdroj je v základním provedení tvořen obdélníkovým rámem I, který je ve střední části vnitřních ploch 11 opatřen obvodovým lemem 12, který slouží jednak k přesnému ustavení polohy rámu I na homí plochu 21 standardizovaných analytických mikrodestiček 2, na níž jsou vytvořeny jamky 22, které jsou uspořádány v řadách a které slouží k uložení neznázoměných analyzovaných vzorků, a jednak a k vyjímatelnému uložení polotransparentní tenkostěnné ozařovací destičky 3 opatřené diodovými čipy 4 rozmístěnými v řadách se vzájemným hexagonálním uspořádáním. Jednotlivé řady se sériově zapojenými diodovými čipy 4 jsou paralelně propojeny se sběrnicí 5 vedenou po obvodu ozařovací destičky 3, jak je patrné z obr. 3 a obr. 4. Sběrnice 5 je pak propojena pomocí neznázoměných vodičů, které jsou vyvedeny vně rámu I jeho bočním vybráním 13 a umožňují připojení k rovněž neznázoměnému napájecímu zdroji.

Konstrukce celého světelného zdroje, ale především uspořádání diodových čipů 4 musí být zvoleno tak, aby bylo dosaženo maximální homogenity světelného pole, a aby vliv částečného zastí-2CZ 28377 U1 není byl relativně nezávislý na umístění vzorku pro jednotlivé jamky 22 mikrodestiček 2. Plošná hustota diodových čipů 4 pak přímo určuje míru homogenity a transparentnost zdroje. Čím je větší, tím je menší transparentnost a naopak. Při studiu fotodynamických procesů je problematika homogenity významnější. Pokud se mají hodnotit rozdíly mezi různými jamkami 22 v mikrodestičce 2, je nutné, aby míra celkového osvětlení připadající na každou jamku 22 byla shodná. To je v praxi těžko dosažitelné, neboť výrobci nezaručují standardizované umístění jamek 22 v mikrodestičkách 2. Pokud je nutno navrhnout univerzální ozařovač, je třeba potom stanovit určitou mez tolerance nestejného ozáření, která je minimálně 10 %. Z obr. 5 vyplývá, že tato podmínka je splněna, pokud na průměr jamky 22 připadá minimálně sedm diodových čipů 4. Při úvaze, že rozměry diodových čipů 4 jsou v rozmezí 0,2 až 0,5 mm, je možno konstatovat, že lze dosáhnout dobré homogenity s dobrou propustností i pro 96ti jamkové mikrodestičky 2 o průměru jamky 22 cca 6,5 mm. U 384ti jamkových mikrodestiček 2 o průměru jamky cca 2,5 mm by už byla výroba univerzálních plošných homogenních a transparentních světelných zdrojů obtížná a byla by spojena s použitím diodových čipů 4 o menších rozměrech a se sníženou celkovou transparentností.

Popsaná konstrukce světelného zdroje není jediným možným provedením technického řešení, ale bez vlivu na jeho podstatu může být řešena vlastní konstrukce rámu i jiným způsobem a může být použit jiný počet diodových čipů 4 podle jejich velikosti a velikosti analyzované oblasti, tedy průměru j amek 22.

Průmyslová využitelnost

Světelného zdroje podle technického řešení lze použít pro sledování fotodynamických změn metodami in vitro ve standardizovaných analytických mikrodestičkách, zejména pro fotodynamickou terapii, která se používá k destrukci nádorových buněk pomocí singletního kyslíku a jiných radikálů vznikající v nádorové tkáni po jejím ozáření světlem. Svojí velikostí a transparentností umožňuje studium fotodynamických procesů v běžných komerčně dostupných mikrodestičkových analyzátorech.