CZ302829B6

CZ302829B6 - Zdroj svetla o rovnomerné hustote energie k navození fotodynamického jevu v bunkách in vitro

Info

Publication number: CZ302829B6
Application number: CZ20060813A
Authority: CZ
Inventors: Tomecka@Marek; Bajgar@Robert; Kolárová@Hana
Original assignee: Univerzita Palackého v Olomouci
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2011-11-30
Also published as: CZ2006813A3

Abstract

Zdroj svetla (3) o rovnomerné hustote energie k navození fotodynamického jevu v bunkách in vitro sestávající z pole (7) sousedících povrchove emitujících LED diod (4) usporádaných v hexagonálním tvaru, kde trojice sousedních LED diod (4) tvorí rovnostranný trojúhelník, má LED diody (4) upevneny na podložce (6), proti níž leží úložište (13) usporádané na distancních prvcích (11), pricemž od libovolne vybrané LED diody (4) ležící mimo okraj pole (7) je vždy šest sousedních LED diod (4) usporádáno v konstantní vzdálenosti L.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká uspořádání zdroje světla o rovnoměrné hustotě energie k navození fotodynamického jevu v buňkách in vitro sestávající z pole sousedících povrchově emitujících LED diod uspořádaných v hexagonálním tvaru, kde trojice sousedních LED diod tvoří rovnostranný trojúhelník.

Dosavadní stav techniky

Fotodynamická terapie (PDT) je vedle chemoterapie, radioterapie a imunoterapie další možností léčby nádorového onemocnění. Jedna se o fotochemoterapii, která představuje kombinované použití fotodynamicky aktivní látky (senzitizéru) a světla za přítomnosti kyslíku. Princip léčby nádorů je založen na celkovém nebo zevním podání fotodynamicky aktivní látky s následným ozářením UVA nebo viditelným zářením (světlem). Fotosenzitízující látka se po určité době selektivně akumuluje v nádoru a pak je provedeno ozáření světlem o vhodné vlnové délce shodné s absorpčním maximem senzitizéru.

Již známé světelné zdroje, které využívají jako zdroje světla povrchově emitující LED diody, mají pole z těchto LED diod uspořádány dvojím způsobem. Prvním případem je prostá matice, kdy čtyři sousední diody tvoří čtverec. Druhým případem je zapojení do matice, kde jsou jednotlivé řady-linie diod vůči sobě posunuty a 4 sousední diody tak tvoří lichoběžník, kdy jsou od každé libovolné diody stejně vzdáleny pouze 4 další diody. U takovéhoto zapojení není dostatečně homogenní ozáření plochy z důvodu malé návaznosti/pokryvnosti jednotlivých vyzařovacích kuželů LED diod. Je též známé hexagonální uspořádání pole LED diod. Takový zdroj záření je popsán v CZ přihlášce vynálezu PV 2004-22 (W02002/098508). Jedná se o lampu pro PDT, která má kryt, jenž obsahuje světelný zdroj vytvořený ze dvou polí LED diod. LED diody jsou uspořádány v hexagonálním vzoru a září na vlnové délce 630 až 640 nm. Pod LED diodami je svazek Čoček, obsahující čočku pro každou diodu. Pod tím je rozptylovač. Nevýhodou je, že tento zdroj pro jeho optimální funkčnost vyžaduje předpojenou soustavu čoček pro kol i mači paprsku z LED a difuzéru, který kolimované paprsky opět rozptyluje.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je poskytnout zdroj světla o rovnoměrné hustotě energie k navození fotodynamického jevu v buňkách in vitro pro využití v in vitro terapii nádorů a in vivo léčbě akné.

Výše uvedeného úkolu je dosaženo zdrojem světla o rovnoměrné hustotě energie k navození fotodynamického jevu v buňkách in vitro sestávající z pole sousedících povrchově emitujících LED diod (4) uspořádaných v hexagonálním tvaru, kde trojice sousedních LED diod tvoří rovnostranný trojúhelník, jehož podstata spočívá v tom, že má LED diody (4) upevněny na podložce (6), proti níž leží úložiště (13) uspořádané na distančních prvcích (11), přičemž od libovolně vybrané LED diody (4) ležící mimo okraj pole (7) je vždy šest sousedních LED diod (4) uspořádáno v konstantní vzdálenosti L.

Pro navození fotodynamického jevu v buňkách v kombinaci s porphyrinem ZnTPPS.» se jeví jako výhodným osazení pole LED diodami emitující záření na vlnové délce 417 nm nebo v kombinaci s ftalocyaninem CIAIPcS₂ jsou vhodné diody emitující na vlnové délce 660 nm.

- 1 CZ 302829 Β6

Hlavní výhodou zdroje světla o rovnoměrné hustotě energie k navození fotodynamického jevu v buňkách je jeho vysoká účinnost, která vychází z použití vysoce svítivých světlo emitujících diod - LED diod, které jsou zajímavou alternativou zdroje záření pro PDT. LED diody emitují záření v rozsahu vlnových délek 350 až 1100 nm. Mezi největší výhody použití LED diod patří především nízká cena a malé rozměry, které umožňují při vhodném zapojení ozáření větší plochy a dále pak minimální energetická náročnost. Mohou být také libovolně geometricky uspořádány tak, aby kompletně osvítily celou ozařovanou plochu, například nádor.

Výhodou též je, když LED diody jsou vyjímatelně upevněny na podložce. Tím, že podložka je provedena jako patice s množstvím konektorů, je možné jednotlivé diody vyměnit pouze vysunutím a zasunutím za jiné LED diody s jinými vyzařovacími charakteristikami. Takovéto uspořádání umožní použití libovolného senzitizéru, např. senzitizér (s absorpčním maximem 417 nm pro ZnTPPS₄; s absorpčním maximem 660 nm pro CIAIPcSí).

Pro dosažení homogenní intenzity světla na povrchu ošetřené plochy H se jako výhodným jeví, vzhledem k libovolně vybrané LED diodě uspořádání LED diod v konstantní vzdálenosti L ve vrcholech pravidelného šestiúhelníku, v jehož středu je umístěna centrální LED dioda, přičemž jsou vždy dvě LED diody umístěny v konstantní vzdálenosti L od diody centrální a tvoří rovnostranný trojúhelník. Vzhledem k současné dostupnosti a vhodnosti použít výkonných čirých LED diod s průměrem 3 a 5 mm s vyzařovacími úhly 20 a 30° může vzdálenost L přednostně nabývat hodnot od 1 do 7 mm v závislosti na kombinaci poloměru a vyzařovacího úhlu daných LED diod.

Pro dosažení homogenní intenzity světla na povrchu ozařované plochy H je výhodné, když vzdálenost I mezi podložkou a povrchem ozařované plochy H je proměnná. Toho je dosaženo tím, že ozařovací stolek je stavitelně uspořádán vůči podložce. Umožnění stavitelnosti distančního prvku má za důsledek, že mohou být použity LED diody s různým vyřazovacím úhlem, přičemž homogenita ozářené plochy se zajistí posunem ozařovacího stolku o příslušnou vzdálenost

I.

Jak z výše uvedeného vyplývá, výhodnost popsaného uspořádání spočívá především ve výsledné homogennosti ozářené plochy H. Této maximálně efektivní pokiyvnosti ozářené plochy H světlem, kdy emitovaný kužel světla z LED diody dopadá symetricky nejblíže vedlejšího emitovaného kužele světla sousední LED diody, lze docílit pouze výše popsaným uspořádáním, kdy jsou všechny LED diody stejně vzdáleny do nejbližších LED diod tak, že ve výsledku tvoří šestiúhelníky. Díky efektivnosti takovéhoto uspořádání není nutné použití dalších optických elementů, jako např. systému čoček pro další fokusaci paprsků. Tato konstrukce rovněž umožňuje použití jakýchkoli LED s různými vyzařovacími úhly světla. Díky proměnlivé vzdálenosti i bude vždy možno dosáhnout homogenní ozářené plochy H.

Rovnoměrné ozáření je dále zefektivněno rotací Petriho misky, která v důsledku rotace není ozařována staticky, ale celá plocha misky s narostlou buněčnou kulturou rotuje v ozářeném prostoru. Rotaci zajišťuje regulovatelný nízkootáčkový motor (2 až 15 otáček za minutu), který umožňuje rotaci úložiště (kam se umísťuje Petriho miska s buněčnou kulturou) na ozarovacím stolku. Nízká rychlost rotace je nutná z důvodu zamezení odloučení adherentních buněk z povrchu dna Petriho misky v důsledku prudkých pohybů. Středem ozařovacího stolku pochází osa motoru, který je uchycen vespod v ose úložiště. Na vrchol této osy (hřídele) je přichyceno víčko Petriho misky, které slouží jako úložiště pro Petriho misku s buněčnou kulturou určenou k terapii. Otáčky jsou regulovány pomocí rezistoru připojeného k motoru. Stejného efektu lze dosáhnout rotací celé patice osazené diodami. Řešení v podobě rotujícího úložiště je techniky a finančně méně náročné.

Podstata řešení podle vynálezu spočívá v jednodušší konstrukci zdroje světla bez nutnosti použití kolimačních elementů a přídavného difuzéru. Vyzařovací úhly komerčně dostupných LED diod jsou 20 až 30°, tedy tento rozptyl pro efektivní ozáření cílené plochy umožňuje použít efektivní terapeutické ozařovací vzdálenosti 30 až 100 mm. Terapeutická ozařovací vzdálenost je závislá na hodnotách L a I a díky konstrukčnímu řešení jsou tyto hodnoty stavitelně proměnlivé. Při použití LED s různými vyzařovacími úhly můžeme měnit hodnotu L v součinnosti se změnou hodnoty I, kdy je jejich vzájemným nastavením docíleno homogenně ozářené plochy. Například při použití diod o průměru 5 mm a vyzařovacím úhlu 30° je hodnota L = 6 mm a hodnota Ϊ = 40 mm.

Díky tomuto variabilnímu nastavení přístroj umožňuje využít širokého spektra LED diod s různými vyzařovacími charakteristikami při co nejjednodušším technickém řešení bez nutnosti dalších optických nebo difúzních elementů, které zvyšují cenovou a technickou náročnost ozařovače.

to Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude objasněn pomocí přiložených výkresů, kde obr. 1 znázorňuje pohled na sestavu zdroje světla, obr. 2 pohled na pole LED diod uspořádaných v patici, obr. 3 zapojení LED diod a obr. 4 pohled na sestavu.

Příklady provedení vynálezu

Podstata vynálezu tedy spočívá v nalezení zdroje světla o rovnoměrné hustotě energie, který se

2o v kombinaci s vhodným senzitizérem, například porphyrinem ZnTPPS₄ jeví jako výhodným pro realizaci fotodynamické terapie, A bude osvětlena pomocí výhodného provedení, které však nemá z hlediska rozsahu ochrany žádný omezující vliv.

Zdroj světla o rovnoměrné hustotě energie podle tohoto vynálezu zaručuje rovnoměrný dopad světla na ozařovanou plochu H. Homogenity ozařované plochy H je docíleno změnou vzdálenosti I diodového pole 7 od ozařované plochy H. Tato vzdálenost I je dána vzájemnou vzdáleností diod L a jejími vyzařovacími prostorovými úhly (α). (V současné době na trhu dostupné vysoce výkonné diody o průměru 3 a 5 mm mají vyzařovací úhel 20° nebo 30°). Každá LED dioda 4 vytváří světelný kužel, který vytváří na homogenní ozařované ploše H světelný kruh. Homoge30 nity je dosaženo tehdy, když středem tohoto světelného kruhu pocházející zjedné LED diody 4 prochází světelné rozhraní světelných kruhů sousedních LED diod 4. Vzdálenost I může být spočítána podle následující formule:

1= L x cotg 1 /2 a kde

L - vzdálenost jednotlivých diod od sebe a - vyzařovací prostorový úhel diody

V tomto uspořádání pak pole 7 diod vytvoří homogenně ozářenou plochu H, jejíž vzdálenost I od pole 7 LED diod je 40 mm, přičemž ozařovací vzdálenost h ležící v rozmezí od 30 do 100 mm můžeme považovat za terapeuticky nejvýhodnější. Při takovémto schématu uspořádání je dosaženo nej efektivnější možné pokryvnosti ozářené plochy H světlo vyzařujícím LED diodami 4, světlo dopadá o stejné intenzitě na celou plochu, překryvy mezi jednotlivými kužely světla vysí45 lanými z LED diod 4 jsou v takovémto uspořádání konstantní.

Technická podstata popisovaného konstrukčního provedení zdroje světla o rovnoměrné hustotě energie je zobrazena na obr. 1,2, 3 a 4. Obr. 1 popisuje sestavu zdroje záření při bočním pohledu. Kryt I světelného zdroje sestává ze dvou dílů, horní části 16 a spodní Části 17. V horní Části j6 krytu 1 je otvor, ke kterému je připojen ventilátor 9, který odvádí teplý vzduch z těla přístroje. Na spodní část 17 krytu I světelného zdroje naléhá patice 12 s osazeným polem 7 luminiscenčních LED diod 4. Díky variabilně stavitelnému distančnímu prvku 11 je možno měnit vzdálenost I pole 7 LED diod 4 od ozařované Petriho misky 19 umístěné na ozařovacím stolku B.

Pole 7 jednotlivých LED diod 4 je osazených do patice 12, ze které lze LED diody 4 vysunout a zaměnit je tak za diody s jinými ozařovacími parametry. Tato patice 12 je uspořádána na spodní straně spodní Části 17 krytu 1 světelného zdroje. LED diody 4 jsou zapojeny do série po pěti v 17 ti paralelních řadách 14, které jsou připojeny ke zdroji 2 napětí.

Na obr. 4 je znázorněn pohled na sestavu se zapojeným nízkootáčkovým motorem 15 připojeným k rotačnímu úložišti 18, do kterého je vkládána Petriho miska 19 s ozařovanou buněčnou kulturou. Stavitelným distančním prvkem 11 je možno v součinnosti se vzdáleností L jednotlivých LED diod 4 od sebe nastavovat ozařovací vzdálenost I.

Konstrukční provedení zdroje světla o rovnoměrné hustotě energie je konstruováno pro použití in vitro a zahrnuje kryt i světelného zdroje sestávající z horní části 16, a spodní části 17, ventilátor 9 s větracími otvory na výkrese nejsou znázorněny, světelný zdroj 3 a zdroj 2 napětí a dále úložiště 13. K horní části 16 krytu 1 světelného zdroje přiléhá ventilátor 9, zatímco v jeho spodní části 17 patice 12, vlastní světelný zdroj. Vlastní světelný zdroj tvoří pole 7 LED diod 4. Pole 7 LED diod 4 je osazeno na podložce 6, například čipu, plátku, desky z Cuprextitu nebo nejlépe na upravené patici 12 takovým způsobem, že není nutné LED diody 4 fixně připevnit v daném zapojení, ale díky konstrukci patice 12 je možné pouhé vysunutí a zasunutí jednotlivých LED diod 4 z kontaktů. Tímto je umožněna jejich jednoduchá výměna, též i změna ozařovacích parametrů pole 7 LED diod 4. Takto uzpůsobené pole 7 LED diod je poté možné použít v aplikacích s různými senzitízéry bez nutnost modifikace celého zdroje světla. Podložka 6, například patice 12 je uspořádána ve spodní části 17 krytu I světelného zdroje.

Rovnoměrné vyzařování světelného zdroje je dosaženo rovnoměrným rozložením pole 7 LED diod 4, přičemž LED diody 4 jsou uspořádány v konstantní vzdálenosti L vůči sobě a upevněny vyjímatelně v patici 12 upevněné na podložce. Všechny LED diody 4, které tvoří pole 7 jsou vzhledem k libovolně vybrané LED diodě 4 umístěny v konstantní vzdálenosti L ve vrcholech rovnostranného šestiúhelníku. LED diody 4 jsou s výhodou zapojeny do série po pěti v 17ti řadách 14, přičemž jsou tyto vůči sobě posunuty. Přitom počet LED diod 4 je dán požadovaným světelným výkonem a ozařovanou plochou. Řady 14 jsou dále připojeny přes rezistor 5 ke zdroji 2 napětí. Konstantní vzdálenost L mezi LED diodami 4 na podložce 6 má za důsledek vytvoření rovnostranných Šestiúhelníků. Homogenní vyzařovací plochy H lze pak docílit v závislosti na prostorovém úhlu emitování daného typu LED diod 4 (20°, 30° a dalších) použitím distančních prvků 11, na kterých je suvně uspořádáno úložiště 13. Podložka 6, v tomto případě patice 12, umožňuje použití různých LED diod 4 a dle jejich charakteristik pak pomocí rezistoru 5 nebo regulovatelného zdroje 2 napětí nastavit optimální hodnoty proudu a napětí pro dosažení homogenního ozáření objektu. Pro vytvoření pole 7 se použily LED diody 4 s čirým pouzdrem o poloměru 5 mm, jež emitují světlo na požadované vlnové délce v závislosti na použitém senzitizéru. LED diody 4 mají např. svítivost 7 cd při 20 mA a 3,5 V. Pro chlazení rezistoru 5, zapojeného ke zdroji 2 napětí je v horní části 16 krytu 1 světelného zdroje, umístěn ventilátor 9, který odsává teplý vzduch z horní části krytu 1 světelného zdroje.

Rovnoměrnost ozářené plochy H byla měřena radiometrem. Na základě výsledků byla stanovena optimální ozařovací vzdálenost, kdy je zajištěno rovnoměrné ozáření buněčné linie v ozařované Petriho misce 19. Ozařovací vzdálenost je závislá na vyzařovacím úhlu použitých LED diod 4.

Jako zdroj 2 napětí byl například použit adaptér (1000 mA, 12V, 20W) nebo laboratorní zdroj HY3OO3D. Fialovomodré LED diody 4 emitující záření o vlnové délce 417 nm byly použity z důvodu korelace s absorpčním spektrem senzitizéru. Použitým senzitizérem je porphyrin ZnTPPS_4l který má absorpční maximum v modré oblasti spektra (420 nm). Chelatace zinkem zvyšujejeho fototoxicitu.

Zdroje světla o rovnoměrné hustotě energie podle tohoto technického řešení lze použít pro PDT. Princip PDT spočívá v destrukci nádoru, způsobené nejčastěji tvorbou singletního kyslíku a jiných radikálů v nádorové tkáni, po ozáření světlem. Tento proces je umožněn díky tomu, že se

-4CZ 302829 B6 fotosenzibilizující látka selektivně vychytává v nádorové tkáni. Senzitizér je podáván intravenózně nebo subkutánně přímo do ložiska nádoru v případě terapie in vivo, při experimentech in vitro je senzitizér přidáván do růstového média k Petři ho misce. K ozáření ložiska musí dojít v době, kdy je v nádoru největší koncentrace senzitizéru. Vlnová délka aktivačního záření se pro maxi5 mál ní účinnost musí shodovat s absorpčním maximem senzitizéru.

Zdroje světla o rovnoměrné hustotě energie lze použít i pro léčbu akné. Při aplikaci na obličej pacienta lze připevnit zdroj světla ke směrovatelnému stojanu a použít jej k lokálnímu ozařování kůže postižené akné. Akné je běžné kožní onemocnění projevující se zánětem ve vývodu mazo10 vých žláz a postihuje zejména dospívající populaci. Způsobeno je zvýšenou produkcí mazu, poruchou rohovatění pokožky v oblasti vývodu mazových žláz a především bakterií Propionibacter acnes. P.acnes je anaerobní bakterie živící se kožním mazem. Mechanismus aplikace terapeutického účinku světlaje dvojí. Jedna možnost je využít faktu, že tyto bakterie přirozeně vylučují endogenní porphyriny (coproporphyrin UI.) a díky ozáření jsou tyto aktivovány a tak is způsobí smrt bakterií (za použití LED diod o vlnovém spektru 420±10 nm). Druhou možností je využití klasického mechanismu PDT, tedy kombinaci topikálně dodaného senzitizéru - kyseliny amonolevulové (ALA) a následného ozáření zdrojem světla v absorpčním maximum kyseliny aminoievulové (za použití LED diod o vlnové délce 630 nm).

Průmyslová využitelnost

Zdroje světla o rovnoměrné hustotě energie k navození fotodynamického jevu v buňkách pro využití in vitro polem LED diod emitujících záření o vlnové délce 417 nm lze použít pří fotody25 namické terapii v kombinaci s porphyrinem ZnTPPS₄ a ftalocyaninem ClAIPcSí a rovněž též pro léčbu akné (zdroje světla homogenního světelného výkonu k navození fotodynamického jevu v buňkách Acne vulgaris).

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

35 1. Zdroj světla (3) o rovnoměrné hustotě energie k navození fotodynamického jevu v buňkách in vitro sestávající z pole (7) sousedících povrchově emitujících LED diod (4) uspořádaných v hexagonálním tvaru, kde trojice sousedních LED diod (4) tvoří rovnostranný trojúhelník, vyznačující se tím, že má LED diody (4) upevněny na podložce (6), proti níž leží úložiště (13) uspořádané na distančních prvcích (11), přičemž od libovolně vybrané LED diody

40 (4) ležící mimo okraj pole (7) je vždy šest sousedních LED diod (4) uspořádáno v konstantní vzdálenosti L.
2. Zdroj světla podle nároku 1, vyznačující se tím, že konstantní vzdálenosti L mezi jednotlivými LED diodami (4) leží v intervalu od 1 do 9 mm.
3. Zdroj světla podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že má LED diody (4) vyjímatelně upevněny na podložce (6).
4. Zdroj světla podle nároků 1, 2 a 3, vyznačující se tím, že je pole (7) osazeno

50 LED diodami (4) emitujícími záření na vlnové délce 417 nm neboje pole (7) osazeno LED diody (4) emitující záření na vlnové délce 660 nm.
5. Zdroj světla podle nároku 1, vyznačující se tím, že úložiště (13) je stavitelně uspořádáno vůči podložce (6).

- 5 CZ 302829 B6
6. Zdroj světla podle nároku 5, vyznačující se tím, že k úložišti (13) je připojen pohon (15) k navození 2 až 15 otáček za minutu.