SK288148B6

SK288148B6 - Light source with luminous field homogeneity, especially for inducing and monitoring photodynamic phenomenon in vitro

Info

Publication number: SK288148B6
Application number: SK50030-2010A
Authority: SK
Inventors: Robert Bajgar; Hana Kolarova
Original assignee: Univerzita Palackeho
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2013-12-02
Also published as: CZ2009863A3; CZ302084B6; SK500302010A3

Abstract

Light source with luminous field homogeneity, especially for inducing and monitoring photodynamic phenomenon in vitro, wherein said light source comprises a body (1) adapted to place therein a bed (3) of a specimen to be analyzed and including a set of LEDs (5), wherein said LEDs (5) are disposed within the body (1) and are arranged in the form of a circle along the periphery of the bed (3), and namely in at least one horizontal plane, whereby they are directed toward the center skew downwards into the region (O) to be analyzed.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka usporiadania svetelného zdroja s homogénnosťou svetelného poľa, najmä na navodenie a monitorovanie fotodynamického javu in vitro, určeného predovšetkým na liečbu nádorových ochorení pomocou fotodynamickej terapie.

Doterajší stav techniky

Fotodynamická terapia (PDT) je vedľa chemoterapie, rádioterapie a imunoterapie ďalšou možnosťou liečby nádorového ochorenia. Ide o fotochemoterapiu, ktorá predstavuje kombinované použitie fotodynamickej aktívnej látky, t. j. senzibilizátora a svetla za prítomnosti kyslíka. Princíp tejto liečby nádorov je založený na celkovom alebo vonkajšom podaní fotodynamickej aktívnej látky s následným ožiarením ultrafialovými lúčmi (UVA) alebo viditeľným žiarením, t. j. svetlom. Fotosenzitizujúca látka sa po určitom čase selektívne akumuluje v nádore a potom je vykonané ožiarenie svetlom s vhodnou vlnovou dĺžkou zhodnou s absorpčným maximom senzibilizátora. Fyzikálnou podstatou fotodynamickej terapie je prenos energie alebo elektrónu z excitovanej molekuly senzibilizátora na molekulu kyslíka alebo iný substrát sprevádzaný vznikom reaktívnych foriem kyslíka alebo voľných radikálov. Doba života týchto produktov v bunkovom prostredí je veľmi krátka, pretože veľmi rýchlo reagujú s okolitými biomolekulami. Podľa závislosti od veľkosti takto navodených zmien v ich molekulárnej štruktúre a teda miery bunkového poškodenia, môže dôjsť k naštartovaniu viacerých bunkových procesov vedúcich k zániku bunky.

V predklinickej výskumnej fáze sa pri štúdiu efektívnosti tohto druhu terapie využívajú rôzne nádorové a nenádorové bunkové kultúry, kultivované napríklad na Petriho miskách. Ako zdroje svetelnej energie sa na aktiváciu senzibilizátora najčastejšie používa laserové alebo diódové svetlo. Na vytvorenie širšej ožarovacej plochy sa často umiestňuje medzi laserový lúč a skúmaný objekt optický difúzer. Zo svetla pochádzajúceho z LED diód je dosiahnuté osvetľovacie pole rôznym usporiadaním niekoľkých LED diód, vytvárajúcich rôznu mieru homogenity svetelného toku na aplikácie, tak na aplikácie in vivo, ako je opísané napríklad v dokumentoch KR20090055891, EP2044974, US2009088824, CN101214403, US2007239233, US2007225778, W002098508, W02005035058, WO9321842, ako aj na aplikácie in vitro, ako vyplýva z dokumentov DE102008008875, CZ 2006-813 Al alebo WO9321842. Usporiadanie diód v ožarovačoch je buď náhodné alebo v radoch s rovnakou, alebo rozdielnou vzájomnou vzdialenosťou.

Vhodné usporiadanie diód spojené so vznikom homogénneho svetelného poľa je riešené len v niekoľkých spisoch, napríklad vo W02005035058 alebo CZ 2006-813 Al, ktoré riešia problém homogenity pri ožarovaní zhora. LED diódy v týchto riešeniach sú usporiadané v hexagonálnom tvare, kde sú v konštantnej vzdialenosti proti sebe upevnené na podložke nad úložiskom. Analýza vzorky sa bežne vykonáva detekciou signálu pomocou detekčného zariadenia umiestneného nad vzorkou alebo pod vzorkou. Nevýhodou týchto riešení je, že analýzu výsledného účinku fotodynamickej terapie in vitro, t. j. stanovenie celkového množstva oxidované látky, je možné vykonávať až po určitom čase ožiarenia. Veľmi často používaným a obľúbeným detektorom je totiž chemická značka, ktorá sa po preniknutí do buniek a jej oxidácii premieňa na fluorescenčný produkt, ktorého celkový výťažok možno ľahko stanoviť pomocou komerčne dostupných fluorescenčných spektrofotometrov alebo readerov. Z dôvodu rýchlych fotofyzikálno-chemických zmien spojených so vznikom reaktívnych foriem kyslíka a samotnej autofotooxidácie detekčnej značky je žiaduce, aby meranie prebiehalo kontinuálne v čase.

Úlohou predkladaného vynálezu je predstaviť na využívanie taký svetelný zdroj, ktorý by bol konštrukčne pomerne jednoduchý, poskytoval svetlo s rovnomerným svetelným tokom a zároveň umožňoval kontinuálne monitorovanie produktov vzniknutých pri fotodynamíckom jave pomocou komerčne dostupných spektrofotometrov alebo readerov.

Podstata vynálezu

Stanovený cieľ je do značnej miery dosiahnutý vynálezom, ktorým je svetelný zdroj s homogénnosťou svetelného poľa, najmä na navodenie a monitorovanie fotodynamického javu in vitro, tvorený telesom upraveným na umiestnenie úložiska analyzovanej vzorky a obsahujúci súpravu LED diód. Podstata riešenia je v tom, že LED diódy sú osadené v telese do kruhu po obvode úložiska minimálne v jednej horizontálnej rovine, pričom sú smerované do stredu šikmo nadol do analyzovanej oblasti (O).

Vo výhodnom uskutočnení sú LED diódy v telese vyberateľné osadené a v stredovej časti telesa je vytvorené kruhové vybranie, ktorého dno má priechodný otvor s obvodovým osadením na umiestnenie úložiska analyzovanej vzorky, pričom v bočných stenách vybrania sú osadené pätice na upevnenie LED diód.

SK 288148 Β6

V optimálnom prípade sú LED diódy rozmiestnené po obvode vybrania a paralelne zapojené, pričom spojovacie vodiče ich pätíc sú vyvedené bočné mimo telesa.

Hlavnou výhodou nového konštrukčného riešenia svetelného zdroja je, že umožňuje kontinuálne monitorovanie produktov vznikajúcich pri fotodynamickom jave. Ďalšou výhodou je, že LED diódy sú ľahko vyberateľné a že len vysunutím a zasunutím je možné tieto jednoducho vymeniť za iné LED diódy s inými vyžarovacími charakteristikami. Nezanedbateľnými prednosťami zariadenia je jeho nízka obstarávacia cena, malé rozmery a minimálna energetická náročnosť prevádzky.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Konkrétny príklad konštrukčného uskutočnenia svetelného zdroja je objasnený pomocou priložených výkresov, kde:

obr. 1 je pohľad na svetelný zdroj zhora, obr. 2 je vertikálny osový rez svetelným zdrojom z obr. 1, obr. 3 je schéma elektrického zapojenia LED diód, obr. 4 je pohľad na svetelný zdroj zhora so znázornením rozloženia analyzovaných oblastí, obr. 5 je schéma na výpočet minimálnych horizontálnych vyžarovacích uhlov (γ) LED diód na dosiahnutie maximálnej homogenity svetelného poľa pre zvolenú analyzovanú oblasť.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Svetelný zdroj podľa vynálezu je v základnom uskutočnení podľa obr. 1 a obr. 2 tvorený doskovitým telesom I, výhodne obdĺžnikového tvaru, v stredovej časti ktorého je vytvorené kruhové vybranie 2, ktorého dno 21 je vybavené priechodným otvorom 22 s obvodovým osadením 23 na umiestnenie úložiska 3 analyzovanej vzorky, napríklad Petriho misky. V bočných stenách 24 vybrania 2 sú osadené pätice 4 s LED diódami 5 smerované do stredu šikmo nadol. Pätice 4 i LED diódy 5 sú pravidelne rozmiestnené po obvode vybrania 2 a sú paralelne zapojené podľa zobrazenia na obr. 3, pričom spojovacie vodiče 41, ich pätíc 4 sú vyvedené bočné mimo telesa L

Na dosiahnutie rovnomerného dopadu svetla zo sústavy LED diód 5 na zvolenú snímanú analyzovanou oblasť O s priemerom g, znázornenú na obr. 4, je nutné dodržať minimálny horizontálny vyžarovací uhol y, ktorého veľkosť je vypočítaná zo vzorca:

γ = 2 x arctg g/2 ^,2+ s² a pre výpočet minimálneho vertikálneho vyžarovacieho uhlu g platí vzorec:

s² + r(r —g)/4 a = 2 x arccos

V(i72)² + s² V(r-g)²/4 kde: g/2 - je polomer analyzovanej oblasti O, r/2 - je vzdialenosť medzi priemetom vrcholu vyžarovacieho kužeľa LED diódy 5 do roviny analyzovanej oblasti O a stredom tejto oblasti, s - je vzdialenosť medzi vrcholom vyžarovacieho kužeľu LED diódy 5 od jeho priemetu do roviny analyzovanej oblasti O.

Objasňujúce schémy na výpočet minimálnych vyžarovacích uhlov a,jy LED diód 5 vo vertikálnom a horizontálnom smere sú ďalej znázornené na obr. 2 a obr. 5.

Účinnosť a funkčnosť svetelného zdroja bola testovaná pre súčasne komerčne vyrábané vysoko svietivé LED diódy 5 s priemerom 3 a 5 mm s vyžarovacími uhlami v rozmedzí hodnôt 15° až 175° a s emitáciou žiarenia v rozsahu vlnových dĺžok 300 - 1100 nm. Na usporiadanie poľa 24 diód podľa obr. 1 s vyžarovacím vrcholom vo vzdialenosti r/2 = 25 mm od stredu vzorkovanej oblasti O bola vytvorená homogénne ožiarená plocha na detekčné oblasti O o priemere g = 19,6 mm obsahujúce štyri kruhové oblasti s priemerom m = 6,8 mm, pričom sa použilo nastavenie analyzátora na čítanie z 96-tich jamkových rozbory doštičiek. Pre vyžarovací uhol LED diód 5 vo vertikálnom smere bola optimálna hodnota uhla minimálne γ = 42,2 a pre vyžarovací uhol v horizontálnom smere minimálne a = 12,6°.

SK 288148 Β6

Pri potrebe dosiahnutia homogénneho osvetlenia väčšej oblasti vzorky, napríklad s priemerom 35 mm u Petriho misiek, bolo nutné vybrať LED diódy 5 s minimálnym vyžarovacím uhlom γ = 87,2°.

Na navodenie fotodynamického javu v bunkách možno potom využiť podľa závislosti od použitého senzibilizátora rôzne LED diódy 5 odlišujúce sa v spektre vyžarovaných vlnových dĺžok tak, ako je opísané v spise CZ 2006-813 Al.

Opísané uskutočnenie nie je jediným možným riešením podľa vynálezu, lebo bez vplyvu na jeho podstatu môže byť riešená vlastná konštrukcia telesa 1 iným spôsobom a môže byť použitý iný počet LED diód 5 podľa veľkosti vzorkovanej oblasti O. LED diódy 5 nemusia byť pritom usporiadané iba v jednej horizontálnej rovine, ale na väčšie analyzované oblasti O a pri potrebe dosiahnutia väčšej svetelnej intenzity môžu byť umiestnené v niekoľkých radoch nad sebou.

Priemyselná využiteľnosť

Svetelný zdroj podľa vynálezu možno použiť na sledovanie fotodynamických zmien metódami in vitro, najmä na fotodynamickú terapiu, ktorá sa používa na deštrukciu nádorových buniek pomocou singletového kyslíka a iných radikálov vznikajúcich v nádorovom tkanive po jej ožiarení svetlom.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Svetelný zdroj s homogénnosťou svetelného poľa, najmä na navodenie a monitorovanie fotodynamického javu in vitro, tvorený telesom (1) upraveným na umiestnenie úložiska (3) analyzovanej vzorky a obsahujúcim súpravu LED diód (5), vyznačujúci sa tým, že LED diódy (5) sú osadené v telese (1) do kruhu po obvode úložiska (3) minimálne v jednej horizontálnej rovine, pričom sú smerované do stredu šikmo nadol do analyzovanej oblasti (O).

2. Svetelný zdroj podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že LED diódy (5) sú v telese (1) vyberateľné osadené.

3. Svetelný zdroj podľa nárokov la 2, vyznačujúci sa tým, že v stredovej časti telesa (1) je vytvorené kruhové vybranie (2), ktorého dno (21) má priechodný otvor (22) s obvodovým osadením (23) na umiestnenie úložiska (3) analyzovanej vzorky, pričom v bočných stenách (24) vyberania (2) sú osadené pätice (4) na upevnenie LED diód (5).

4. Svetelný zdroj podľa nároku 3,vyznačujúci sa tým, že LED diódy (5) sú rozmiestnené po obvode vybrania (2) a paralelne zapojené, pričom spojovacie vodiče (41) ich pätíc (4) sú vyvedené bočné mimo telesa.