Khảo sát phổ hấp thu và phổ tán xạ ngược của laser công suất thấp lên mô sinh học bằng phương pháp monte carlo

TÓM TẮT Trên cơ sở các nghiên cứu ứng dụng của phương pháp trị liệu quang động liên quan đến phân bố liều trong mô và phương pháp chẩn đoán cắt lớp tán xạ DOT, phương pháp quang phổ cận

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHẢO SÁT PHỔ HẤP THU

VÀ PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC CỦA LASER CÔNG SUẤT THẤP LÊN MÔ SINH HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH 01/2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH QUANG LINH

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 27 tháng 01 năm 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Độc Lập- Tự Do- Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày 27 tháng 01 năm 2011

NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: MAI THÁI CHÂU Phái: nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10-04-1981 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

MSHV: 09120621

KHẢO SÁT PHỔ HẤP THU VÀ PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC

CỦA LASER CÔNG SUẤT THẤP LÊN MÔ SINH HỌC

BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

a Khảo sát tổng quan các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về tương tác photon năng lượng thấp với mô sinh học

b Khảo sát cơ sở l í thuyết về sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong

mô sinh học, và phương pháp mô phỏng Monte Carlo

c Mô phỏng sự lan truyền của chùm laser công suất thấp làm việc ở các bước

sóng : 630nm, 780nm, 850nm, 940nm ở vùng não bị xuất huyết và vùng vú

có khối u; khảo sát phổ hấp thụ và phổ tán xạ ngược

d Rút ra những kết luận về ứng dụng

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Tiến sĩ Huỳnh Quang Linh đã hướng dẫn nghiên cứu khoa học, hỗ trợ tài liệu và chỉ dẫn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em xin chân thành cám ơn các thầy cơ đã giảng dạy ở chương trình cao học, đặc biệt là các thầy cơ ở Bộ mơn Kỹ thuật Y sinh giúp em cĩ nhiều kiến thức hữu ích cĩ liên quan đến đề tài

Tơi xin cám ơn các bạn học khĩa 2009 – 2011 đã trao đổi, gĩp ý về đề tài Tơi xin cám ơn các thành viên trong gia đình đã tạo mọi điều kiện, động viên tơi hồn thành luận văn này

Dù đã rất cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi sai sót, xin được học hỏi những lời chỉ dẫn của quí thầy cơ vả các bạn

Mai Thái Châu

đ

TÓM TẮT

Trên cơ sở các nghiên cứu ứng dụng của phương pháp trị liệu quang động (liên quan đến phân bố liều trong mô) và phương pháp chẩn đoán cắt lớp tán xạ (DOT), phương pháp quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) (liên quan đến tính chất

và phân bố tán xạ ngược), đề tài thực hiện khảo sát đánh giá phân bố năng lượng cũng như phân bố photon trong không gian tán xạ ngược bằng cách ứng dụng phương pháp Monte Carlo mô phỏng tương tác của photon năng lượng thấp trong

mô hình cấu tạo mô của não và của tuyến vú, đối tượng nghiên cứu chính của các

phương pháp trị liệu trên Trên cơ sở kết quả mô phỏng, đề tài đã xác lập các kết luận mang tính cơ sở cho những ứng dụng trên và đánh giá đề xuất những khả năng ứng dụng hiệu quả

2.1 Tổng quan về tương tác của laser công suất thấp với mô sinh học

2.1.1 Lịch sử phát triển của laser công suất thấp

2.1.2 Cơ chế tương tác của laser với mô sinh học

2.1.2.1 Quang thụ thể của laser

2.1.2.2 Các biến đổi ở mức phân tử

2.1.2.3 Biến đổi ở mức tế bào

2.1.2.4 Đáp ứng ở mức hệ thống và cơ thể

2.1.2.5 Định luật Grotthuss-Drapper và định luật stark-Einstein

2.1.3 Tác dụng của chùm laser trong điều trị

2.1.3.1 Tác dụng giảm đau

2.1.3.2 Tái tạo mô

2.1.3.3 kháng viêm

2.1.3.4 Tăng cường hệ miễn dịch

2.1.3.5 Tác dụng lên mô sẹo

2.1.4 Phương pháp quang động (PDT)

2.1.4.1 Lịch sử phát triển của phương pháp quang động

2.1.4.2 Cơ chế vật lí của phương pháp quang động

2.2.2.1 Hiện tượng hấp thu

2.2.2.2 Hiện tượng tán xạ

2.2.2.3 Hiện tượng khúc xạ

2.2.3 Tán xạ Mie

2.2.4 Tán xạ Rayleigh

2.2.5 Phương trình bức xạ truyền qua (RTE)

2.3 Mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học

2.3.1 Phương pháp Monte Carlo

2.3.2.2 Xác định đường đi của photon

2.3.2.3 Xác định hướng chuyển động mới của photon

2.3.2.4 Xác định vị trí mới của photon

2.3.2.5 Năng lượng hấp thu

3.2 Hướng phát triển của đề tài

Tài liệu tham khảo

Phụ Lục

1.1 Giới thiệu

Laser công suất thấp ứng dụng trong y học hiện nay đã được nghiên cứu và

sử dụng ở nhiều nước trên thế giới Các lĩnh vực ứng dụng của laser công suất thấp trong ứng dụng y khoa rất đa dạng, điển hình:

- Trong chẩn đoán: phương pháp chụp cắt lớp quang học tán xạ (Difused Optical Tomography – DOT) phát hiện các khối ung thư nhỏ, phương pháp chụp cắt lớp quang học kết hợp (Optical Coherent Tomography – OCT) khảo sát các vi cấu trúc của mô sống, phương pháp chụp ảnh tán xạ ngược phát hiện nhanh các vị trí xuất huyết trong chấn thương não, phương pháp chụp ảnh quang phổ cận hồng ngoại (Near Infrared Radiation Spectroscopy – NIRS) khảo sát chức năng hoạt động thần kinh vv…

- Trong điều trị: phương pháp trị liệu quang động (Photodynamic Therapy – PDT) ứng dụng điều trị ung thư dựa vào kích hoạt hoạt tính các chất cảm quang, phương pháp quang trị liệu bằng laser công suất thấp (Low Level Laser Phototherapy – LLLPT) điều trị nhiều bệnh chứng đa dạng dựa vào cơ chế kích thích sinh học của laser, vv…

Trong lĩnh vực điều trị, việc nghiên cứu ứng dụng laser công suất thấp trong y học tại Phòng thí nghiệm Công nghệ laser, trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM được triển khai theo ba hướng:

- Trị liệu bằng laser: nghiên cứu tác động của chùm laser, của hiệu ứng đa bước sóng lên các tổn thương nằm sâu trong mô và trên bề mặt da Đây là kỹ thuật đơn giản và phổ biến nhất trong ba lĩnh vực ứng dụng laser công suất thấp trong điều trị

- Laser nội tĩnh mạch: nghiên cứu tác động của chùm laser trực tiếp lên máu và hệ tuần hoàn, cải thiện chất lượng huyết học và tăng cường tác động dẫn thuốc vv…

- Laser châm cứu: nghiên cứu sự tác động của chùm laser lên các huyệt kinh điển trong châm cứu cổ truyền phương đông kết hợp tác dụng quang trị liệu nhằm đạt hiệu quả cao trong điều trị

Do ứng dụng của laser công suất thấp trong y học có tính đa dạng phức hợp như vậy, việc nghiên cứu cơ bản sự tương tác laser công suất thấp với mô sống thật sự rất cần thiết nhằm tạo cơ sở khoa học mang tính phương pháp luận để lý giải và nâng cao hiệu quả các ứng dụng trên Lĩnh vực nghiên cứu cơ bản này tựu trung gồm ba hướng chính:

- Mô phỏng sự lan truyền của chùm laser trong mô, với các thông số quang học của mô đo bằng thực nghiệm Từ việc mô phỏng có thể tính được phân bố bức

xạ phản xạ khuyếch tán và sự phân bố năng lượng ở bên trong mô

- Xác định phần tử cảm quang trong tế bào bằng phương pháp thực nghiệm

và từ đó suy ra cơ chế tương tác

- Đo các thông số quang học của mô sống và sự thay đổi các chất hóa học trong mô khi chiếu tia bằng phương pháp thực nghiệm

Với tổng quan trên cũng như với hướng ứng dụng cụ thể của Trường Đại học Bách khoa, cũng như tận dụng khả năng mô phỏng bằng máy tính, Bộ môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh đã đề ra hướng nghiên cứu liên quan đến việc khảo sát tính chất phân bố của bức xạ photon năng lượng thấp trong mô sống nhằm có hình dung tổng quát về cơ sở khoa học của các ứng dụng khác nhau, cũng như các lý giải phù hợp cho các ứng dụng cụ thể

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

Trên cơ sở các nghiên cứu ứng dụng của phương pháp trị liệu quang động (liên quan đến phân bố liều trong mô) và phương pháp chẩn đoán cắt lớp tán xạ (DOT), phương pháp quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) (liên quan đến tính chất

và phân bố tán xạ ngược), đề tài đặt mục tiêu khảo sát đánh giá phân bố năng

lượng cũng như phân bố photon trong không gian tán xạ ngược bằng cách ứng dụng phương pháp Monte Carlo mô phỏng tương tác của photon năng lượng thấp trong mô hình cấu tạo mô của não và của tuyến vú, đối tượng nghiên cứu

chính của các phương pháp trị liệu trên

Với mục tiêu trên, các nhiệm vụ chính đươc đề ra như sau:

1.2.2 Nhiệm vụ của đề tài

• Khảo sát tổng quan lý thuyết về tương tác photon năng lượng thấp với mô sinh học

• Khảo sát cơ sở l í thuyết về mô phỏng sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô sinh học bằng phương pháp Monte Carlo

• Mô phỏng sự lan truyền của chùm laser công suất thấp làm việc ở các bước sóng đặc trưng ở vùng não bị xuất huyết và vùng vú có khối u và khảo sát phổ hấp thụ và phổ tán xạ ngược của hai trường hợp này

• Rút ra những kết luận và đánh giá khả năng ứng dụng trong các phương pháp để ra

Chương 2 : Phần tổng quan

2.1 Tổng quan về tương tác của laser công suất thấp với mô sinh học

2.1.1 Lịch sử phát triển của laser công suất thấp

LASER là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Anh Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, nghĩa là “sự khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ cưỡng bức” Laser chính là ánh sáng theo nghĩa sóng điện từ với khoảng bước sóng - tần số nằm trong khoảng tử ngoại - nhìn thấy - hồng ngoại Lịch sử laser khởi đầu từ nhà khoa học lừng danh Albert Einstein, người đã đưa ra lí thuyết phát bức xạ cưỡng bức năm 1916 Công trình đầu tiên liên quan với khuyếch đại bức xạ điện từ là MASER, tức là sự khuyếch đại vi sóng (microwave) thay cho ánh sáng (light) Vào năm 1955, hai nhà khoa học của Nga là Basov và Prokhorov cùng với nhà khoa học Mỹ Townes chỉ ra rằng có thể tạo bức xạ cưỡng bức ở vùng quang học, từ vùng phổ sóng điện từ có năng lượng cao hơn vùng vi sóng rất nhiều Công trình này đã tạo ra cuộc chạy đua trong việc phát triển các thiết bị gọi là maser quang học Năm 1960 Theodore Maiman (Mỹ) đã chế tạo thành công một thiết bị như thế dùng hồng ngọc tổng hợp làm môi trường phát xạ Sau đó nhiều loại thiết

bị khác cũng xuất hiện Tuy nhiên cho đến năm 1965, thuật ngữ laser mới được dùng phổ biến thay cho thuật ngữ maser quang học

Trong y học tùy thuộc vào công suất phát mà người ta phân laser thành hai loại:

- Laser công suất cao (hay laser cứng, laser nhiệt) công suất phát cỡ W, sinh ra các hiệu ứng nhiệt và tạo ra rất nhiều phương pháp điều trị can thiệp khác nhau trong y học

- Laser công suất thấp (hay laser mềm, laser không nhiệt) công suất phát cỡ

mW, chủ yếu sinh ra hiệu ứng kích thích sinh học và do đó thường được sử dụng trong vật lí trị liệu

Năm 1961 laser khí HeNe (helium neon) là loại laser công suất thấp duy nhất tại Mỹ được nghiên cứu để ứng dụng trong điều trị

Năm 1962 laser GaAs (gallium asenide) là loại laser bán dẫn đầu tiên được chế tạo và là loại laser công suất thấp thứ hai được triển khai nghiêm cứu trong y học tại Hoa Kỳ

Năm 1967 hiệu ứng kích thích sinh học của tia laser công suất đã được công bố bởi GS E.Mester (Hungary) [4]

Hiện nay laser công suất thấp đã được nghiên cứu và sử dụng ở nhiều nước trên thế giới như Anh, Pháp, Đức, Thụy Điển, Canada, Việt Nam, Trung Quốc…với hơn 3000 công trình công bố về ứng dụng laser công suất thấp trong điều trị

Một số công trình mô phỏng sự lan truyền của chùm laser công suất thấp trong mô sinh học bằng phương pháp Monte Carlo:

- M.Hulsbusch, D.Holscher, and V.Blazek [5] dùng mẫu mô ảo để mô phỏng đặc tính quang học của mô trong vùng phổ ánh sáng khả kiến và vùng hồng ngoại gần Bằng nhiều sensor ở các độ sâu khác nhau, công trình thực hiện đánh giá và định lượng lưu lượng dòng máu

- X.Wang, LV.Wang, CW.Sun, CC.Yang [6] lần đầu tiên công bố công

trình mô phỏng sự lan truyền ánh sáng phân cực trong môi trường chất bẳng phương pháp Monte Carlo và so sánh với thực nghiệm Chương trình đã trở thành công cụ chuẩn ứng dụng trong bài toán mô phỏng trong lĩnh vực này

- J.Qin và R.Lu [8] đã thực hiện mô phỏng dao động sóng truyền trong quả táo ở bước sóng 500 – 1100 nm và so sánh với l ý thuyết khuếch tán qua mẫu với

dữ liệu thực tế

- R.Eze, S.Kumar, N.Elkouh, P.Sorenson và R.Hill [11] dùng phương pháp

Monte Carlo truyền thống với những thông số mới để mô phỏng bức xạ truyền qua các lớp mỏng Các kết quả được dùng trong các ứng dụng chẩn đoán và điều trị bằng laser y học và laser nội khoa

- T.Binzoni, TS.Leung, AH.Gandjbakhche và DT.Delpy [12] dùng mô phỏng Monte Carlo xác định các thông số quang sinh học của mô sinh học ứng dụng lý thuyết tán xạ Mie thông qua hàm Henyey–Greenstein để tính được góc đi ngẫu nhiên của photon sau khi va chạm

- S.A.Prahl, M.Keijzer, S.L.Jacques, A.J.Welch [13] thực tế đã đưa ra mô

hình và chương trình phổ biến nhất để mô phỏng sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô, với sự hoàn chỉnh về tán xạ của photon ở các biên khi mô phỏng cho môi trường không đồng nhất

- SL Jacques trong [15] tổng kết các nhận thức trong lĩnh vực qua sự khảo sát đặc tính quang học của mô và tương tác của nó với ánh sáng, xác định nơi photon tác động đến mô để chẩn đoán bệnh, nghiên cứu phổ của mô và vật liệu sinh học

- A.Kienle, F.K.Forster, and R.Hibs [16] nghiên cứu tính bất đẳng hướng của photon năng lượng thấp khi lan truyền trong mô sinh học Những mô được sắp xếp theo vi cấu trúc hình trụ Tác giả đã dùng phương pháp Monte Carlo, dùng hàm pha cho hình trụ dài vô hạn để mô phỏng giải thích các kết quả trong thực nghiệm, xác định đặc tính quang học của mô dùng cho việc chẩn đoán sớm các bệnh

- Traàn Thị Ngọc Dung và Trần Minh Thái [2] mô phỏng tương tác của tia laser bán dẫn làm việc ở dải sóng hồng ngoại gần với công suất thấp lên mô sống,

mô phỏng sự lan truyền chùm laser công suất thấp trong da và não ở các bước sóng 633nm, 780nm, 850nm và 940nm Kết quả mô phỏng giúp lý giải cơ sở khoa học một số thiết bị quang châm quang trị liệu bằng laser và chấn đoán hình ảnh

2.1.2 Cơ chế tương tác của laser với cơ thể sống

Như một tác nhân quang học với nhiều đặc trưng nổi bật, khi tương tác với đối tượng sinh học, bức xạ laser cần được xem xét trên các khía cạnh sau đây:

Thay đổi ở mức hệ thống và cơ thể Thay đổi ở mức bào quan và tế bào Thay đổi ở mức phân tử Thụ thể quang học Ánh sáng laser

2.1.2.1 Quang thụ thể của laser

Có năm nhóm quang thụ đã được khám phá hay giả định là:

2) Các liên kết hydro: loại liên kết có vai trò sống còn trong cấu trúc hóa và chức năng hóa các hoạt động sống Có ba lý do cơ bản dẫn đến giả định trên: (a) năng lượng của liên kết là 3-7 kcal/ mol, tương đương với năng lượng của photon vùng hồng ngoại, vùng phổ của laser bán dẫn; ( b) dùng ở chế độ mật độ công xuất thấp, lasre CO2 có tác dụng kích thích sinh học Nằm ở vùng hống ngoại xa, loại lasre

này chỉ có chất hấp thụ đặc trưng là nước; (c) nghiên cứa phổ cộng hưởng từ cho thấy, chính liên kết hydro hấp thụ các photon laser

3) Oxy phân tử trong tổ chức sinh học [7]: được xem là loại quang thụ thể thức ba, dựa trên nghiên cứa của Zakharov năm 1990, dùng lasre bán dẫn phổ liên tục tác động lên tính đàn hồi màng hồng cầu trong ống nghiệm Modlu đàn hồi mạng hồng cầu thay đổi tại những bước sóng đặc trưng cho các dịch chuyển giữa các trạng thái lượng tử của oxy phân tử ( các bước sóng 640,660,760,1260 nm) Khi khử oxy, tác dụng mất ngay lập tức

4) Các enzym: nhiều hệ enzym trong cơ thể củng là quang thụ thể đối với ánh sáng laser, điển hình là các enzyme kháng oxy hóa như superoxide ( SOD) hay catalase Chẳng hạn với cực đại hấp thụ tại 628 nm, catalase chính là quang thụ thể của laser HeNe

5) Một số thụ thể khác: các kích thích kết hợp ( coherent excitation ) cũng được xem là một dạng quang thụ thể, mặc dù vấn đề còn đang được thảo luận

2.1.2.2 Các biến đổi ở mức phân tử

Dưới tác dụng của bức xạ laser, do sự thay đổi cấu hình ,mà xuất hiện sự tăng nhiệt độ cục bộ trong phạm vi quang thụ thể Nghiên cứu phổ phát quang trên

bề mặt tổ chức sinh học với ánh sáng thông thường từ một nguồn sáng điểm, sự chênh nhiệt độ chỉ là 1-20k/cm, trong khi với nguồn laser 5 mW, nó đạt tới 3000K/

cm Điều đó cho thấy, dưới tác dụng của laser, tổ chức sinh học đã biến đổi sau sắc

về mặt siêu cấu trúc

Một dạng biến đổi khác là tạo oxy singlet và gốc tự do H2 O2 Dưới tác dụng của laser, oxy phân tử trong tổ chức sinh học biến thành gốc tự do oxy singlet có hoạt tính sinh học cao, dẫn tới việc tạo gốc tự do H2O2 Gốc tự do này điều hòa các

khử của tế bào

Một kiểu biến đổi ở mức phân tử nữa là thay đổi số lượng liên kết hydro và

do đó cấu hình phân tử Việc các tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân, biểu hiện của hệ thống liên kết hydro, thay đổi liên tục dưới tác dụng của laser cho thấy, ánh sáng laser lam thay đổi số lượng liên kết hydro, và do đó cấu hình các đại phân tử sinh

học Việc các enzyme bị khử hoạt hóa bằng pH chịu tác động rất mạnh của laser, trong khí enzyme bình thường hầu như không bị tác động cũng cho thấy điều đó

Ngoài ra hiệu ứng áp điện nghịch ( bức xạ laser, với tư cách một tín hiệu điện từ, có thể làm các cấu trúc tinh thể áp điện cơ thể biến đổi về mặt cấu hình, dẫn tới những thay đổi trong sinh học) hay các trạng thái kích thích tập thể cũng

có thể xem là những biến đổi ở mức phân tử dưới tác dụng của laser

2.1.2.3 Biến đổi ở mức tế bào

Ở mức tế bào laser có thể gây nhiều biến đổi quan trọng như tinh thể hóa nội bào, biến đổi bào quan hay thay đổi chuyển hóa tế bào

Rõ nhất là tác dụng lên quá trình polymer hóa, tinh thể hóa bộ khung tế bào, khi sau30 phút chiếu laser, cấu trúc bộ khung tế bào đã thay đổi một cách đặc trưng (hình 2.1) Điều đó tất yếu dẫn tới những biến đổi ở cấu trúc bào quan hay ở tương tác gian bào

Hình 2.1 Tế bào nuôi cấy bình thường (a) và sau 30 phút chiếu tia laser (b)

Những thay đổi chuyển hóa tế bào sau đây thường được nhắc tới trong các nghiên cứu đã công bố:

1) Thay đổi động học sao chép

2) Giải phóng các chất trung gian hóa học

3) Kích thích sinh tổng hợp ATP

4) Kích thích sinh tổng hợp axit nhân

5) Kích thích sinh tổng hợp protein ( hình 2.2)

6) Kích thích phân chia và di cư tế bào

7) Thay đổi trạng thái oxy hóa khử

Hình 2.2 Tăng tổng hợp AND, ARN và ở ti thể bình thường (gạch chéo) và chiếu tia tia laser(ô vuông)

2.1.2.4 Đáp ứng ở mức hệ thống và cơ thể

Do những thay đổi ở mức tế bào như đã trình bày, laser ra nhiều biến đổi ở mức các hệ thống chức năng và ở mức cơ thể toàn vẹn Các loại hình đáp ứng sau thường được nhắc tới trong các tư liệu nước ngoài:

Những đáp ứng trên là cơ sở cho việc ứng dụng laser công suất thấp trong điều trị, với ba kỹ thuật cơ bản là laser, chiếu ngoài, laser nội mạch và laser châm cứu

2.1.2.5 Định luật Grotthuss-Drapper và định luật Stark-Einstein

Ngoài ra tương tác của laser công suất thấp với mô sóng phải tuân theo hai

định luật của Grotthuss-Drapper và Stark-Einstein được phát biểu như sau:

- Định luật Grotthuss-Drapper (định luật quang hóa 1): để phản ứng hóa học

có thể xảy ra thì ánh sáng phải được hấp thu bởi chất hóa học

- Định luật Stark-Einstein (định luật quang hóa 2): Khi mỗi photon hấp thu ánh sáng, chỉ có một phân tử được kích hoạt cho phản ứng quang hóa

2.1.3 Tác dụng của laser công suất thấp trong điều trị

Tác dụng nổi bật của laser công suất thấp trong trị liệu là tác dụng giảm đau

và tái tạo mô, mặc dù cơ chế chính xác còn đang được tìm kiếm Ngoài ra còn có các tác dụng khác như kháng viêm, tăng cường hệ miễn dịch, mô sẹo và một số tác dụng sinh lý khác

2.1.3.1 Tác dụng giảm đau

Laser công suất thấp hiệu quả trong giảm đau, thường là qua tác dụng lên

thần kinh ngoại biên Rochkind và đồng sự, 1987, tạo tổn thương cấp trên thân

kinh chuột cống và điều trị bằng laser HeNe 10J/cm2 bằng kỹ thuật qua da dọc thần kinh thông Thế hoạt động do kích thích điện được đo dọc thần kinh tổn thương và được so sánh với nhóm chứng ( không chiếu laser) trong thời gian 1 năm Trong 20 ngày đầu tiên, biên độ điện thế nhóm laser lớn hơn nhóm chứng 43% Sau 1 năm, mọi dây thần kinh chiếu laser đều có điện thế bằng hay lớn hơn điện thế trước tổn thương, trong khi nhóm chứng vẫn còn trong quá trình hồi phục [9]

Theo [10] việc tăng cường β -u, chất ma túy nội sinh sau khi chiếu tia laser

đã được công bố trong nhiều công trình,là tác nhân giảm đau,do tác dụng việc ngăn chặn việc khử phân cực ở sợi thần kinh hướng tâm C (C-fiber afferent nerves) và làm tăng điện thế hoạt động Điện thế màng tế bào của thần kinh khỏe mạnh ở khoảng 70mV và kích hoạt ở khoảng -20mV Điện thế màng tế bào của

thần kinh bị bệnh khoảng -20mV ,do đó gây kích thích cảm giác đau Laser công suất thấp có thể trả điện thế về giá trị bình thường là -70mV

Laser công suất thấp có thể dùng theo nhiều cách để điều trị đau cấp và đau mãn Sau khi tìm hiểu bệnh sử, toàn bộ vùng tổn thương cần được chiếu laser với liều lượng thích hợp Bảng 2.1 đưa ra một số chỉ định cụ thể Lưu ý là các tham gia

số tại Mỹ, nên liều lượng có thể nhỏ hơn tại các nơi khác Khi chiếu điểm trigger, quang sợi hay đầu phát laser cần tiếp xúc da và vuông góc với tổ chức được chiếu Khi điều trị trên khớp, người bệnh cần được đặt trong tư thế sao cho laser có thể xuyên thấm tới các vùng bên trong khớp

Tác dụng của laser giảm đau có thể được tăng nếu dùng với kích thích điện Đôi khi bệnh nhân thấy đau tăng sau một vài lần điều trị, đó là phản ứng bình thường của cơ thể ( hiện tượng xuất giả) Cần tiếp tục liệu trình điều trị để xác định chính xác xem laser có hiệu quả trong trường hợp đó hay không

Bảng 2.1 Một số chỉ định cụ thể của quy trình trị đau

GaAs GaAs

HeNe HeNe

GaAs GaAs GaAs

1-3J/cm21-2J/cm2

0.1-0.2J/cm2 0.2-0.5J/cm2

0.5-1J/cm24J/cm2

0.5-0.1J/cm2 0.5-1/cm20.5-1J/cm2

2.1.3.2 Tái tạo mô

Mester là người đầu tiên tiến hành hàng loạt các nghiên cứu trên hai loại laser vùng nhìn thấy: laser ruby, bước sóng 694.3 n m, và laser HeNe, bước sóng 632.8 nm Trên tế bào người nuôi cấy in vitro, sự phân chia nguyên bào sợi gia tăng rõ rệt dưới tác dụng của laser, dẫn tới tăng sản các tổ chức liên kết Abergel

và cộng sự, 1987, dùng NeHe và GaAs bước song 904 nm chiêu nguyên bào sợi da

người nuôi cấy đã làm tăng lượng procollagen gấp ba lần Tác dụng thể hiện rõ nhất sau 3-4 ngày chiếu hơn là chiếu một lần Các mẫu tổ chức cho thấy cả tăng vật liệu nội bào và tăng kích thước ti thể Hơn nữa nghiên cứu hình thái học các tế bào không hề bị phá hủy hay bị thương tổn dưới tác động của laser công suất thấp Chuyển hóa tế bào, nhất là hoạt tính AND và ARN, củng được lưu tâm nghiên cứu Nhờ kỹ thuật đánh dấu phóng xạ, thấy laser gia tăng tổng hợp axit nhân và phân chia tế bào, và việc tăng sản xuất collagen là do những biến đổi ở mức sao chép Trong một nghiên cứu tiền phong năm 1971, Mester tạo ra các vết thương cơ học và bỏng trên lưng chuột nhắt Những vết thương tương tự trên cùng động vật được dùng để đối chứng, trong khi vết thương thực nghiệm được chiếu laser ruby liều khác nhau Mặc dù không có sự khác nhau về hình thái giữa hai loại vết thương, những vết thương chiếu laser lành nhanh hơn rõ rệt, nhất là với liều 1J/cm2 Hơn nữa chiếu lặp lại hiệu quả hơn chiếu một lần

Nhiều nghiên cứu khác đã được tiến hành sau đó, với kết quả trái ngược nhau Tuy nhiên Mester, 1985, đã chỉ ra rằng, tác dụng hệ thống gián tiếp có thể là lời giải đáp Khi chiếu vết thương bằng liều laser thích hợp, thì không chỉ vết thương này, mà cả trên những vết thương khác trên cùng con vật cũng lành nhanh hơn bình thường Tuy nhiên cũng chưa rõ đó là kết quả của cơ thể dịch, tăng tuần hoàn hay kích thích miễn dịch [17]

Công trình [10] nghiên cứu đánh giá sự cải thiện chức năng của 18 bệnh nhân bị tổn thương thần kinh ngoại vi hay đám rối thần kinh cánh tay, các bệnh nhân dược chiếu laser công suất thấp hay chiếu giả (placebo) trong 21 ngày liên tiếp theo cách mù đôi nhóm đối chứng ngẫu nhiên Các đánh giá lâm sàng và điện sinh học được thực hiện sau 21 ngày điều trị, sau đó 3 tháng và 6 tháng Phân tích kết quả của nghiên cứu cho thấy có sự cải thiện đáng kể chức năng vận động (p=0.0001) trong nhóm được điều trị bằng laser sau 21 ngày và trong quá trình 3 đêbs 6 tháng sau đó, so với nhóm đối chứng Không có sự cải thiện đáng kể chức năng cảm giác của nhóm chiếu laser so với nhóm đối chứng Trong nhóm điều trị

có sự cải thiện đáng kể chức năng vận động (p=0.0001) và cản giác (p=0.035) sau

6 tháng Trong nhóm đối chứng không có sự thải thiện chức năng vận động và cảm giác sau 6 tháng Phân tích điện sinh lý cho thấy có sự cải tiến đáng kể sự tăng lực

hoạt động của cơ chủ động (p=0.006) cũng như biên độ của điện thế hoạt động của

cơ (p=0.067) sau 21 ngày điều trị và thời kỳ 3 ngày 6 tháng sau đó Trong nhóm đối chứng, không có sự thay đổi đáng kể biên độ điện thế hoạt động nhưng có một

sự cải thiện nhỏ trong tăng lực đơn vị vận động trong thời gian sau đó

Livens và Van der Veen dùng kết hợp giữa laser He-Ne (632,8nm, 5mW)

và hồng ngoại (904nm, 68.8mW) chiếu lên vết thương 2 lần/ngày của chuột 600 chuột bạch bị rạch bụng trong phòng thí nghiệm Kết quả cho thấy có sự tăng đáng

kể (p < 0.05) nguyên bào sợi Chất đánh dấu BrdU cho thấy có sự tăng hoạt động của DNA Sự liền của vết sẹo sau 10 ngày trong nhóm đối chứng và sau 4 ngày trong nhóm thí nghiệm Sự phù cục bộ biến mất trong nhóm thí nghiệm sau 8 ngày, trong khi trong nhóm đối chứng kéo dài cho đến ngày thứ 10 Một sự tăng đáng kể sự tạo tĩnh mạch và mạch bạch huyết trong nhóm thí nghiệm [19]

2.1.3.3 Kháng viêm

Sinh thiết vết thương thực nghiệm nhằm khảo sát hoạt tính prostaglandin để

xác định tác dụng của laser lên quá trình viêm đã được nhiều nhóm nghiên cứu tiến

hành Giảm prostaglandin PGE là giả thuyết để giải thích tác dụng giảm phù nề của laser.Khi viêm prostaglandin gây giãn tĩnh mạch, làm tăng tiết dịch và mô trung gian Giảm prostaglandin là giảm nguyên nhân tạo phù nề Với laser NeHe liều 1J/cm

2

2, trong 4 ngày đầu tiên, cả hai loại PGE và PGF đều tăng, nhưng qua 8

trong giai đoạn này Tất cả các thông tin đó cho thấy, quá trình viêm cấp giảm đi

rõ rệt

Quá trình kháng viêm của laser công suất thấp theo các bước sau:

1) ổn định màng tế bào[20,21,22]: nồng độ Ca++ ,Na+ và K+ cũng như gradient proton màng ti thể bị ảnh hưởng theo chiều hướng tốt.Điều này được thực hiện một phần nhờ tạo ra các chất ROS ( Reative Oxygen Species), khi các phân tử oxytriplet hấp thu tia laser để tạo thành oxy singlet Các ROS này điều biến nồng

độ Ca++ trong tế bào và việc điều trị bằng laser cải thiện việc đưa Ca++ vào ti thể

2) Sự tăng cường tổng hợp ATP [23]: đóng góp vào quá trình điều trị tế bào, tái tạo

và hoạt động chức năng Sự kích thích của cytochrome c oxidase , một chất cảm quan trong ti thể của tế bào đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tổng hợp ATP 3)Sự nở giãn mạch máu [24,25]: được kích thích thông qua sự tăng histamine , nitric oxide ( NO), serotonin sẽ làm giảm sự thiêú máu cục bộ , cải thiện việc phân phối máu , làm tăng cường chất nuôi dưỡng và oxy đến tế bào bị tổn thương , và làm tái tạo tế bào cũng như việc thải các chất thải tế bào dễ dàng hơn

2.1.3.4 Tăng cường hệ miễn dịch

Những nghiên cứu trên dẫn tới giả định rằng, chiếu laser có thể tăng chữa lành các tổn thương da và mô liên kết, nhưng cơ chế thì chưa rõ Phân tích hóa sinh và kỹ thuật đồng vị phóng xạ được dùng để khám phá tác dụng miễn dịch của ánh sáng laser trên tổ chức người nuôi cấy Chiếu laser làm tăng khả năng thực bào bằng bạch cầu Điều đó dẫn tới khả năng diệt khuẩn Nghiên cứu trên E coli, loại khuẩn đường ruột phổ biến trên người, cho thấy chiếu laser ruby vừa làm tăng phân chia tế bào, vừa diệt khuẩn do tăng thực bào nhờ bạch cầu Mester cũng khẳng định tác dụng miễm dịch của laser ruby, NeHe và argon Đặc biệt đã quan sát thấy tác dụng kích thích trực tiếp lên hoạt tính các lympho bào T và B, một hiện tượng phụ thuộc đặc trưng vào công suất và bước sóng laser Lasre NeHe và argon cho kết quả rõ nhất, với liều nằm trong khoảng 0.5-1 Jcm2 Trelles, 1987,

cũng kết luận tương tự sau các nghiên cứu in vitro và in vitro, và nhấn mạnh rằng, dùng laser kết hợp kháng sinh cho kết quả hơn hẳn dùng riêng từng trị liệu

Với niềm tin tưởng rằng, trước hết không gây hại và sau đó có tác dụng thực sự, laser công suất thấp đã được dung trong điều trị từ những năm 1960 Tại Hungary, Mester điều trị loét không liền đã trơ lỳ với các điều trị liệu truyền thống bằng laser NeHe và Argon ( 488 nm), với liều lượng thay đổi nhưng không quá 4 J/cm2 Trong số 1125 bệnh nhân, có tới 875 khỏi hoàn toàn, 160 cải thiện và 85 bệnh nhân không đáp ứng điều trị Các vết thương, khác nhau về bệnh nguyên, cần trung bình 12-16 tuần để lành Trelles cũng thấy những kết quả rất hứa hẹn và lâm sàng, khi dung laser và GaAs chữa loét, xương gãy không liền và tổn thương do herpet [18]

Tại Mỹ, Goria và đồng sự điều trị các vết thương không liền bằng laser

GaAs xung 1000 Hz với thời gian 10 giây/cm2, đầu laser cách bề mặt vết thương 5

nm Qui trình này được dung kết hợp với kỹ thuật tắm xoáy làm sạch vết thương hằng ngày hoặc ngày hai lần và cho kết quả rất hứa hẹn, dù số liệu chưa được xử

lý thống kê Nhóm tác giả này cho rằng chiếu laser GaAs ba lần một tuần sẽ cho kết quả tốt

Theo [26,27] ngoài việc tăng tế bào bạch huyết, tia laser còn kích thích tế bào T, tăng cường đáp ứng hệ bạch huyết Dùng laser GaAlAs với bước sóng 790nm, công suất phát 30mW sau khi nhổ 36 răng của 15 bệnh nhân nhiểm HIV/AIDS với sự suy giảm hệ miễn dịch khác nhau Kết quả cho thấy các tế bào lympho T-CD4 đáp ứng tốt và quá trình lành vết thương cũng nhanh hơn so với các phương pháp khác (mặc dù các bệnh nhân không dùng thuốc)

2.1.3.5 Tác dụng lên mô sẹo

Khảo sát vết thương lành sau chiếu laser bằng thăm khám lâm sang được tiến hành trong hầu hết các nghiên cứu Nói chung, vết thương chiếu laser ít tổ chức sẹo hơn và khá hơn hẳn về mặt thẩm mỹ Nghiên cứu hình thái học cho thấy, chúng được biểu mô hóa tốt hơn và ít dịch chất hơn

Với các vết bỏng, chiếu laser tạo cấu trúc collagen đều đặn hơn và tạo sẹo nhỏ hơn Trelles chiếu các vết bỏng độ ba ở lưng chuột nhắt bằng GaAs và HeNe và thấy chúng lành nhanh hơn GaAs cho kết quả tốt hơn vì thắm sau hơn Cũng thấy tăng tuần hoàn do tân tạo mạch máu ở trung tâm vết thương so với đối chứng Tổ chức mép vết thương vẫn sống, tạo biểu mô hóa và khép kín vết bỏng Vì ít tạo ra

co rút, nên laser được khuyên dùng cho các vết thương ở tay và cổ, nơi có sự co rút

và tạo sẹo ảnh hưởng lớn tới các hoạt động sống [18]

Nói chung cho đến nay chưa thấy thông báo về tác dụng xấu của laser trong điều trị vết thương Tuy những nghiên cứu có kiểm soát chặt chẽ cần được tiến hành để xác định hiệu ứng và liều lượng, nhưng laser đã gây được ấn tượng rằng, chúng tạo

hiệu ứng kích thích sinh học trừ khi liều quá cao, từ 8-10J/cm 2 Hiệu ứng không

thể hiện trên tổ chức sinh học bình thường và khi vượt ngưỡng liều lượng nói trên,

có thể quan sát thấy hiệu ứng ức chế sinh học

2.1.4 Phương pháp quang động (PDT)

2.1.4.1 Lịch sử phát triển của phương pháp quang động

giới, đặc biệt tại các nước đang phát triển Theo ước tính số người trên thế giới chết vì ung thư tiếp tục tăng khoảng 9 triệu người vào năm 2015 và 11,4 triệu người năm 2030

ương (Hà Nội), ước tính mỗi năm cả nước phát hiện ra khoảng 200.000 ca ung thư mới Tính trung bình trong khoảng 10 năm trở lại đây, số bệnh nhân mắc ung thư tăng 2% đến 3%/năm Mặc dù số bệnh nhân ung thư đang gia tăng nhưng các cơ

sở điều trị căn bệnh này còn quá ít Đến nay cả nước chỉ có 20 cơ sở chuyên chẩn đoán và điều trị ung thư bằng bức xạ, trong đó có 2 trung tâm điều trị lớn nhất là bệnh viện K trung ương Hà Nội và bệnh viện ung bướu Thành phố Hồ Chí Minh Trong điều trị ung thư, bên cạnh 3 phương pháp cổ điển là phẫu thuật, xạ trị

và hóa trị, một số phương pháp tiên tiến hiện nay đang được sử dụng bao gồm :

(đặc biệt là trong ung thư vú, phần mềm) khi bệnh còn khu trú tại chỗ Song song với các xu hướng này, một số tác giả chủ trương tiến hành hoá trị hay xạ trị tiền phẫu làm giảm kích thước u, tạo điều kiện thuận lợi hay làm tăng tỷ lệ bảo tồn khi phẫu thuật

ii Xạ trị hiện đại: Các dạng tia phóng xạ khác nhau có thể huỷ diệt tế bào u bằng cách truyền năng lượng cao đến chúng Tuy nhiên, tia xạ cũng làm tổn hại đến tổ chức lành Kỹ thuật điều chỉnh liều (IMRT) tia sẽ giúp khắc phục được nhược điểm này Hiện có nhiều kỹ thuật hiện đại được ứng dụng để nâng cao chất lượng xạ trị như: xạ trị định vị, xạ phẫu định vị, điều trị bằng hạt ion hóa nặng vv

vacxin chống ung thư Cùng với điều trị hoá chất liều cao, ghép tế bào gốc tạo máu rất hiệu quả trong điều trị bệnh ác tính của hệ tạo máu và các u đặc ở những bệnh nhân ít đáp ứng với liều thuốc thông thường Ung thư còn là kết quả của đột biến hoặc khiếm khuyết chất liệu di truyền trong các tế bào Trong liệu pháp gen, bác sĩ lấy tế bào ra khỏi cơ thể bệnh nhân, chuyển gen để chỉnh sửa sai lạc, nuôi cấy

trong phòng thí nghiệm rồi đưa trở lại cơ thể Do công nghệ còn hạn chế, việc chuyển các gene vào trong khối u mới chỉ thực hiện được trong một vài điều kiện đặc biệt Vacxin chống ung thư được sản xuất bằng cách dùng chính tế bào u hoặc

tế bào dị gen

iv Điều trị tăng nhiệt độ: Nhiều tình trạng bệnh lý và quá trình sinh lý chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Tăng nhiệt độ có tác dụng diệt u cả ở trong ống nghiệm và trong cơ thể sống

tương tác của ánh sáng với chất nhạy sáng nhằm tạo tác nhân độc tố tiêu diệt tế bào ung thư Ở một số nước, đặc biệt tại Mỹ, PDT được chỉ định cho nhiều loại ung thư giai đoạn sớm, ung thư bề mặt và phối hợp với các phương pháp kinh điển khác để điều trị giảm nhẹ ung thư giai đoạn muộn [63]

Kỹ thuật PDT được áp dụng lần đầu tiên vào năm 1978, tại Bệnh viện Mayor Clinic (Mỹ) bởi Dougherty Sau đó, nó đã nhanh chóng được các nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, Nga và các nước châu Âu áp dụng, chủ yếu là để điều trị ung thư não, phổi, bàng quang, da vv

Cơ chế vật lý cơ bản của phương pháp PDT có thể vắn tắt như sau: phân tử nhạy quang trong tế bào hấp thụ photon với năng lượng thích hợp làm nó chuyển

từ trạng thái cơ bản So lên trạng thái điện tử kích thích singlet S1, phân tử có thể trở

về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra một photon (gây nên sự huỳnh quang) nhưng cũng có thể chuyển về trạng thái kích thích triplet T1 thông qua các bước chuyển nội phân tử Với sự hiện diện của Oxy, trạng thái triplet bị phá vỡ bởi sự truyền năng lượng đến trạng thái cơ bản của phân tử oxy (302), tạo thành các singlet oxygen (102) kích thích có tính hoạt hóa cao Chính các singlet oxy này sẽ

có tác dụng độc tố tiêu diệt tế bào

Như vậy, để có thề đạt mục tiêu điều trị, chúng ta phải lưu ý đến ba yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình điều trị: (1) nguồn sáng, (2) chất nhạy quang

và (3) nổng độ oxy tại đối tương điều trị Hiệu quả và sự phát triển của phương pháp PDT là sự phối hợp đồng bộ của quá trình nghiên cứu cơ bản và ứng dụng lâm sàng

Phương pháp PDT được nghiên cứu đầu tiên tại Munich vào năm 1897 bởi một sinh viên y khoa, Oscar Raab dưới sự giám sát của Hermann von Tappeiner Sau đó, Tappeiner cũng đã cùng với đồng nghiệp của mình là Jodlbauer tập trung nghiên cứu về chất nhạy quang (photosensitization) và đưa ra kết luận rằng oxi là cần thiết cho photodynamic hoạt động vào năm 1904 Lần đầu tiên, ông đã cùng với một bác sĩ da liễu (Jasoniek) sử dụng phương pháp PDT trong điều trị ung thư

da và sử dụng eosin như là một chất nhạy sáng Sau đó các nhà khoa học đã nghiên cứu và sử dụng Hematoporphyrin như là một chất nhạy quang tối ưu Vào năm

1908, Hausmann lần đầu tiên tìm hiểu nghiên cứu về các tính chất sinh học của Hematoporphyrin Trong những năm 1908-1913 hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành với Hematoporphyrin, giải thích tại sao nó lại nhạy sáng trong khi nghiên cứu đầu tiên về độ nhạy trong cơ thể đã được tiến hành bởi Meyer-Betz vào năm

1913, người đã tự tiêm Hematoporphyrin vào cơ thể mình và nhận thấy nó có tác dụng rất giống với ALA-PDT ngày nay Sau đó, Meyer và Fisher đã cùng nhau nghiên cứu về tầm quan trọng của cấu trúc porphyrin đối với hiệu quả của phương pháp PDT và đã thu được những kết quả quan trọng

Việc đánh dấu khối u của porphyrin đã được quan sát bởi Policard vào năm

1924 Nó cho thấy rằng Hematoporphyrin có khả năng xác định tốt vị trí khối u ác tính trong cơ thể người nhưng nó rất khó khăn để tinh chế và do đó việc tìm kiếm chất tinh khiết để thay thế nó đã bắt đầu diễn ra Năm 1948, Figge đã giới thiệu dẫn suất của Hematoporphyrin (HPD) như là một chất quan trọng phát hiện ra ung thư Ngày nay, PDT đã trở nên phổ biến với ALA, PpIX

Australia, Bỉ, Brazil, Cộng hòa Czech, Đan Mạch, Đức, Hy Lạp, Hungary, Ireland, Luxembourg, Na Uy, Ba Lan, Slovakia, Nam Phi, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Mĩ …

để điều trị các bệnh như ung thư đầu và cổ, ung thư phế quản, ung thư dạ dày, ung thư phổi, ung thư vú, ung thư tuyến tiền liệt, ung thư da [65]…đã nhận được sự hưởng ứng cao từ bệnh nhân bởi :

- PDT có thể phá hủy ung thư bởi ba cơ chế: trực tiếp giết chết các tế bào ung thư, phá hủy các mạch máu cung cấp nuôi dưỡng khối u, tăng cường khả năng miễn dịch để tìm ra tế bào ung thư và giết chết nó bên ngoài khu vực được chiếu sáng

Năm 1998, dưới sự hướng dẫn của giáo sư Stranadko, chuyên gia hàng đầu về PDT của Nga, Bệnh viện Việt Đức bắt đầu áp dụng kỹ thuật này vào điều trị ung thư Riêng tại Việt Nam, do chi phí cho những đợt hóa trị rất lớn nên nhiều bệnh nhân sau khi phẫu thuật không được điều trị thêm Kết quả là thời gian sống của họ ngắn và bệnh hay tái phát Việc áp dụng PDT có thể giúp khắc phục phần nào khó khăn này Nguyên lý của phương pháp không chỉ để điều trị ung thư mà đã dần phát triển trong lĩnh vực nha khoa, da liễu, thẩm mỹ (viện Ngoại khoa laser TP.HCM, Bệnh viện Da liễu (ALA-PDT), vv

Bên cạnh liệu pháp gen đòi hỏi các phương tiện tiên tiến mà hiện nay trong điều kiện Việt Nam chưa thể triển khai, phương pháp PDT hứa hẹn một tiềm năng phát triển thực sự Tuy nhiên PDT còn rất mới đối với Việt nam và đặc biệt các tài liệu chuyên ngành bằng tiếng Việt hầu như không có Là một lĩnh vực mang tính liên ngành (vật lý, hóa học và y khoa), việc hiểu rõ bản chất và cơ chế điều trị là một trong các bước quan trọng để triển khai quá trình điều trị, mà cụ thể hóa bằng xác định được liều hiệu dụng trong cơ thể bệnh nhân Hiệu quả điều trị phụ thuộc nhiều vào khâu này

2.1.4.2 Cơ sở vật lí của phương pháp quang động [66]

Có 3 yếu tố cần thiết nhất trong phương pháp PDT là: Phân tử chất nhạy sáng, ánh sáng với bước sóng thích hợp và sự hiện diện của oxygen Tương tác giữa 3 đại lượng này là yếu tố chính dẫn đến hiệu quả của việc điều trị

Hình 2.3a: Cơ chế hoạt hóa của chất nhạy sáng Chất nhạy sáng có cấu hình điện tử ổn định ở trạng thái cơ bản suy biến bậc

một (singlet ground state) Khi hấp thụ photon (ánh sáng có bước sóng phù hợp),

phân tử sẽ chuyển lên trạng thái kích thích suy biến bậc một và có thời gian sống

ngắn Chất nhạy sáng sẽ quay về mức năng lượng cơ bản và phát ra huỳnh quang

hoặc tạo ra sự mất mát nhiệt Các phân tử đó cũng có thể chuyển về trạng thái suy

biến bậc ba (triplet state), sự biến đổi này có liên quan đến sự thay đổi spin của

electron, chất nhạy sáng ở trạng thái suy biến bậc ba có năng lượng thấp hơn trạng

thái suy biến bậc một, nhưng có thời gian sống dài hơn và điều này làm tăng xác

suất truyền năng lượng đến các phân tử khác Lúc này chất nhạy sáng sẽ quay về

mức năng lượng cơ bản và phát ra lân quang hoặc tạo ra sự mất mát nhiệt

Quá trình quang oxy hóa bao gồm có hai cơ chế :

Cơ chế 1: Sự truyền năng lượng trực tiếp cho các điện tử của chất nhạy

sáng để tạo ra ion hoặc các điện tử của phân tử nền để tạo ra các gốc tự do Các

gốc tự do này sẽ tương tác nhanh, thường là oxy, nhằm tạo ra các oxy hoạt tính cao

102

Cơ chế 2: Chất nhạy sáng ở trạng thái suy biến bậc ba sẽ tương tác trực tiếp

với phân tử oxy (thường là trạng thái cơ bản suy biến bậc ba) Kết quả là chất nhạy

sáng này sẽ chuyển về trạng thái cơ bản và tạo ra oxy kích thích bậc một 102

Oxy suy biến bậc một 102 (toxic singlet oxygen) trong khối u có độc tính

cao đối với các tế bào Vì vậy người ta lợi dụng đặc tính này của 102 để tiêu diệt tế

bào ung thư Do năng lượng 3p* > 102 sẽ đảm bảo cho 3p* phát năng lượng về

trạng thái cơ bản và hoạt hóa oxy từ mức cơ bản 302 → 102, do đó mà độc tính của

oxy suy biến bậc một được hoạt hóa để tiêu diệt tế bào đích

Thời gian tồn tại của trạng thái triplet sẽ quyết định số lượng thành phần

những độc tố có thể sinh ra bởi tương tác va chạm và gây ra việc chuyển đổi năng

lượng đến những phân tử oxy và những thành phần hữu cơ khác

a) Sự oxi hóa bằng ánh sáng và phát ra loại oxygen độc

Hầu hết các thể truyền tin quan trọng nhất trong quy trình gây nên sự

thương tổn tế bào trong phương pháp quang động học là các dạng oxy ở các trạng

thái độc khác nhau Những nghiên cứu in vitro đã chỉ ra rằng trong quá trình khử

oxi ở các vùng bao quanh, sự khử hoạt hóa do ánh sáng thì chấm dứt hoàn toàn

Do tính chất này mà phương pháp PDT có thể được tiến hành song song với

phương pháp bức xạ ion hóa – trong đó các mô bị ion hóa có nhiều khả năng bị

hủy hoại hơn Trong phương pháp PDT, sự hạn chế hàm lượng oxy có thể xảy ra

trong quá trình điều trị do mạch bị tổn thương hoặc do sự thiếu đậm đặc của nồng

độ oxy trong mô

Phân tử oxy ở trạng thái kích thích có vai trò quan trọng Nó được sinh ra

trong một quy trình thường theo sự cảm quang loại 2, nơi phân tử chất nhạy sáng ở

trạng thái kích thích triplet (T*) của mình, chuyển năng lượng cho phân tử oxy tạo

ra phân tử singlet oxygen (102) Để thực hiện được điều này, năng lượng ở trạng

thái triplet của hỗn hợp chất nhạy sáng phải cao hơn năng lương kích thích ở trạng

thái triplet của 02

Phản ứng loại II: T* + 02 → So + 102 (1)

102* + R → photo-oxidation (2) Một hỗn hợp chất nhạy sáng có hiệu quả cao tạo ra singlet oxygen và sau đó tạo ra trạng thái triplet Sau khi truyền năng lượng từ trạng thái triplet cho oxy, chất nhạy sáng quay trở lại trạng thái cơ bản của mình, và chu kỳ có thể được lặp lại như đã chỉ ra trong (1)

Chiều dài khuếch tán của singlet oxygen trước khi nó chấm dứt hay tham gia phản ứng trong mô sinh học được ước tính khoảng 0.01-0.02µm, tương ứng với thời gian sống 0.01-0.04µs Giá trị tương ứng này thấp hơn 1% so với đường kính tế bào hồng cầu (sấp sỉ 7µm) Thời gian sống và độ tan của singlet oxygen thì ngắn hơn đáng kể trong một ngăn nhỏ của tế bào so với trong các dung dịch Do

đó, sự xác định vị trí của chất làm nhạy ở môi trường xung quanh nơi nó có thể gây chết thì cũng quan trọng như tổng nồng độ của phân tử chất làm nhạy

Phản ứng loại I: Là phản ứng chuyển đổi năng lượng từ chất nhạy sáng

theo một cách khác Trong phản ứng loại này, năng lượng được chuyển từ trạng thái metastable triplet của phân tử chất nhạy sáng nhưng không qua oxygen, trong phản ứng này có sự tương tác trực tiếp giữa chất nhạy sáng và chất nền sinh ra khí

hydro hoặc dẫn đến sự trao đổi electron

PDT có thể chịu các phản ứng phụ của quang hoại (photodamage) Các cơ chế thường là các hiệu ứng trong quá trình cung cấp máu cho mô, sự khởi đầu của quá trình tự hủy (apoptosis), chứng viêm và sự tạo ra các phản ứng miễn dịch đối với khối u

Các hiệu ứng mạch: PDT gây ra các ảnh hưởng chính trên các mao mạch

của khối u, thường gây ra sự ứ máu trong mạch do sự quang hóa phụ thuộc vào nguồn oxy, sự thiếu oxy trong mô theo lý thuyết có thể gây ra hai hiệu ứng Thứ nhất, nó có thể gia tăng hiệu ứng PDT bằng sự phá hủy của tế bào do thiếu oxy Thứ hai, quá trình quang hóa có thể bị trì hoãn do thiếu oxy đối với các tế bào gần chết

Với sự cung cấp có hệ thống các hợp chất nhạy sáng, vị trí đầu tiên được tích lũy có lẽ là các tế bào nội mô Sau khi cung cấp các chất nhạy sáng cũng như các hợp chất cationic, yếu tố quyết định của mạch nhạy sáng là mức độ tuần hoàn của các chất nhạy sáng Các nghiên cứu tế bào ứng dụng ALA gây bởi PpIX như chất nhạy sáng đã cho thấy rằng các tế bào nội mô nhạy cảm với sự đầu độc tế bào gây ra bởi PDT khi chúng đang phân chia, đặc điểm này giống với các tế bào trong khối u Cũng trong nghiên cứu này, các tế bào mạch cơ trơn sản xuất đủ PpIX để trở nên nhạy sáng với PDT Khi nghiên cứu các tế bào nội mô cuống rốn ở người (HUVEC), Yang và một số cộng sự đã chứng minh rằng một vài dòng tế bào ung thư tiết ra các nhân tố angiogenic làm tăng sự sản sinh HUVEC và mức độ nhạy cảm với PDT và cũng tiết ra aluminum-sulfonated phtalocyanine (AlSPc) Các tổn thương đối với các tế bào nội mô dẫn đến các điểm đông máu dọc thành mạch máu, với màng nền bị lộ, gây nên một đợt các phản ứng sinh lý dẩn tới sự ứ mạch máu Tính thấm và sự rò rỉ của albumin được tăng cường trên các thành mạch máu

đã bị tổn thương, dẫn đến chứng phù ở những vùng đã được điều trị Dịch truyền giảm ở những mô điều trị bằng PDT với sự điều hành chất bắt sáng toàn thân, là do

sự hình thành chứng huyết khối Điều này cũng là do chứng co mạch, thường diễn

ra ở các tiểu động mạch, và chỉ ở những lượng chất bắt sáng cao hơn (Photofrin ®) trong các tĩnh mạch nhỏ PDT có liên quan đến việc giải phóng một lượng các chất

eicosanoid (bằng bất kỳ loại hợp chất nào bắt nguồn từ các acid béo không bão hòa

đã tham gia vào hoạt động của tế bào), và cho thấy một lượng thromboxane B2 tăng liên quan tới PDT có Photofrin, ở người và chuột Ở chuột, một lượng leukotriene B4 tăng cũng được tìm thấy Ở loài chuột, các chất phản ứng ngăn chặn thromboxane, indomethacin và imidazole, làm giảm hiệu quả điều trị ở các khối u Các quan sát vi mạch máu ở chuột cũng cho thấy indomethacin có thể ngăn chặn sự co mạch Từ quan điểm điều trị, điều này có thể được xem xét nếu như các chất gây mê được dùng, tránh việc sử dụng các thuốc chống viêm không steroid (NSAIDs)

Bằng việc sử dụng công nghệ quét laser Droppler (LDI) để dò ra các luồng lưu thông máu của khối u mô, người ta đã quan sát thấy một sự khác biệt giữa việc

điều hành toàn thân và điều hành cục bộ của ALA cho PDT Trong một mẫu khối

u gan ở chuột bắt sáng toàn thân, dịch truyền giảm, trong khi ở các thương tổn tế bào đáy (BCC) ở người với ứng dụng cục bộ, luồng lưu thông máu tăng ở khối u

và mô xung quanh ngay lập tức sau khi sử dụng PDT

Cơ chế gây chết tế bào theo chương trình (apoptosis): Cùng với việc giết

chết tế bào trực tiếp thông qua hoại tử (necrosis), sự cảm ứng nhanh của apoptosis được cho là đóng vai trò quan trọng trong PDT Trong suốt quá trình apoptosis, bộ phận di truyền của tế bào bắt đầu một chương trình phá hủy các tế bào bị tổn thương mà không ảnh hưởng tới hệ thống viêm Các chấn thương dẫn tới apotosis thường kém rõ ràng hơn những chấn thương gây ra hoại tử Về mặt hình thái học,

có một sự ngưng tụ tế bào chất với sự phân hủy tế bào ngay sau đó thành các mụn nước kết màng mà sau đó sẽ bị các tế bào xung quanh tiêu thụ Tiến trình suy biến

có đặc điểm là một chức năng không đổi của các màng và vi cơ quan, có nghĩa là các lượng rất nhỏ các chất điều giải viêm được giải phóng, ví dụ các enzyme tiêu thể Trong suốt quá trình apoptosis, có một sự phân đoạn đặc trưng của DNA, thường được phát hiện bởi hiện tượng điện chuyển trong keo cho thấy một mô hình “thang” đặc trưng Mật độ tế bào ung thư, hao hụt trong chương trình của apoptosis thông qua đột biến, có thể chống lại hóa trị liệu và bức xạ ion hóa Một phản ứng kiểu apoptosis sau PDT được chỉ ra lần đầu tiên bởi Agarwal và các đồng nghiệp vào năm 1991, và đã được quan sát cho PDT cả trong và ngoài cơ thể (trong ống nghiệm) Có một mối liên hệ giữa tổn thương do bức xạ ánh sáng của các mitochondrion (Ty lạp thể có chứa ATP và các enzyme liên quan đến các hoạt động chuyển hóa tế bào) và một phản ứng tế bào kiểu apoptosis Trong ALA-PDT, nơi mà điểm sản xuất của chất phản ứng bắt sáng PpIX là các ti lạp thể, apoptosis

dễ diễn ra Điều này cũng đã được chỉ ra trong cơ thể và trong ống nghiệm Trong các nghiên cứu sau này của Noodt và các đồng nghiệp, người ta đã chỉ ra phản ứng apoptosis phụ thuộc vào tuyến tế bào

Chứng viêm/Miễn dịch học: PDT thường bắt đầu với một phản ứng viêm

ở vùng mô được điều trị Ngay sau khi điều trị, chứng nổi ban đỏ và phù nề cũng ảnh hưởng đến mô bên ngoài vùng được chiếu sáng và bị giới hạn bởi khúc bì (dermatome) có chấn thương đã được điều trị Các tổn thương do tia sáng trong

màng tế bào dẫn đến sự giải phóng các chất chuyển hóa của các lipide màng vốn là những chất hoạt hóa mạnh của phản ứng viêm Đại thực bào là một trong những loại tế bào quan trọng trong phản ứng viêm cấp tính, và trong một mô hình khối u

ở chuột, ảnh hưởng của PDT được tăng khi việc điều trị được tập trung với CSF (tác nhân tăng trưởng đại thực bào bạch cầu hạt) được tiến hành trước PDT Việc điều trị cũng khởi động một phản ứng miễn nhiễm mở rộng có khả năng quan trọng trong việc kiểm soát về lâu dài khối u, thông qua sự bắt sáng của hệ thống miễn dịch đối với các tế bào khối u Các nghiên cứu về cấy ghép các mô kích hoạt miễn nhiễm giữa các con chuột miễn nhiễm tốt và miễn nhiễm kém, đã cho thấy một hệ thống miễn dịch ổn định là cần thiết để có thể chữa trị khối u toàn diện sau khi tiến hành Photofrin®-PDT Hơn nữa, các tế bào ghi nhớ của hệ miễn dịch, ví

GM-dụ như các lympho bào (tế bào bạch huyết) nhận diện được, có thể được phục hồi

từ các mô bạch huyết ở xa sau khi tiến hành PDT Việc bắt sáng của hệ miễn dịch đối với các loại khối u ít gây miễn dịch hơn, theo lý thuyết sẽ mang đến cơ hội điều trị ung thư toàn diện ở các vùng di căn xa

c) Chứng thân nhiệt cao liên quan đến phương pháp PDT

đồng thời, vì ánh sáng điều trị có thể được điều chỉnh về mật độ thông lượng (fluence rate) đủ cho chứng thân nhiệt cao do cảm ứng ánh sáng (trong mô sinh học tương ứng với một sự tăng nhiệt độ đến khoảng 41oC-47oC) Nhìn chung, thêm chứng thân nhiệt cao vào chế độ trị liệu cũng sẽ thú vị chừng nào nó còn có thể đưa đến các hiệu quả bổ sung hoặc hợp lực Vì PDT phụ thuộc vào oxy, có một giới hạn trong hệ thống ở mức độ mà dịch truyền của mô bị bão hòa do thân nhiệt cao

Để có thể phân biệt giữa các ảnh hưởng của quang hóa và ảnh hưởng thân nhiệt cao và để tiến hành các nghiên cứu có kiểm soát, rất nhiều nhóm đã sử dụng các mật độ thông lượng ở dưới ngưỡng thân nhiệt cao Khoảng 514 nm, người ta

hưởng thân nhiệt cao nào Warloe và các đồng nghiệp phát hiện nhiệt độ bề mặt da trong quá trình ALA-PDT với tia laser 630 nm Với một mật độ thông lượng khoảng 100-150 mW/cm2, một sự tăng nhiệt đến 39-40oC xuất hiện trong suốt

những phút đầu, theo sau là một sự ổn định khoảng 37-38oC Việc chuyển ánh

ngoại đến da người và các khối u da, đã dẫn tới một tự tăng nhiệt lên khoảng 42.5oC ở khối u và lên 42-43.5oC ở mô bình thường Các nhiệt đô này có thể thêm ảnh hưởng cho sự tăng thân nhiệt ôn hòa Khi chiếu xạ ở mức mật độ thông lượng cao, có khả năng là sự kích thích các chất bắt sáng vượt quá lượng oxy có thể dùng Từ đó các chất bắt sáng có thể bị giảm sáng mà không thể góp phần hủy sáng của mô Xem xét hiện tượng này, người ta đề xuất khi tiến hành một chế độ trị liệu kết hợp, ánh sáng quang hoạt ở mức vừa phải nên được dùng chung với các chiều dài bước sóng không kích thích chất bắt sáng, tốt nhất là bức xạ hồng ngoại Không nên dùng ánh sáng gây thân nhiệt cao trước, mà nên dùng cùng hoặc ngay sau khi sử dụng ánh sáng trong PDT, để không gây bão hòa nguồn cung cấp oxy cho PDT

39.5-2.1.4.3 Phương pháp tính liều PDT

Tính toán liều lượng PDT là một vấn đề khó khăn Sự phức tạp của nó là do

cơ chế của PDT được chỉ ra trên hình vẽ 2.3c

Hình2.3c: Biểu đồ quy trình quang lí của phương pháp PDT [67] Sau khi hấp thụ một photon,chất nhạy sáng ở trạng thái cơ bản So nhảy lên trạng thái kích thích S1 Từ trạng thái này nó có thể chuyển về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra ánh sáng (sự huỳnh quang) hay chuyển lên trạng thái kích thích triplet (T1) Trạng thái triplet truyền năng lượng (ET) cho phân tử oxygen ở trạng thái

cơ bản tạo ra singlet oxygen kích thích (102) cần thiết cho sự phá hủy mô Cả

singlet oxygen và chất nhạy sáng ở trạng thái triplet có thể phát sáng (sự lân quang) Singlet oxygen có thể phản ứng với phân tử chất nhạy sáng ở trạng thái

cơ bản để tạo ra chính nó, nếu nồng độ đủ cao thì phân tử chất nhạy sáng có thể tạo ra sản phẩm quang hóa (PP1) Mặt khác, từ trạng thái triplet như đã chỉ ra ở trên nó cũng có thể tạo ra các sảm phẩm quang hóa khác (PP2)

Sự hấp thụ photon với năng lượng thích hợp của phân tử chất nhạy sáng làm

nó nhảy từ trạng thái cơ bản của nó So lên trạng thái điện tử kích thích S1 Phân tử

có thể trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra một photon (gây nên sự huỳnh quang) nhưng cũng có thể đi lên trạng thái kích thích triplet T1 thông qua ISC (inter-system crossing) Trạng thái triplet có thời gian sống dài trong mô Trạng thái kích thích bị phá vỡ bởi sự truyền năng lượng (ET) đến trạng thái cơ bản của phân tử oxygen (302) Nếu năng lượng được cung cấp bởi sự truyền này, trạng thái kích thích của singlet oxygen (102) có thể được tạo ra với hiệu suất cao (cần thiết cho sự phá hủy sinh học trong PDT) Một số nghiên cứu cho thấy để gây nên sự phá hủy mô thì cần 1018-1019 phân tử cm-3 singlet oxygen Đơn vị đo liều lượng của chất nhạy sáng dùng trong điều trị là mg kg -1 trọng lượng cơ thể

Có 3 phương pháp tính liều thực nghiệm thông dụng [68]:

- Phương pháp tinh liều trực tiếp: Liều dùng được đo dựa trên lượng oxi singlet cung cấp trong quá trình điều trị

- Phương pháp tính liều gián tiếp: Liều dùng được đo dựa trên nhiều thông

số liên quan đến phản ứng quang động Những thông số đó có thể là ánh sáng, chất nhạy sáng và mức oxygen

- Phương pháp tính liều tuyệt đối: Liều dùng được đo dựa trên một thông số đơn nhất, chẳng hạn như cơ chế tẩy quang (photobleaching kinetics) của chất nhạy sáng

a) Phép đo liều PDT trực tiếp

Phép đo liều theo sự phát sáng của oxi singlet (SOLD) đã được nghiên cứu như là một công cụ của phép đo liều PDT trực tiếp Kỹ thuật đo liều này dựa vào giả thiết là hiệu ứng PDT thì được áp dụng chính theo con đường loại II như đã

thảo luận SOLD xác định số lượng thực của singlet oxygen bởi sự phát sáng của

cả trong tế bào và trong cơ thể sống đã được theo dõi Những quan sát này thì ủng

hộ khái niệm xem singlet oxygen như là một tác nhân độc (cytotoxic) chính và trực tiếp sử dụng toàn bộ lượng singlet oxygen để dự đoán liều dung trong PDT Như

sẽ thảo luận trong mục sau, hầu hết các mô hình đo liều gián tiếp đều dựa trên một khái niệm về ngưỡng liều, cái ngưỡng mà nó phải vượt quá để gây nên sự tổn thương cho mô Tuy nhiên, thường không có một ngưỡng liều nhất định do “sự phụ thuộc của tế bào sống xót vào sự sản xuất singlet oxygen lũy tích” Bởi số phân tử singlet - oxygen cần để gây ra 1 sống sót nhỏ 1/e trên một tế bào đã được

sử dụng để xác định độ nhạy đối với phương pháp PDT Với những tế bào nhạy

với chất nhạy quang PpIX, ~ 107 phân tử 102 trên một tế bào thì cần thiết để gây nên một sự sống sót nhỏ 1/e Công việc hiện nay là đang cố gắng mang SOLD vào

sử dụng trong chữa trị lâm sàng để nghiên cứu thêm đến chiều dài khuếch tán của phân tử singlet oxygen trong mô sinh học

b) Phép đo liều PDT gián tiếp

đầu là quá trình hấp thụ ánh sáng và kết thúc là quá trình sản suất ra singlet oxygen Do đó, nó thì cần thiết để quan sát ánh sáng hoạt hóa, Φ, nồng độ chất nhạy quang, [So], và mức độ oxygen, [302], như đã chỉ ra trong hình 2.3e

Hình 2.3e: Biểu đồ mức năng lượng cho ta quy trình sản suất ra singlet oxygen

Nồng độ chất nhạy sáng có thể được xác định theo sự huỳnh quang của nó

được đo bằng máy dò cực phổ vi điện cực, dựa trên các kỹ thuật huỳnh quang và lân quang hay sự giảm oxi huyết Hơn nữa, sự tập trung oxy về mô cũng có thể được quan sát theo kỹ thuật quang học và đặt trong mối tương quan với áp suất riêng phần của oxy theo phương trình (1.1) Đây cũng được gọi là đường cong Hill (hình 2.3f)

Hình 2.3f: Đường cong Hill cho thấy mối liên hệ giữa áp suất riêng phần của oxy đến sự oxi hóa mô (p = 26 và n = 2.8)

suất riêng phần của oxy mà tại đó một nửa phần liên kết của haemoglobin được gắn với oxy và n là hệ số Hill

2

2 0

n n

po S

=

+ n (1.1)

Sử dụng mô hình đo liều gián tiếp,những thông số cần thiết thì đã đươc đo

đạc để hợp nhất với một vài liều dùng bên trong, DPDT, cái thể hiện cho sự tương quan với nhau và dự đoán hiệu quả của phương pháp PDT Với phương pháp PDT,

những vùng mô bị tổn thương thường được quan sát rất rõ ràng so với vùng mô

không bị ảnh hưởng, một sự quan sát đã dẫn tới việc đưa ra một khái niệm về ngưỡng liều Với giả thiết này, chỉ những vùng mô được chiếu với một liều PDT vượt quá một vài gia trị ngưỡng liều, tức là DPDT > Dthreshold, sẽ phải chịu một sự phá hủy nhất định

Liều dùng gián tiếp với các mức độ tinh chế khác nhau cũng đã được nghiên cứu Ví dụ, trong điều trị lâm sàng, nơi dễ dàng nhất để điều khiển các thông số như tổng liều lượng ánh sáng, tỉ lệ phân chia ánh sáng, sự phân phối liều lượng chất nhạy sáng và DLI, liều dùng thì thường chỉ dựa trên liều lượng ánh sáng và liều lượng của chất nhạy sáng theo phương trình (1.2)

D PDT =α ε∫ ⎡⎣S t0( ) ( )⎤⎦φ t dt (1.2)

Ở đây, ε là hằng số tiêu hủy của chất nhạy sáng vàαlà một hằng số, hằng

số có thể bao gồm sự phản chiếu độ nhạy khác nhau của các tuyến tế bào khác nhau hay các loại mô để chữa trị Sự thay đổi ánh sáng và liều lượng thuốc đã được quan sát, nghĩa là hiệu quả của PDT có thể đạt được nếu có sự biến đổi của liều lượng ánh sáng và liều lượng của chất nhạy sáng bằng cách giữ cho sản phẩm của cả hai không đổi Tuy nhiên do quá trình tẩy sáng chất nhạy quang (photosensitier photobleach ) và sự phụ thuộc của PDT vào oxy dẫn đến sự thất bại của việc trao đổi và nhấn mạnh đến tầm quan trọng của phương trình phụ thuộc vào thời gian

Thậm chí một liều dùng PDT thô hơn chỉ kết hợp với tổng liều lượng ánh sáng Phương trình (1.3), do đó không quan tâm đến các hiệu ứng khác nhau, nồng

độ chất nhạy sáng đặc trưng Việc sử dụng các mô hình đơn giản này thì đặc biệt lôi cuốn do sự dễ dàng trong điều khiển liều lượng ánh sáng và lý thuyết rộng trong việc mô tả ánh sáng truyền qua trong mô sinh học

D PDT =α φ∫ ( )t dt (1.3) Mặc dù hai liều dùng được đưa ra trong phương trình (1.2) và (1.3)

có thể hợp lí trên một phạm vi liều đã giới hạn cho chất nhay sáng nào đó và điều kiện chữa trị nào đó, chúng rõ ràng khá thô bởi chúng bỏ qua hiệu ứng oxy trong việc dẫn tới hiệu quả PDT Như ta đã biết, sự tiêu thụ oxy kết hợp với các hiệu ứng phụ (vascular) trong PDT thì có khả năng làm cho mất cân bằng oxy trong mô bia

do đó ngăn cản hoàn toàn sự gây thiệt hại của PDT Kế hoạch chiếu bức xạ ánh sáng khác nhau đã được sử dụng với mục đích giới hạn ánh sáng gây nên sự suy yếu oxy và cho phép oxi hóa mô trở lại Ví dụ, sử dụng việc phân chia tỉ lệ ánh sáng thấp hơn, do đó dẫn tới sự tiêu hủy oxy tức thời của phản ứng quang động học, mức oxy cao hơn và kết quả điều trị đã được cải thiện và đã được quan sát trong các mẫu động vật khác nhau với các môi trường Photofrin, ALS2Pc, PBD-

MA, ALA, và môi trường mTHPC trong PDT Ở một thái cực khác, máy nhịp PDT (mPDT) cả chất nhạy sáng và ánh sáng thì đã được phân chia với tỉ lệ thấp cho chu trình thời gian mở rộng tức là vài ngày thì đã được nghiên cứu để làm tăng

sự lựa chọn khối u trong quá trình điều trị Hơn nữa, sự phát bức xạ gián đoạn, nghĩa là sự phân cắt phân chia ánh sáng thành nhiều phần khác nhau được ngăn cách bởi những chu kì tối đã được đề xuất để cải tiến kết quả PDT bằng cách cho phép oxi hóa mô trở lại trong những khoảng tối Cải tiến hiệu quả PDT thì đã được quan sát khi đang so sánh CW đến quá trình chiếu xạ gián đoạn, với những khoảng tối trong khoảng thời gian vài giây đến vài phút, theo sau sự quản lí của ALA và mTHPC

Do đó, từ những kết quả trích dẫn ở trên thì rõ ràng một liều PDT gián tiếp không những phải lưu ý đến liều lượng ánh sáng và liều lượng chất nhạy sáng mà còn lưu ý đến mức độ oxi hóa trong mô bia Hơn nữa, sử dụng phép đo liều gián