Лазери в медицині. Застосування лазерів у медицині та науці

За останні півстоліття лазери знайшли застосування в офтальмології, онкології, пластичній хірургії та багатьох інших галузях медицини і медико-біологічних дослідженнях.

Про можливість використання світла для лікування хвороб було відомо тисячі років тому. Стародавні греки і єгиптяни застосовували сонячне випромінювання в терапії, і ці дві ідеї навіть були пов’язані один з одним у міфології — грецький бог Аполлон був богом сонця і зцілення.

І тільки після винаходу джерела когерентного випромінювання понад 50 років тому дійсно було виявлено потенціал використання світла в медицині.

Завдяки особливим властивостям лазери набагато ефективніші, ніж радіація сонця або інших джерел. Кожен квантовий генератор працює в дуже вузькому діапазоні довжин хвиль і випромінює когерентне світло. Також лазери в медицині дозволяють створювати великі потужності. Пучок енергії може бути зосереджений в дуже маленькій точці, завдяки чому досягається її висока щільність. Ці властивості призвели до того, що сьогодні лазери використовуються в багатьох областях медичної діагностики, терапії та хірургії.

Лікування шкіри та очей

Застосування лазерів у медицині почалося з офтальмології та дерматології. Квантовий генератор відкрили 1960 року. І вже через рік після цього Леон Голдман продемонстрував, як рубіновий червоний лазер в медицині може бути використаний для видалення капілярної дисплазії, різновиду родимих плям, і меланоми.

Таке застосування ґрунтується на здатності джерел когерентного випромінювання працювати на певній довжині хвилі. Джерела когерентного випромінювання в даний час широко використовуються для видалення пухлин, татуювань, волосся і родимок.

У дерматології застосовуються лазери різних типів і довжин хвиль, що обумовлено різними видами виліковуваних уражень і основної поглинаючої речовини всередині них. Довжина хвилі також залежить від типу шкіри пацієнта.

Сьогодні не можна практикувати дерматологію або офтальмологію, не маючи лазерів, оскільки вони стали основними інструментами лікування пацієнтів. Застосування квантових генераторів для корекції зору і широкого спектру офтальмологічних додатків зросло після того, як Чарльз Кемпбелл у 1961 році став першим лікарем, який використовував червоний лазер у медицині для зцілення пацієнта з відшаруванням сітківки.

Пізніше для цієї мети офтальмологи почали застосовувати аргонові джерела когерентного випромінювання в зеленій частині спектра. Тут були задіяні властивості самого ока, особливо його лінзи, фокусувати промінь в області відшарування сітківки. Висококонцентрована потужність апарату її буквально приварює.

Хворим з деякими формами макулодистрофії може допомогти лазерна хірургія — лазерна коагуляція і фотодинамічна терапія. У першій процедурі промінь когерентного випромінювання використовується для герметизації кровоносних судин і уповільнення їх патологічного росту під макулою.

Подібні дослідження були проведені в 1940 роках із сонячним світлом, але для їх успішного завершення лікарям були необхідні унікальні властивості квантових генераторів. Наступним застосуванням аргонового лазера стала зупинка внутрішніх кровотечей. Селективне поглинання зеленого світла гемоглобіном — пігментом червоних кров’яних клітин — використовувалося для блокування кровоносних судин. Для лікування раку руйнують кровоносні судини, що входять в пухлину і забезпечують її поживними речовинами.

Цього неможливо досягти, використовуючи сонячне світло. Медицина дуже консервативна, як це і повинно бути, але джерела когерентного випромінювання отримали визнання в різних її областях. Лазери в медицині замінили багато традиційних інструментів.

Офтальмологія і дерматологія також отримали вигоду з ексімірних джерел когерентного випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні. Вони стали широко використовуватися для зміни форми рогівки (LASIK) для корекції зору. Лазери в естетичній медицині застосовуються для видалення плям і зморшок.

Прибуткова косметична хірургія

Такі технологічні розробки неминуче популярні серед комерційних інвесторів, так як володіють величезним потенціалом отримання прибутку. Аналітична компанія Medtech Insight в 2011 р. оцінила обсяг ринку лазерного косметичного устаткування на суму більше 1 млрд доларів США. Дійсно, незважаючи на зниження загального попиту на медичні системи під час глобального спаду, косметичні операції, засновані на використанні квантових генераторів, продовжують користуватися постійним попитом у Сполучених Штатах — домінуючому ринку лазерних систем.

Візуалізація та діагностика

Лазери в медицині відіграють важливу роль у ранньому виявленні раку, а також багатьох інших захворювань. Наприклад, у Тель-Авіві група вчених зацікавилася ІК-спектроскопією з використанням інфрачервоних джерел когерентного випромінювання. Причиною цього є те, що рак і здорова тканина можуть мати різну прохідність в інфрачервоному діапазоні. Одним з перспективних застосувань цього методу є виявлення меланом. При раку шкіри рання діагностика дуже важлива для виживання пацієнтів. В даний час виявлення меланоми робиться на око, тому залишається покладатися на майстерність лікаря.

В Ізраїлі раз на рік кожна людина може піти на безкоштовний скринінг меланоми. Кілька років тому в одному з великих медичних центрів проводилися дослідження, в результаті яких з’явилася можливість наочно спостерігати різницю в ВК-діапазоні різницю між потенційними, але небезпечними ознаками, і справжньою меланомою.

Кацир, організатор першої конференції SPIE з біомедичної оптики в 1984 році, і його група в Тель-Авіві також розробили оптичні волокна, прозорі для інфрачервоних довжин хвиль, що дозволило поширити цей метод на внутрішню діагностику. Крім того, це може стати швидкою і безболісною альтернативою цервікальному мазку в гінекології.

Блакитний напівпровідниковий лазер у медицині знайшов застосування у флюоресцентній діагностиці.

Системи на основі квантових генераторів також починають замінювати рентген, який традиційно використовувався в мамографії. Рентгенівські промені ставлять лікарів перед складною дилемою: для достовірного виявлення ракових утворень необхідна їх висока інтенсивність, але зростання радіації сам по собі збільшує ризик захворювання на рак. Як альтернативу вивчається можливість використання дуже швидких лазерних імпульсів для знімка грудей та інших частин тіла, наприклад, мозку.

ОКТ для очей і не тільки

Лазери в біології та медицині знайшли застосування в оптичній когерентній томографії (ОКТ), що викликало хвилю ентузіазму. Цей метод візуалізації використовує властивості квантового генератора і може дати дуже чіткі (порядку мікрону), поперечні і тривимірні зображення біологічної тканини в режимі реального часу. ОКТ вже застосовується в офтальмології, і може, наприклад, дозволити офтальмологу побачити поперечний переріз рогівки для діагностики захворювань сітківки і глаукоми. Сьогодні техніка починає використовуватися також і в інших областях медицини.

Одна з найбільших областей, що формуються завдяки ОКТ, займається отриманням волоконно-оптичних зображень артерій. Оптична когерентна томографія може бути застосована для оцінки стану схильної до розриву нестабільної бляшки.

Мікроскопія живих організмів

Лазери в науці, техніці, медицині також відіграють ключову роль у багатьох видах мікроскопії. У цій області було зроблено велику кількість розробок, метою яких є візуалізація того, що відбувається всередині тіла пацієнта без використання скальпеля.

Найскладнішим у видаленні раку є необхідність постійно вдаватися до послуг мікроскопа, щоб хірург міг переконатися, що все зроблено правильно. Можливість робити мікроскопію «наживо» і в реальному часі є значним досягненням.

Нове застосування лазерів у техніці та медицині — сканування в ближній зоні оптичної мікроскопії, яка може виробляти зображення з роздільною здатністю набагато більшою, ніж у стандартних мікроскопів. Цей метод заснований на оптичних волокнах з насічками на торцях, розміри яких менше довжини хвилі світла. Це дозволило субволнову візуалізацію і заклало основу для отримання зображення біологічних клітин. Використання даної технології в ВК-лазерах дозволить краще зрозуміти хворобу Альцгеймера, рак та інші зміни в клітинах.

ФДТ та інші методи лікування

Розробки в галузі оптичних волокон допомагають розширити можливості застосування лазерів і в інших сферах. Крім того, що вони дозволяють проводити діагностику всередині організму, енергія когерентного випромінювання може бути передана туди, де в цьому є необхідність. Це може бути використано в лікуванні. Волоконні лазери стають набагато більш просунутими. Вони кардинально змінять медицину майбутнього.

Область фотомедицини, що використовує світлочутливі хімічні речовини, які взаємодіють з тілом особливим чином, може вдатися до допомоги квантових генераторів як для діагностики, так і для лікування пацієнтів. У фотодинамічній терапії (ФДТ), наприклад, лазер і фоточутливий лікарський засіб може відновити зір у хворих з «вологою» формою вікової макулярної дегенерації, основною причиною сліпоти у людей у віці старше 50 років.

В онкології деякі порфірини накопичуються в ракових клітинах і флуоресціюють при освітленні певної довжиною хвилі, вказуючи на місце розташування пухлини. Якщо ці ж самі сполуки потім висвітлити іншою довжиною хвилі, вони стають токсичними і вбивають пошкоджені клітини.

Червоний газовий гелій-неоновий лазер в медицині застосовується в лікуванні остеопорозу, псоріазу, трофічних язв та ін., так як дана частота добре поглинається гемоглобіном і ферментами. Випромінювання уповільнює запальні процеси, запобігає гіперемії та набрякам, покращує кровопостачання.

Персоналізоване лікування

Ще дві області, в яких знайдеться застосування для лазерів — генетика та епігенетика.

У майбутньому все буде відбуватися на наноурівні, що дозволить займатися медициною в масштабах клітини. Лазери, які можуть генерувати фемтосекундні імпульси і налаштовуватися на певну довжину хвилі, є ідеальними партнерами для медиків.

Це відкриє двері для персоналізованого лікування, заснованого на індивідуальному геномі пацієнта.

Леон Голдман — родоначальник лазерної медицини

Говорячи про використання квантових генераторів у лікуванні людей, не можна не згадати Леона Голдмана. Він відомий як «батько» лазерної медицини.

Вже через рік після винаходу джерела когерентного випромінювання Голдман став першим дослідником, який застосував його для лікування захворювання шкіри. Техніка, яку застосував учений, проклала шлях подальшому розвитку лазерної дерматології.

Його дослідження в середині 1960 років призвели до використання рубінового квантового генератора в хірургії сітківки ока і до таких відкриттів, як можливість когерентного випромінювання одночасно розрізати шкіру і запечатувати кровоносні судини, обмежуючи кровотечу.

Голдман, який працював протягом більшої частини своєї кар’єри дерматологом в університеті Цинциннаті, заснував Американське товариство лазерів у медицині та хірургії і допоміг закласти основи безпеки лазерів. Помер у 1997 р.

Мініатюризація

Перші 2-мікронні квантові генератори були розміром з двоспальне ліжко і охолоджувалися рідким азотом. Сьогодні з’явилися діодні, що вміщаються в долоні, і ще більш мініатюрні волоконні лазери. Такого роду зміни прокладають шлях для нових сфер застосування і розробок. Медицина майбутнього буде мати крихітні лазери для хірургії головного мозку.

Завдяки технологічному прогресу відбувається постійне зниження витрат. Подібно до того як лазери стали звичними в побутовій техніці, вони почали відігравати ключову роль у лікарняному обладнанні.

Якщо раніше лазери в медицині були дуже великими і складними, то сьогоднішнє їх виробництво з оптичного волокна значно знизило вартість, а перехід на наноуровень дозволить ще більше скоротити витрати.

Інші застосування

За допомогою лазерів урологи можуть лікувати стріктуру уретри, доброякісні бородавки, сечові камені, контрактуру сечового міхура і збільшення простати.

Використання лазера в медицині дозволило нейрохірургам робити точні розрізи і виробляти ендоскопічний контроль головного і спинного мозку.

Ветеринари застосовують лазери для ендоскопічних процедур, коагуляції пухлин, виконання розрізів і фотодинамічної терапії.

Стоматологи використовують когерентне випромінювання для пророблення отворів, в хірургії десен, для проведення антибактеріальних процедур, зубної десенсибілізації та рото-лицьової діагностики.

Лазерний пінцет

Біомедичні дослідники по цілому світі застосовують оптичні пінцети, клітинні сортувальники, а також безліч інших інструментів. Лазерні пінцети обіцяють кращу і швидшу діагностику раку і використовувалися для захоплення вірусів, бактерій, дрібних металевих частинок і ниток ДНК.

В оптичному пінцеті пучок когерентного випромінювання застосовується для утримання і обертання мікроскопічних об’єктів, аналогічно тому, як металевий або пластиковий пінцет здатний підібрати маленькі і крихкі предмети. Окремими молекулами можна маніпулювати, прикріплюючи їх до склишок мікронного розміру або кульок з полістиролу. Коли промінь потрапляє в кульку, він викривлюється і чинить невеликий вплив, підштовхуючи кульку прямо в центр променя.

Це створює «оптичну пастку», яка здатна утримувати невелику частинку в пучці світла.

Лазер в медицині: плюси і мінуси

Енергія когерентного випромінювання, інтенсивність якої можна модулювати, використовується для розсічення, знищення або зміни клітинної або позаклітинної структури біологічних тканин. Крім того, застосування лазерів у медицині, коротко кажучи, зменшує ризик інфікування і стимулює загоєння. Застосування квантових генераторів у хірургії збільшує точність розсічення, однак, вони становлять небезпеку для вагітних і є протипоказання щодо вживання фотосенсибілізуючих ліків.

Складна структура тканин не дозволяє зробити однозначну інтерпретацію результатів класичних біологічних аналізів. Лазери в медицині (фото) є ефективним інструментом для знищення ракових клітин. Однак потужні джерела когерентного випромінювання діють без розбору і руйнують не тільки уражені, але і навколишні тканини. Ця властивість — важливий інструмент методу мікродісекції, який використовується для проведення молекулярного аналізу в цікавому місці з можливістю вибіркового руйнування зайвих клітин. Мета цієї технології полягає в подоланні гетерогенності, присутньої у всіх біологічних тканинах, для полегшення їх дослідження з чітко визначеної популяції. У цьому сенсі, лазерна мікродисекція внесла значний внесок у розвиток досліджень, у розуміння фізіологічних механізмів, які сьогодні можна чітко продемонструвати на рівні популяції і навіть однієї клітини.

Функціонал тканинної інженерії сьогодні став основним фактором у розвитку біології. Що станеться, якщо розрізати актинові волокна під час поділу? Чи буде ембріон дрозофіли стабільним, якщо зруйнувати клітку при фолдингу? Які параметри в меристемній зоні рослини? Всі ці питання можна вирішити за допомогою лазерів.

Наномедицина

Останнім часом з’явилося безліч наноструктур, що володіють властивостями, придатними для цілого ряду біологічних застосувань. Найважливішими з них є:

• квантові точки — крихітні світловипромінюючі частинки нанометрових розмірів, що використовуються у високочутливій клітинній візуалізації;
• магнітні наночастинки, які знайшли застосування в медичній практиці;
• полімерні частинки для інкапсульованих терапевтичних молекул;
• металеві наночастинки.

Розвиток нанотехнологій і застосування лазерів у медицині, коротко кажучи, революціонізувало спосіб введення лікарських засобів. Суспензії з наночастинок, що містять лікарські препарати, можуть підвищити терапевтичний індекс багатьох сполук (збільшити розчинність і ефективність, знизити токсичність) шляхом селективного впливу на уражені тканини і клітини. Вони доставляють діючу речовину, а також регулюють вивільнення активного інгредієнта у відповідь на зовнішню стимуляцію. Нанотераностика є подальшим експериментальним підходом, що забезпечує подвійне використання наночастинок, сполуки лікарський засіб, терапію та засоби діагностичної обробки зображень, що відкриває шлях до персоналізованого лікування.

Застосування лазерів у медицині та біології для мікродисекції та фотоаблації дозволило на різних рівнях зрозуміти фізіологічні механізми розвитку хвороби. Результати допоможуть визначити кращі методи діагностики та лікування кожного пацієнта. Розвиток нанотехнологій у тісному зв’язку з досягненнями в галузі візуалізації також будуть незамінними. Наномедицина є перспективною новою формою лікування деяких видів раку, інфекційних захворювань або діагностики.