Z-ANO - České vysoké učení technické v Praze

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
FAKULTA BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ
Katedra biomedicínské techniky
TÝMOVÝ PROJEKT
2012
Kristýna Müllerová
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
Fakulta biomedicínského inženýrství
Katedra biomedicínské techniky
Využití laserového záření pro léčbu plísňových
onemocnění
Účinky laserového záření a vedení tepla v tkáni
Vedoucí projektu: Mgr. Jana Urzová
Student:
Kristýna Müllerová
leden 2012
Anotace:
Název práce: Účinky laserového záření a vedení tepla v lidské tkáni
Naše práce v rámci týmového projektu se zabývá zejména účinky UV záření na tkáň.
Celý výzkum by měl vést k ověření metody, která by v budoucnu vylepšila způsob léčby
plísňových onemocnění. Podrobněji jsme se zabývali problematikou průchodnosti UV záření
lidským nehtem a germicidními účinky laserového záření, kterým je věnována
experimentální část projektu. Úvodní část je věnována základním vlastnostem UV záření a
jeho interakci s lidskou tkání, laserům a jejich využití v praxi a v neposlední řadě také různým
typům plísňových onemocnění kůže a jejich původcům, dermatofytům. V závěru jsou
uvedené metody, které jsme použili pro experimenty, výsledky, ke kterým jsme došli,
vyhodnocení a vize do budoucna.
Annotation:
Title: Effects of laser radiation and heat conduction in human tissue
Our work is particularly concerned with the effects of UV radiation on tissue. The
entire research should lead to averification method that would improve the
future treatment of fungal diseases. More detail, we examined the issue
of throughput UVgermicidními human fingernail and effects of laser radiation, which is
devoted to the experimental part of the project. The introductory part is devoted to basic
properties of UV radiation and its interaction with human tissue, lasers and their
application in practice and, ultimately, various types of fungal skin diseases and
their agents, dermatophytes. At the end are the methods that we used for the experiments,
the results, which we reached, evaluation and visions for the future.
Prohlášení:
Prohlašuji, že jsem týmový projekt s názvem
…………………………………………………………………………………………………..
vypracovala samostatně a použial k tomu úplný výčet citací použitých pramenů, které uvádím
v seznamu přiloženém k práci.
Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu §60 Zákona č.121/2000 Sb.,
o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů
(autorský zákon).
V ……………. dne ………………
…………………….
Podpis
I
Obsah:
Úvod ...................................................................................................................................1
1.
UV záření .....................................................................................................................1
1.1.
Historie UV záření ........................................................................................................1
1.2.
Základní vlastnosti UV záření .......................................................................................2
1.3.
Dělení UV záření. .........................................................................................................2
1.4.
Vliv UV záření na člověka .............................................................................................3
1.5.Využití UV záření ...............................................................................................................4
2.
Laser ............................................................................................................................5
2.1.
Konstrukce laserů ........................................................................................................6
2.2.
Dělení laserů ................................................................................................................6
2.3.
Excimerový laser ..........................................................................................................7
2.4.
Využití laseru v dermatologii ........................................................................................8
2.5.
Působení laserového záření na tkáň .............................................................................8
3.
Plísňová onemocnění, jejich příčina a léčba ...............................................................13
3.1.
Dermatofytóza ...........................................................................................................13
3.2.
Onychomykóza ..........................................................................................................14
3.3.
Plísně způsobující dermatofytózu a onychomykózu ...................................................15
3.4.
Léčba .........................................................................................................................19
4.
Metody ......................................................................................................................21
5.
Použité přístroje a zařízení .........................................................................................22
6.
Měření .......................................................................................................................23
7.
Závěr a vize do budoucna ...........................................................................................24
8.
Seznam použité literatury ..........................................................................................25
II
Úvod
V dnešní době je laserové záření používáno již ve většině odvětví medicíny, neboť
výhody spojené s laserem dalece převyšují možná rizika. Laserové operace jsou přesné,
časově nenákladné a oproti běžným operacím je obecně i kratší následná doba
rekonvalescence.
První pokusy léčby plísňového onemocnění nehtů pomocí laserového záření jsou
dokumentovány již v roce 1980, v praxi šlo ale jen o vyhloubení děr v nehtu pomocí laseru a
následné aplikaci masti. V této době je léčba plísňových onemocnění nehtů zprostředkována
převážně perorálními antimykotiky, kde je léčba dlouhodobá a častokrát se musí opakovat
kvůli návratu plísně. Mezi další možnosti patří chirurgické odstranění nehtu (velmi bolestivé)
nebo antimykotické masti, roztoky a laky (častá aplikace a méně účinné). Je známo, že záření
v oblasti UV spektra je vysoce germicidní. *2+ Tudíž je zde teoretická možnost léčby těchto
onemocnění pomocí laserového záření v UV spektru. Teoretická část obsahuje základy UV
záření, jeho rozdělení, vliv na lidský organismus a tkáň, dále pak základní rozdělení laserů a
problémy které mohou nastat při interakci laserového záření s tkání. V experimentální části
se poté věnujeme průchodu UV záření skrz nehet (a tudíž možnému poškození tkáně pod
nehtem) a účinnosti UV záření na různé druhy plísní způsobující onemocnění nehtů.
Teoretická část:
1. UV záření
1.1. Historie UV záření
Ultrafialové záření bylo objeveno již v roce 1801 německým fyzikem Johannem
Wilhelmem Ritterem, který pozoroval dopad slunečního světla rozloženého optickým
hranolem na pruhy papíru namočené v chloridu stříbrném. Zjistil, že neviditelné paprsky
těsně za fialovým koncem spektra mají největší efekt (papír zčernal). Tyto neviditelné
1
paprsky poté nazval "oxidačními paprsky". Objev UV záření o vlnových délkách kratších než
200nm byl učiněn v roce 1893 německým fyzikem Victorem Schumannem.
1.2. Základní vlastnosti UV záření
Ultrafialové záření je elektromagnetické záření o vlnové délce v rozmezí 10nm až 400nm.
Přestože je UV záření pro lidské oko neviditelné, většina lidí si je vzhledem k tomu, že je jeho
přirozeným zdrojem slunce, vědoma jeho vlivu (spálení od slunce). Někteří živočichové jsou
ale schopni UV záření (konkrétně UV-C) vnímat. Například pro lidské oko vypadají samice a
samec motýla stejně, ale motýli se navzájem od sebe rozeznají díky ultrafialovým značkám
na křídlech (jsou schopni vidět vlnové délky přibližně od 310nm do 700nm). UV záření se
nachází ve slunečním světle a je emitováno tělesy zahřátými na vysokou teplotu (např.
elektrickým obloukem) nebo výbojkami, které jsou naplněné párami rtuti (např. UV lampy).
Ultrafialové záření má uplatnění v mnoha oborech - forenzní analýzy, analýzy proteinů, UV
vodoznaky, desinfekce, analýza chemických struktur a mnoho dalších.
1.3. Dělení UV záření.
UV záření můžeme dělit dle různých parametrů, standart ISO (21348 -2004) pro určení
slunečního záření rozděluje spektrum UV záření následovně:
Spektrální podkategorie
Vlnová délka λ [nm]
Název
UV
100 - 400
UV
VUV
10 - 200
Vakuové UV
EUV
10 - 121
Extrémní UV
H -lyman -α
121 - 122
Hydrogen Lyman-alpha
FUV
122 - 200
Daleké UV
UVC
100 - 280
UV C
MUV
200 - 300
Středně dlouhé UV
UVB
280 - 315
UV B
NUV
300 - 400
Blízké UV
UVA
315 - 400
UV A
Tab. 1-Rozdělení UV záření dle vlnových délek
2
Podkategorie do sebe navzájem zasahují neboť VUV, EUV, FUV, MUV, NUV je používáno
pro rozdělení ve fyzice a UVA, UVB a UVC je používáno z hlediska biologických účinků, které
jsou pro nás důležité. Slunce emituje záření ve vlnových délkách UVC až UVA, z toho je ale
97-99% blokováno v atmosféře ozónovou vrstvou. Záření které pronikne, je z cca 98% UVA
záření, běžné okno propustí zhruba 90% světla s vlnovou délkou delší než 350nm, ale
nepropustí přes 90% světla s vlnovou délkou kratší než 300nm.

UVA (315-400nm)- Spektrum UVA má nejméně ničivý účinek na lidskou tkán, přesto
však může pomocí nepřímého poškození DNA přispět k rakovině kůže. Toto záření
téměř nepůsobí popáleniny a proniká hlouběji, kde může vytvářet vysoce reaktivní
hydroxylové a kyslíkové radikály, které pak mohou poškozovat DNA. Stimulací
melanocytů způsobuje krátkodobé zhnědnutí kůže, které nepředstavuje žádnou
ochranu proti slunci. Vzhledem k poškozování kolagenu tímto zářením kůže ztrácí
elasticitu a předčasně stárne.

UVB (280-315nm) - Ze slunečního spektra se UVB podílí nejvíce na poškozování
buněk a působí přímé poškození DNA. Je příčinou spálení od slunce a díky mutaci
DNA i rakoviny kůže. UVB má dále největší dopad na poškození očí, dokáže až zcela
spálit tyčinky, čípky a nervová zakončení v rohovce (způsobuje např. sněžnou
slepotu). Se zpožděním 72 hodin po ozáření způsobuje ve svrchní vrstvě kůže
dlouhodobé zhnědnutí, které ochraňuje před UV zářením. Současně vystavení
tomuto záření vede k tvorbě vitaminu B3 (cholekalciferol- protirakovinotvorný
účinek), takže je životně nutné. Způsobuje také poškození kolagenu, ale v daleko
menší míře nežli UVA.

UVC (100-280nm) - Je nejtvrdší UV záření, způsobuje vznik ozónu. V přírodě se téměř
nevyskytuje, stejně jako FUV a VUV je zcela absorbováno v atmosféře. Toto záření je
vysoce germicidní, a proto je používáno k ničení bakterií. Nadměrné vystavení
tomuto záření může způsobit popáleniny a mutace DNA, navíc je velmi bolestivé.
Průnik tohoto záření tkaní je proti UVB poměrně větší.
1.4. Vliv UV záření na člověka
Většina lidí si je vědoma pouze škodlivých účinků UV záření, přestože je pro nás životně
důležité. Vystavení se UVB záření vede k produkci vitamínu D3 regulujícímu vápník v
3
organismu (důležitý pro správnou činnost nervového systému, růst kostí), imunitní systém,
sekreci inzulinu nebo krevní tlak. Krátké vystavení tomuto záření vede také k menšímu
přímému poškození DNA, které je pak díky fotolyáze (opravný mechanismus DNA)
rozpoznáno a opraveno, což následně zvýší produkci melaninu, který vytvoří dlouhodobou
ochranu proti UV záření. Dále je UV záření používáno například k léčbě psoriázy (lupénky),
fototerapie využívá UVB složku záření a fotochemoterapie UVA složku v kombinaci s tablety
psoralenu, či k léčbě vitiliga (nemoc při které odumírají buňky tvořící kožní pigment).
1.5.Využití UV záření
Při působení UV záření je rozhodující rozsah vlnových délek (od UV-A do UV-C). Podle
Grotthus-Draperova zákona jsou účinné pouze složky paprsků, které jsou pohlcovány
ozařovaným materiálem. Musí tedy docházet k absorpci složkami biologické hmoty, aby
mělo nějaký účinek. Zajímavé jsou v tomto ohledu proteiny a nukleové kyseliny. Pro
tryptofan, thyrosin a fenylalanin je charakteristická absorpce právě UV paprsků o vlnových
délkách 250-300 nm. Podobné vlnové délky jsou schopny absorbovat i proteiny.
Pokud se do problematikyzavrtáme hlouběji, dostaneme se až k procesu dělení
buňky, které je rozčleněno do několika fází, kdy se na příklad buňky diferencují a získávají tak
charakteristické vlastnosti, rostou, opravují své DNA, připravují DNA na replikaci, replikují se
(kopírují genetickou informaci uloženou v DNA), kopírují ostatní své organely a připravují se
na dělení jádra, karyokinezi, a následně na dělení celé buňky, cytokinezi. Základní stavební
jednotkou DNA je nukleotid, který se skládá ze sacharidu deoxyribóza, kyseliny fosforečné
(H3PO4) a bází, což jsou dusíkaté organické zásady adenin, thymin, guanin a cytosin. Tyto
báze spojují dva řetězce na základě své komplementarity. Adenin prvního řetězce je vždy
spojen s thyminem druhého řetězce, a stejně tak cytosin s guaninem tvoří dvojici
Replikace DNA probíhá tak, že se DNA dvojšroubovice, tzv. matrice, na podnět
enzymů rozpojí a v prostoru kolem, tj. uvnitř jádra, je nalezena k matriční bázi báze
komplementární, která je následně pomocí dalších enzymů navázána na původní řetězec. Na
oba dva rozpojené řetězce se tedy postupně navážou komponenty, které jsou přesnou kopií
původního odpojeného řetězce a vznikají tak z jedné matriční dvoušroubovice DNA dvě
dceřinné, naprosto identické.
4
Obrázek 1: Replikace DNA [6]
1.5.1. Dezinfekce
UV záření vyvolává změny na DNA (fotochemické reakce), při kterých dochází
k tvorbě dimerů thyminových bází, čímž je blokována vazba thyminu na adenin, která je
nezbytná právě k replikaci a tím i k množení buněk, jejich látkové přeměně a k přežití. [7]
UV-technologie využívají právě této vlastnosti při desinfekcích bazénů, kde ničí bakterie,
viry, plísně a jejich spory. Tímto způsobem zabraňuje jejich přenesení či rozmnožení na kůži,
v trávicím traktu, v očích nebo dýchacích cestách.[5]
Právě tento směr využití je inspirací pro realizaci takové metody při léčbě plísňových
onemocnění kůže (tzv. dermatofytóz), která by ničila dermatofyty způsobující tato
onemocnění rychle, efektivně a snad i dlouhodoběji, než dosavadní metody.
2. Laser
Laser je zkratka anglického LightAmplification by StimulatesEmissionofRadiation, což
můžeme přeložit jako „Zesílení světla pomocí stimulované emise záření“. K řečené emisy
dochází díky tomu, že námi dodanou energií vybudíme atomy z jejich základního,
5
počátečního stavu do stavu vzbuzeného, excitovaného. Atomy však mají tendenci se opět
vracet do svého základního stavu, na základní energetickou hladinu. Právě pádem
z hladin s vyšší energií na hladinu s nižší energií dochází k uvolnění energie v podobě
fotonů. Tyto fotony dopadají na další „klidné“ atomy, kterým touto srážkou opět dodají
energii a vybudí je do vyšších energetických hladin odkud opět následně padají zpět.
Vzniká tak řetězová reakce a získaná energie se hromadí v optickém rezonátoru.
Laserové záření je koherentní (všechny paprsky kmitají se stejnou fází),
monochromatické (všechny paprsky mají stejnou vlnovou délku) a polarizované (vektor
intenzity elektromagnetického pole se nemění nahodile, jako tomu je u
nepolarizovaného světla, ale kmitá pouze jedním směrem a kolmo na směr šíření).
2.1. Konstrukce laserů
Zdroj je nedílnou součástí každého laseru. Může být optický, elektrický, nebo chemický.
Zdrojem je energie dodávána do aktivního prostředí, kde slouží k vybuzení atomů do vyšších
energetických hladin, do jejich excitovaných stavů. Výkon tohoto budícího zařízení a celková
konstrukce zrcadel uvnitř zařízení určují optický výkon laseru.
Optický rezonátor je tvořen soustavou dvou zrcadel, z nichž jedno je nepropustné, má
postříbřený povrch a jeho reflektance dosahuje nad 99 %. Druhé zrcadlo je polopropustné
s reflektancí od 8 až do 90 %.Fotony vznikající stimulovanou emisí se odrážejí od zrcadel a
zmíněnou řetězovou reakcí se zde hromadí a tím se zvyšuje intenzita světla uvnitř
zeronátoru. Po dosažení určité hodnoty výboj pronikne skrz polopropustné zrcadlo
ven.Jakmile je energie takto vyzářena , atomy se vrací zpět do svého počátečního stavu.*8]
2.2. Dělení laserů
Kontinuální – získání kontinuálního provozu laseru s tuhou fází s optickým vybuzením je velmi
náročné. Způsobuje to nevyhnutelnost používat dostatečně silný kontinuální zdroj
budícího světla a je třeba odvádět velké množství tepla, které v laseru vzniká. Hodnota
špičkového výkonu se pohybuje do 100 W
Impluzní- jsou zdrojem mohutných světelných záblesků, trvajících někdy jen
stomiliontinu sekundy. K hromadění energie může docházet v rezonátoru (fotony) nebo
v atomárním systému (inverzní obsazení). Impulsní lasery dosahují o řád vyšších
6
špičkových výkonů (<1000 W), než lasery kontinuální.
Kvazikontinuální- vyznačuje se spínáním zdroje pouze na určité
časové úseky. Tím pádem jsou omezeny nežádoucí tepelné účinky, avšak tyto časové
úseky jsou dostatečně dlouhé na to, abychom provoz označili za kontinuální.
Kvazikontinuální laser poskytuje vysoký špičkový výkon za cenu nižšího průměrného výkonu
Neinvazivní terapeutické - mají oproti invazivnímu laseru mnohem nižší výkon. Základním
mechanismem působení je stimulace buněčných aktivit (především mitochondrií).
Kromě stimulačního efektu má terapeutický laser také analgetický a protizánětlivý účinek
Nejvíce využíván je v dermatologii – při léčení kožních defektů, akné, herpetických
insektů, problematických ran atd. Laser našel stabilní uplatnění v chirurgii, v ortopedii i
rehabilitační medicíně, při terapii popálenin, různých ran, při bolestivých stavech svalů, kloubů,
úponů. Prosadil se i tam, kde je pro klinika cenný efekt stimulace, úlevy od bolesti, utlumení
zánětlivých pochodů. V dnešní době je hojně rozšířen v estetické medicíně. Pomocí aplikace
kosmetického gelu, jehož substance jsou aktivovány laserovým zářením, dochází k jednoznačným
pozitivním efektům – tonizaci a rejuvenaci ošetřovaných částí..
Invazivní chirurgické lasery - disponují vyšším výkonem než lasery terapeutické. Jejich princip
působení nespočívá ve stimulaci, nýbrž v odstraňování, řezání, přichycení nebo jiné
manipulaci s tkání. Výše uvedených účinků invazivních laserů na tkáň se využívá zejména
v oftalmologii při očních operacích. Využívá se jevů jako je fototermická afotoevaporizační
laserová terapie, excimerováfotoablace (fototerapeutická keratektomie – PTK, fotorefraktivní
keratektomie – PRK, Laser in situkeratomileusis - LASIK).
Další oblastí využití invazivních laserů je chirurgie, kde se krvácející rány zastavují
pomocí fotokoagulace, nádory odstraňují fotodisrupcí.
Převzato z [8]
2.3. Excimerový laser
Excimer je molekula, která je velice nestabilní a vzniká jen na přechodnou dobu, a to při
srážce atomu v jeho základním stavu se svazkem elektronů o vysoké energii. Ve vzbuzeném
stavu má potenciální energie lokální minimum, a proto se při vzájemném přiblížení atomů
vytváří vázaný stav, excimer. Komponenty se v excitovaném stavu přitahují a v základním
odpuzují.
7
Při návratu do základního stavu se molekula excimeru opět rozpadá na jednotlivé atomy.
Slovo excimer je složeninou slova excited (tj. vzbuzený) a dimer (tj. chemická sloučenina
dvou stejných nebo podobných podjednotek).
Excimerový laser je laser plněný plynnou směsí. Využívá se u něj stimulovaných
přechodů excimerů z jejich vzbuzeného stavu do stavu základního, kdy je využívána energie
uvolněná při pádu. Vzniklé optické záření je zesilováno, přičemž k docílení výstupní energie
v řádech stovek kilojoulů jsou využívány vlastnosti plynných směsí (např. Kr +F + He + Ne) a
tlak 2-4 atmosféry působící na objem 40-60 litrů. Plyn bývá tvořen z 88-99 procenty
bufferem (Ne, He).Tyto lasery jsou impulsní, jsou buzeny buďto silnoproudým svazkem nebo
el.výbojem.[8][9]
2.4. Využití laseru v dermatologii
První použití excimerového laseru pro dermatologii bylo prezentováno v roce 1997.
Nyní je bráno jako vylepšení konvenční fototerapie a fotochemoterapie. UV zářením jsou
indikovány lupénky, poruchy pigmentace a atopický ekzém. Jsou schválené aplikace laserem
XeCl o vlnové délce 308 nm, frekvenci 250 Hz a dávce 4 – 350 mJ/cm2, které se používají
právě při léčbě lupénky a pigmentových skvrn.
2.5. Působení laserového záření na tkáň
2.5.1.
Fyzikální procesy
Interakci laserového záření s tkání ovlivňuje několik faktorů. Primární význam má
vlnová délka, dále výkon a hustota výkonu, doba vystavení, jedná-li se o pulzní laser pak
také délka a frekvence pulzu, druh tkáně a optické vlastnosti tkáně. Většina organických
molekul vykazuje vysokou absorpci v ultrafialovém spektru a proto je průnik UV velmi
slabý. Během optické fáze při dopadu laserového záření na tkáň dochází k následujícím
fyzikálním procesům. Absorbanci (pohlcení záření), transmitanci (průchod záření),
rozptylu a reflexi (odražení).
8
Obrázek1: Průchod laserového záření tkání z optického hlediska

Absorbance je přenos energie ze záření do ozařované tkáně. V ideálním případě
(žádný rozptyl paprsku), pokud je nějaké prostředí ozařováno paprskem světla o
intenzitě l0 můžeme použít Lambert-Beerův zákon pro monochromatické záření
𝐼 = 𝐼0 𝑒 −𝜇𝑑
μ je absorpční koeficient prostředí (tkáně), d tloušťka prostředí (tkáně) a I intenzita záření po
průchodu a poté pro absorbanci
𝐴 = 𝑙𝑜𝑔

𝐼0
𝐼
Optický rozptyl je způsoben nehomogenním indexem lomu v daném prostředí. Jeho
intenzita a prostorové rozložení závisí na velikosti a tvaru nehomogenity vzhledem
k vlnové délce a rozdílech v indexu lomu.

Transmitance určuje množství světla, které prošlo daným prostředím. Je definována
následovně:
𝑇 = 𝑙𝑜𝑔
𝐼
𝐼0
kde I je intenzita světla po průchodu prostředím a I0intenzita světla před průchodem.

Reflexe je odraz paprsku na rozhraní dvou prostředí s různým indexem lomu
9
2.5.2.

Účinky laserového záření na tkáň
Fotochemické efekty - Při nízké hustotě výkonu a dlouhých časech působení dochází
ve tkáních k fotochemickým procesům. Takovéto reakce mohou probíhat již při
malých intenzitách a jsou vyvolány zářením o vlnových délkách kratších než 400nm. U
expozic, které jsou delší než cca 1ms, bude laserové záření o vlnových délkách
kratších než 320nm narušovat chemické vazby v nukleových kyselinách a může
způsobovat mutace. V této reakci absorpce fotonu vnějšími elektrony je nutná
k zajištění excitovaného molekulárního elektronového stavu, ze kterého chemická
reakce může nastat. Toho je využíváno v rozsáhlé oblasti fotodynamické terapie a
nachází použití při terapii bolesti, urychlení hojení ran a léčbě alergií.

Fototermické efekty - Od hustot výkonu kolem 100W/cm2 dochází k fototermickým
změnám ve tkáních. Tento efekt je typický pro záření s delší vlnovou délkou (700nm a
více). Může se jednat o hypertermii- mírné zvýšení teploty o několik stupňů (teplota
tkáně od 41° do 44°C), což při delší době (desítky minut) vede k buněčné smrti v
důsledku změn v enzymatických procesech. Při teplotách od 50° do 100°C a době
okolo jedné sekundy je tkáň koagulována. Jedná se o denaturaci proteinů a kolagenu
vedoucí k nevratné bezprostřední nekróze tkáně. Při teplotě přesahující 100° dochází
k vypařování tkáně již v relativně krátké době (cca desetina sekundy) Vlivem přenosu
tepla v tkáni se vytvoří v okolí ozářeného místa koagulační zóna. Touto metodou je
možné zničit větší tumory (i několik milimetrů v průměru) než při použití
běžnékoagulace. Tento proces je používán při hemostázi, rozrušení tkání (terapie
tumoru, vyhlazení vrásek). Další použití je v oblasti operací sítnice.

Fotoablace - Při hustotách výkonu nad 106W/cm2d a krátkých vlnových délkách (cca
190-300nm) dochází k fotoablaci. Určitý objem tkáně je přitom náhle zahřát a
odpařen, neboť elektrické pole související se zářením je větší než vazebná energie
mezi molekulami. Pokud je tkáň vystavena cílenému pulsu excimerového laseru,
energie tohoto pulsu bude při krátké vlnové délce UV záření absorbována v tenké
vrstvě materiálu (většinou méně než 0,1μm). Díky vysokému výkonu ve špičce
10
soustředěnému do tenké vrstvy dojde k rozbití chemických vazeb. Výsledné
molekulární fragmenty následně expandují do oblaku plazmy, která nese tepelnou
energii vyvolanou rozpadem. V důsledku krátkosti času, potřebného k odpaření,
nedochází k přenosu tepla tepelnou vodivostí na okolní tkáň. Pro CO 2 kontinuální
lasery (vlhká tkáň absorbuje CO2 laserové záření velmi dobře) můžeme vypočítat
rychlost ablace takto:
𝑣 = 𝑓𝐸/𝑄
kde E je hustota záření [W/cm2], Qteplo potřebné k vypařování vody [J/cm2],f účinnost
přeměny energie absorbované na ablaci.
Při využití kontinuálního Nd:YAG laseru se vyžaduje nejdříve vytvoření vrstvy karbonizované
tkáně než nastane ablace. Laser tak nejdříve jen ohřívá a vysušuje tkáň, což poté zapříčiní její
oxidaci a vytvoří se zuhelnatělá vrstva. Tento proces je díky ohřívání, sušení, odpařovaní
složitější. rychlost ablace můžeme vyjádřit:
𝑣 = 𝑓 ∗ 𝜇𝑎 ∗ 𝑑 ∗ 𝑘 ∗ 𝐸/𝑄
KdeEje hustota záření [W/cm2], Q teplo potřebné k vypařování vody [J/cm2], μ0 absorpční
koeficient karbonizované tkáně *cm -1], d tloušťka karbonizované tkáně *cm+, k faktor zvětšení
vzhledem k mnohanásobnému průchodu světla skrz karbonizovanou vstvu, ,f účinnost
přeměny energie absorbované na ablaci.
Např. V oční chirurgii se takto používají excimerové lasery s pulsy (18 ns).

Fotomechanické efekty - Mechanické účinky mohou vést buď k vytvoření plazmy,
explozivnímu vypařování nebo kavitaci a s každým z těchto jevů je spojen vznik
rázové vlny. S pevnolátkovými lasery se dosahuje velmi vysoké intenzity záření na
malou plochu (1010 až 1012W/cm2 při délce pulsu piko až nanosekunda). Takováto
intenzita ionizuje atomy a vytvoří plazmu. Na hranici ionizované oblasti je poté velmi
vysoký tlakový gradient, který způsobuje šíření rázové vlny. Ještě vyšší hustoty
výkonu až do oblasti 109W/cm2 jsou dosahovány pevnolátkovými lasery. Požití je
například při operacích šedého zákalu.
2.5.3.
Faktory ovlivňující přenos tepla
11
Přenos tepla v tkáních ovlivňují termofyzikální vlastnosti tkáně, geometrie ozařování
organismu, produkce tepla způsobená absorpcí laserového světla, produkce tepla vzniklá
metabolickými procesy, produkce tepla vzniklá perfúzí krve a mechanismy regulující teplo.
Pro zachování celkové energie v určitém objemu platí tato rovnice:
𝑞𝑝 = 𝑞𝑢 + 𝑞𝑧 + 𝑊
kde qp představuje přijatou energii, quenergii uskladněnou ve tkáni, qq energetické ztráty a
W vykonanou práci.
Tepelný tok v tkáni v závislosti na vedení tepla, může být pak vyjádřen takto:
𝑓 = −𝑘∇𝑇
kde fje .vektor tepelného toku, k je součinitel tepelné vodivosti a 𝜵T se rovná maximální
změně teploty na jednotku vzdálenosti
Při přenosu tepla uvnitř tkáně jsou potom zásadní dva hlavní parametry - tepelná vodivost
tkáně a průtok krve:
𝑓∇= −𝜌𝑐
𝜕𝑇
+ 𝑞𝑝 + 𝑆
𝜕𝑡
kde 𝝆je hustota [kg.𝑚3 +, c je měrné teplo *J . kg-1 . K-1]a 𝒒𝒑 je množství tepla daného
prouděním krve.
Generované teplo v daném místě za jednotku času při velmi malé tloušťce (Δz) je dáno
následovně:
𝑆 𝑧 =
𝐼 𝑧 − 𝐼(𝑧 + 𝛥𝑧) 𝜕𝐼(𝑧)
=
= 𝜇𝑎 ∗ 𝐼(𝑧)
𝛥𝑧
𝜕𝑧
kde z je pozice, μa absorpční koeficient v daném místě a I(z) hustota zářivého toku v daném
místě.
Tato rovnice vyjadřuje, že generované teplo ve tkáni je rovno absorbované energii a může
být popsáno jako absorpční koeficient násobený intenzitou v daném místě. Ve většině
případů je světlo zároveň absorbováno i rozptýleno ve vzorku. Paprsek je tlumen dle
12
Lambert-Beerova zákona, součinitel zeslabení je ale poté dán součtem koeficientů absorpce
a rozptylu, nazývá se celkový součinitel zeslabení:
𝜇 = 𝜇𝑎 + 𝜇𝑠
kde μr je celkový součinitel zeslabení, μa absorpční koeficient, μsrozptylový koeficient.
Při použití kontinuálního laserového záření použít pro výpočet energie E *W/m 2+ následující
rovnici :
𝐸 𝑧 = 𝐸0 𝑒 −𝜇𝑡𝑧
a pro pulzní laser: H [j/m2]:
𝐻 𝑧 = 𝐻0 𝑒 −𝜇𝑡𝑧
3. Plísňová onemocnění, jejich příčina a léčba
3.1. Dermatofytóza
Nejsvrchnější vrstva pokožky je tvořená mrtvými zrohovatělými buňkami obsahujícími
keratin.Stejně tak se z této látky skládá struktura nehtů a vlasů. Keratin je stavební bílkovina,
kterou je tvořen buněčný cytoskelet (mikrotubuly a mikrofilamenta).Za dermatofytózy jsou
označována onemocnění kůže způsobená plísněmi, dermatofyty, které jsou schopné využívat
látku keratin jako zdroj živin. Majítotiž k dispozici takové enzymy, které dokážou tuto látku
účinně rozkládat.Kolonie dermatofytů sice napadají neživé části tkáně, nicméně už jejich
přítomnost a jejich metabolické produkty způsobují u hostitele alergické a zánětlivé reakce.
Dermatofytózy rozlišujeme podle místa kontaminace, druhu hostitele a druhu plísně.
Některé plísně napadají výlučně člověka, některé přežívají v půdě a způsobují infekce po
fyzickém kontaktu. Stejně tak se i ty, které primárně parazitují na zvířatech, mohou přenést
na člověka. Za onychomykózy označujeme plísňové infekce nehtů, a právě jimi se budeme
v této práci podrobněji zabývat.
13
3.2. Onychomykóza
Onychomykóza se řadí mezi nejčastější dermatologické potíže. Jak dokázaly studie
četnosti této nemoci v U.K., Finsku a Spojených Státech Amerických, nakažených stále
přibývá.Ve Spojených Státech se uvádí, že mezi postižené patří 7-10% populace[1], což by
v České republice znamenalo přibližně 800 tisíc obyvatel. Nejvíce znepokojující je tato nemoc
u starších lidí, pacientů s diabetem, či infekční celulitidou, s nimiž jde velice často ruku v ruce
a vážně komplikuje jejich léčbu. Distální a laterální podnehtováonychomykóza je nejčastější
formou onychomykózy a výrazně zhoršuje kvalitu života ať už bolestmi při chůzi, či
nevzhledností, kvůli níž pacienti své nehty schovávají a dál je uzavírají do bot, kde se nemoc
díky vhodným podmínkám ještě zhorší. *3+

Příčiny vzniku onychomykózy
o Nošení uzavřené a neprodyšné obuvi z nevhodných materiálů
o Hromadné využívání plaveckých bazénů
o Traumatizace nohy při delší námaze, např. sportu, turistických
výpravách atd.
o Některá onemocnění, zvlášť cukrovka, cévní onemocnění a obezita
o Zvýšené pocení nohou, hlavně v letním období
o Širší užívání antibiotik a kortikosteroidů [3]
Obrázek 3: Onychomykóza
14
3.3. Plísně způsobující dermatofytózu a onychomykózu
3.3.1.
Trichophyton rubrum
Tento druh se stal nejrozšířenější příčinou plísňových onemocnění u člověka.
Způsobuje chronické infekce pokožky a nehtů. Jsou známy dva typy tohoto druhu, chmýřitý a
granulovitý.Granulovitý typ byl častou příčinou dermatomykózy trupu (tineacorpotis) mezi
domorodci v jihovýchodní Asii a severní Austrálii. Po ukončení války ve Vietnamu se však
s návratem vojáků tato nemoc rozšířila postupně po celém světě.
Obrázek 4: Trichophyton r. pod mikroskopem –chmýřitý typ(vlevo) a granulovitý typ(vpravo)
3.3.2.
Trichophyton interdigital
Dalším typem plísně, způsobujícím u lidí dermatomykózy a onychomykózy je
Trichophyton interdigital. Tyto kolonie tvoří ploché kruhové útvary bílé až krémové barvy se
semišovým povrchem. Starší kultury zespodu tmavnou a získávají narůžovělou až červenohnědou barvu. Je charakteristická tím, že na kůži vytváří drobné puchýřky.
Obrázek 5: Kultura Trichophyton interdigital a struktura jejích kolonií pod mikroskopem
3.3.3.
Microsporum canis
15
Kolonie této plísně jsou obvykle bílé až krémové barvy s povrchem, na němž se
mohou vyskytovat i radiální drážky. Jde o dermatofyt rozšířený po celém světě. Zvířata,
typicky kočky a psi, jsou hlavními přenašeči infekce na člověka. Infekce se drží ve vlasech a na
kůži, jen zřídka kdy na nehtech.
Obrázek 6: Kultura Microsporum canis a struktura jejích kolonií pod mikroskopem
3.3.4.
Trichophyton mentagrophytes
Jde o typ plísně tvořící kolonie bílé až krémové barvy s prachovým až zrnitým
povrchem. Je uspořádaná centrálně a šíří se kruhovitě. Periferní oblasti se barví od žlutohnědé až po červeno-hnědou barvu. Tato forma napadá zejména zvířata, v první řadě myši,
morčata, klokany, kočky, koně , ovce a králíky. U lidí napadá pokožku hlavy v oblasti temene
a pod fousy.
Obrázek 7: Klokan napadený Trichophyton mentagrophytes na hřbetě a kultura této plísně
16
Obrázek8: Kolonie Trichophyton mentagrophytes pod mikroskopem
3.3.5.
Trichophyton mentagrophytes var. Quinckeanum
Tato forma Trichophyton mentagrophytes zvaná quinckeanum se liší tvarem kolonií,
které v tomto případě nejsou zcela ploché, ale mírně rostou i do výšky a tvoří tak nápadné
textury. Zbarvení při okrajích nedosahuje hnědo-červené barvy, charakteristický je však jeho
štiplavý zápach. Jde o formu napadající převážně zvířata, zejména myši. U lidí se s tímto
typem plísně můžeme setkat velice zřídka, a to na temeni hlavy a pod vlasy.
Obrázek 9: Napadená myš a kultura Trichophyton mentagrophytes typu quinckeanum
Obrázek 10: Trichophyton mentagrophytes quinckeanum pod mikroskopem
17
3.3.6.
Epidermophyton floccosum
Tyto kolonie jsou zeleno-hnědé barvy se semišovým povrchem. Periferie jsou ploché.
U starších kultur se mohou objevit bílé chomáčky mycelia. Jde o celosvětově rozšířený
dermatofyt, který napadá lidskou pokožku a způsobuje plísňová onemocnění na chodidlech,
ve stydké oblasti, v oblasti třísel, na vnitřní straně stehen, na trupu i na nehtech.
Obrázek 11: Kultura Epidermophyton floccosum

Následující obrázky mapují nejčastější oblasti nákazy a nejčastější dermatofyty
parazitující na lidech:
Obrázek 12: Plíseň způsobená Trichophyton rubrum (vlevo) a T. intrdigital (vpravo)
18
Obrázek 13: Čtyři různá místa postižená plísní Trichophyton rubrum
Obrázek 14: Microsporum canis na hlavičce dítěte po kontaktu s kočkou a ve vlasech
3.4. Léčba
Způsobů léčby je hned několik, avšak žádná z nich není jednoduchá, rychlá, ani
stoprocentně účinná. Pokud se s ní začne pozdě, je nedokončená, nebo se zvolí špatný
způsob, může způsobit vážné komplikace.
3.4.1.
Způsoby léčby
19
Dle rozsahu a stádia infekce je třeba volit mezi domácí léčbou, lokálním nanášením
antimykotických roztoků, laků a mastí, perorálním užíváním antimykotik a chirurgickým
zákrokem.

Domácí léčba - Dezinfikujeme postižená místa a případně i obuv, potíráme nehet
česnekem

Lokální léčba - Je třeba zbavit se poškozené části nehtu (odstřihneme, zbrousíme
nebo odstraníme chemickou cestou). Následně nanášíme roztok nebo mast 2 krát
denně, nebo lak 2 krát týdně. Tento způsob je vhodný pokud je postižená jen část
nehtu (30 – 50 % nehtové ploténky )

Perorální léčba – Je nezbytně potřebná, pokud se mykotická infekce rozšíří až na
nehtovou marix, což je místo u kořene nehtu, odkud nehet vyrůstá. Antimykotikum
se v tomto případě po požití dostává krevním řečištěm až k nehtovému lůžku, kde
zničí dermatofyt a umožní tak růstu zdravého nehtu

Chirurgický zákrok – Volíme až jako krajní variantu v akutním případě
3.4.2.

Farmaceutické přípravky používané k léčbě
Antimykotika k lokální léčbě onychomykózy
o Imidazoly
o Allylaminy
o Ciclopiroxolamin
o Amorolfin

Antimykotika k systémové léčbě onychomykózy
o Azoly
o Terbinafin
Převzato z *8+
3.4.3.

Komplikace při léčbě antimykotiky , antimykotickými roztoky,
laky a mastmi, a při chirurgických zákrocích:
Nepřesné určení typu plísně, kterou je pacient nakažený, nebo stádia, ve kterém se
plíseň nachází (primární či sekundární patogen)
20

Neznalost přesného a konkrétního antimykotika na konkrétní daný druh plísně.*1+

Místní léčba např. mastmi nebývá účinná, protože medikament v této formě většinou
nepronikne na místo určení skrz nehet.

Orálně podávaná antimykotika jsou sice účinnější, naproti tomu ale jejich toxické
působení neblaze postihuje játra, dochází k dlouhodobějším ztrátám chuti a jiným
životu nebezpečným interakcím s organismem.

Pokud jsou ústně podávaná antimykotika užívána dlouhodobě, mohly by si také
houby způsobující toto onemocnění vytvořit rezistenci (odolnost) vůči daným
účinným látkám v léčivu.*2+

Chirurgické zákroky jsou složité a pro jejich nevratnost by měly patřit v pořadí
léčebných procesů až na konec.
3.4.4.
Nové možnosti v léčbě
UV záření a jeho germicidní účinky by bylo možné využít pro hubení původců plísňových
onemocnění. Momentální situace je taková, že použití UV světla v lékařství je schváleno pro
některé léčebné účely, jako je zmíněno v kapitole Využití laseru v dermatologii. Pro léčbu
plísňových onemocnění je nutné provést studie a experimenty, které by měli určit jaké
intenzity záření bude možno použít, aby nemělo negativní účinky na zdravou tkáň, aby
nedošlo k popálení, či jinému poranění v důsledku ozařování.
Experimentální část:
4. Metody
Mým úkolem bylo otestovat schopnost UVC záření inaktivovat kolonie dermatofytů. Pro
tento účel jsem navrhla metodu měření, která by splňovala dané požadavky. K experimentu
jsem použila kolonie plísní, které byly poskytnuty paní MUDr. Jarkou Kymplovou Ph.D.
S největší pravděpodobností šlo o Trichophyton rubrum, Trichophyton interdigital,
Microsporum canis.
Pracoviště jsem připravila podle následujícího obrázku.
21
Obrázek 15: Mirror (zrcátko), Excimer laser (excimerový laser), specimen of fungi (ozařované
exempláře plísní)
5. Použité přístroje a zařízení
Pro tento experiment jsem využila vybavení laboratoře excimerového laseru na
Albertově.
Obrázek 16: Excimerový laser v laboratoři na albertově
22

KrF (krypton - fluor) excimerový laser COMPEX 205 Pro, Lambda Physik
-
Plynový laser generující pulsní zážení v UV oblasti spektra na vlnové délce
193 nebo 248 nm

-
Výstupní energie – 400 mJ (pro 193 nm) nebo 700 mJ (pro 248 nm)
-
Délka impulsu – 20 ns
-
Opakovací frekvence – 50 Hz
Zrcátko
6. Měření
Obrázek 17: Plísně před ozářením
Obrázek 18: Plísně po ozářením
Na obrázcích je vidět, jakým způsobem byly plísně laserovým zářením zničeny.
V místech dopadu (vypálené tečky) byly plísně vyhubeny. Dalším krokem pro zjištění
následného chování kolonií bude jejich sledování pod mikroskopem.
23
7. Závěr a vize do budoucna
V experimentu jsme si ověřili, že záření generované excimerovým laserem je takové,
že kolonie dermatofytů zcela zničí. Otázkou zůstává, jak fatální bude jeho účinek na
lidskou tkáň, která při případné léčbě onychomykóz a jiných plísňových onemocnění kůže
bude ozařována spolu s dermatofyty. Proto se naše další měření bude ubírat cestou ke
zjištění vhodných intenzit záření tak, aby nedošlo k poškození zdravé tkáně. Součástí
týmového projektu bylo měření kolegy Erika Vokatého, který svým pokusem potvrdil, že
konkrétně u onychomykózy, tzn. plísňového onemocnění nehtu, záření UV skrz nehet
vůbec neprochází, což by znamenalo, že tkáň pod nehtem by při ozařování neměla býti
poškozena.
24
8. Seznam použité literatury
[1] ROBERTS,D.T.- TAYLOR,W.D. - BOYLE,J..Introduction Guidelines for treatment of
onychomycosis; 148; strana402. BritishJournal of Dermatology 2003.
[2] Dai, T. -Tegos, G. P. - Rolz-Cruz, G. – Cumbie, W.E. – Hamblin, M.R..Ultraviolet C
inactivation of dermatophytes: implications for treatment of onychomycosis.Clinical and
laboratory investigations. 2008
[3]Onychomykóza - příčina plísňového onemocnění nehtů nohou *online+. Mudr. Mlčoch,
Zbyněk. 4.11.2009. URL: <http://www.zbynekmlcoch.cz/informace/medicina/nemocilecba/plisen-nohou-lecba-pricina-priznaky-fotografie-obrazek>
[4] Identification of Common Dermatophytes [online]. Dr. Ellis, David. 2.1.2012. URL :<
http://www.mycology.adelaide.edu.au/Fungal_Descriptions/Dermatophytes/index.html>
[5] Desinfekce bazénové vody [online]. URL: < http://irmann.cz/bazenova_voda.html>
[6] Karcinom prsu [online]. MuDr. Strnad, CSC., Pavel. 2002-2011. Senologická sekce ČGPS .
URL: <http://www.senologie.cz/cinnost/karcinom-prsu.php>
[7] Molekulární genetika *online+.MuDr. Šípek, Antonín. Genetika – biologie. URL:
<http://www.genetika-biologie.cz/molekularni-genetika>
[8] Tichý, Peter. Studium optických účinků UV laserového záření na živočišnou tkáň. 2009.
Bakalářská práce.
[9+ Prof. Ing. Jelínek, DrSc, Miroslav. Laser a dělení laseru; Interakce UV s tkání. 2008.
Přednášky z biofotoniky.
[10] Vural, Emre a kolektiv. The effects of laser irradiation on Trichophyton rubrum
growth.2008. Lasers Med Sci
[11] Alifano, P. a kolektiv. Results of UV laser application on biological material. 2002.
International Conference on Advanced Laser Technologies.
25