ВЛИЯНИЕ ИММЕРСИОННОГО ПРОСВЕТЛЕНИЯ НА ФРАКТАЛЬНЫЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ

Работа является чисто экспериментальной. Включает в себя сведения о некоторых типах ткани, понятия факталов и фрактальной размерности и влияния на них иммерсионного просветления в присутствии и отсутствии коллоидного золота как для нормальной ткани, так и для опухоли почки человека, перевиваемой крысе (опухолевые ткани). Также работа содержит сведения о влиянии некоторых агентов на спектры полного пропускания выбранных типов биотканей. Работа защищена на оценку отлично. ...

Содержание
Введение...3
Глава 1. Обзор литературы…4
Глава 2. Строение некоторых биотканей…7
2.1. Печень…7
2.2. Эпителиальная ткань…9
2.3. Мышечная ткань……15
2.4. Почка…17
Глава 3. Материалы и методы...21
3.1. Ткани и иммерсионные агенты...21
3.2. Методы исследований и оборудование...21
Результаты и обсуждение...23
Глава 4. Влияние иммерсионного просветления на фрактальные свойства биологических тканей...23
4.1. Фрактальные свойства спеклов нормальной ткани...23
4.2. Фрактальные свойства спеклов нормальной ткани с наночастицами ...27
4.3. Фрактальные свойства спеклов опухолевых тканей...32
Глава 5. Влияние иммерсионного просветления на спектральные свойства биологических тканей...34
5.1. Спектры полного пропускания нормальных тканей при просветлении 40% раствором глюкозы...34
5.2. Спектры полного пропускания нормальных тканей при просветлении 40% раствором глицерина...38
5.3. Спектры полного пропускания нормальных тканей при просветлении 40% раствором витамина B2...42
5.4. Спектры полного пропускания опухолевых тканей...46
Заключение...49
Литература...50

Важным параметром биологической ткани является степень ее неоднородности (анизотропии) [15, 45, 51, 52]. Для большинства биологических тканей значение фактора анизотропии составляет 0,9 [15, 45]. Поэтому световое излучение, падающее на них, не способно проникать глубоко в биологической ткани. Для повышения качества визуализации биологической ткани с целью выявления и гипертермии злокачественных новообразований используются различные иммерсионные агенты, например, 40% растворы глюкозы [1, 6, 9, 10, 13], глицерина [9]. Эти вещества позволяют согласовать показатели преломления коллагеновых волокон, из тканей, и внутритканевой жидкости. При согласовании показателей преломления наблюдается снижение коэффициента рассеяния ткани и рост ее полного пропускания. При увеличении полного пропускания тк ани увеличивается и глубина проникновения излучения в ткань, что и обеспечивает более качественную визуализацию ее состояния.
Для гипертермии злокачественных новообразований могут быть использованы золотые наночастицы [55-69]. Некоторые из них обладают пиком плазмонного резонанса на длине волны 808 нм, что соответствует так называемому «окну прозрачности» биоткани.
В соответствии с этим, цель работы – изучение динамики изменений фрактальных и спектральных свойств биотканей в условиях иммерсионного просветления.

При диагональной упаковке — наискось между противолежащими фасциями, мышечные волокна обладают меньшей длиной. Поперечнополосатое мышечное волокно, или мион, включает следующие конструктивные компоненты: сократительный аппарат (систему миофибрилл); трофический аппарат, состоящий из ядер и саркоплазмы с типичными для мышечного волокна органеллами — митохондриями, называемыми в мышцах саркосомами, пластинчатым комплексом и слаборазвитой эндоплазматической сетью; специфический мембранный аппарат (саркоплазматическая сеть и трубчатый элемент, составляющий так называемую Т-систему); опорный аппарат, включающий соединительнотканную сумку мышечного волокна и поперечные перегородки — линии или полоски Z, ранее называвшиеся телофрагмами, и полоски или линии М (мезофрагмы); нервный аппарат, состоящий из моторных бляшек и чувствительных элементов — нервно-мышечных веретен, представляющих собой специализированную конструкцию, включающую несколько измененных мышечных волокон, объединенных вместе с нервными окончаниями под общей соединительнотканной сумкой.2.4. ПОЧКАГлавный выделительный (выводящий конечные продукты метаболизма) орган позвоночных. Главная функция почек - выведение воды и конечных продуктов обмена веществ из организма. Млекопитающие имеют две почки, расположенные в брюшной полости по обеим сторонам позвоночника. Общий вес двух почек у человека составляет около 300 г, или 0,5-1% веса тела. Несмотря на малые размеры, почки имеют обильное кровоснабжение. В течение 1 мин около 1 л крови проходит через почечную артерию и выходит обратно через почечную вену. Таким образом, за 5 мин через почки для удаления продуктов обмена веществ проходит объем крови, равный общему количеству крови в организме (около 5 л).Почка покрыта соединительнотканной капсулой и серозной оболочкой. На продольном разрезе почки видно, что она подразделяется на две части, получившие название коркового и мозгового вещества. Большая часть вещества почки состоит из огромного количества тончайших извитых трубочек, называемых нефронами. В каждой почке содержится более 1 млн нефронов. Общая их длина в обеих почках равна примерно 120 км. Почки ответственны за образование жидкости, которая в конечном итоге становится мочой. На одном конце каждого нефрона имеется расширение - круглое образование, называемое мальпигиевым тельцем. Оно состоит из двуслойной, так называемой боуменовой капсулы, которая охватывает сеть капилляров, образующих клубочек. Остальная часть нефрона делится на три части. Скрученная часть (ближайшая к клубочку) - проксимальный извитый каналец. Дальше - тонкостенный прямой участок, который, круто разворачиваясь, образует петлю (петлю Генле). В ней различают нисходящий участок, изгиб, восходящий участок. Скрученная третья часть - дистальный извитый каналец, впадающий вместе с другими дистальными канальцами в собирательную трубочку. Из собирательных трубочек моча попадает в почечную лоханку (фактически - расширенный конец мочеточника) и далее по мочеточнику в мочевой пузырь. Из мочевого пузыря по мочеиспускательному каналу моча через определенные промежутки времени выводится наружу. Корковое вещество содержит все клубочки и все извитые части проксимальных и дистальных канальцев. В мозговом веществе лежат петли Генле и располагающиеся между ними собирательные трубочки. В почечном клубочке вода и растворенные в ней вещества под действием артериального давления выходят из крови через стенки капилляров. Поры капилляров настолько малы, что задерживают кровяные клетки и белки. Следовательно, клубочек работает как фильтр, пропускающий жидкость без белков, но со всеми растворенными в ней веществами. Эта жидкость называется ультрафильтратом, клубочковым фильтратом, или первичной мочой; она подвергается обработке, проходя через остальные части нефрона. В человеческой почке объем ультрафильтрата составляет около 130 мл в минуту или 8 л в час. Поскольку общий объем крови у человека равен приблизительно 5 литрам, очевидно, что большая часть ультрафильтрата должна всосаться обратно в кровь. Если предположить, что в организме образуется 1 мл мочи в минуту, то оставшиеся 129 мл (больше 99%) воды из ультрафильтрата необходимо вернуть в кровоток, пока они не стали мочой и не выведены из организма. Ультрафильтрат содержит много ценных веществ (соли, глюкозу, аминокислоты, витамины и прочее), которые организм не может терять в значительных количествах. Большинство из них подвергается обратному всасыванию (реабсорбции) по мере того, как фильтрат проходит по проксимальным канальцам нефрона. Глюкоза, например, реабсорбируется до тех пор, пока полностью не исчезнет из фильтрата, то есть пока ее концентрация не приблизится к нулю. Поскольку перенос глюкозы обратно в кровь, где ее концентрация выше, идет против градиента концентрации, процесс требует дополнительной энергии и называется активным транспортом. В результате обратного всасывания глюкозы и солей из ультрафильтрата концентрация растворенных в нем веществ падает. Кровь оказывается более концентрированным раствором, чем фильтрат, и «притягивает» воду из канальцев, т.е. вода пассивно следует за активно транспортируемыми солями. Это называется пассивным транспортом. С помощью активного и пассивного транспорта 78 воды и растворенных в ней веществ из содержимого проксимальных канальцев всасываются обратно, причем скорость уменьшения объема фильтрата достигает 1 л в час. Теперь во внутриканальцевой жидкости содержатся в основном «шлаки», такие, как мочевина, но процесс образования мочи еще не окончен. Следующий сегмент, петля Генле, отвечает за создание очень высоких концентраций солей и мочевины в фильтрате. В восходящем отделе петли происходит активный транспорт растворенных веществ (в первую очередь солей) в окружающую тканевую жидкость мозгового вещества, где в результате создается высокая концентрация солей; благодаря этому из нисходящего колена петли часть воды отсасывается и сразу поступает в капилляры, тогда как соли постепенно диффундируют в него, достигая наибольшей концентрации в изгибе петли. Этот механизм называется противоточным концентрирующим механизмом. Затем фильтрат поступает в дистальные канальцы, где за счет активного транспорта в него могут перейти и другие вещества. Наконец, фильтрат попадает в собирательные трубочки. Здесь определяется, какое количество жидкости будет дополнительно выведено из фильтрата, а стало быть, и каков будет окончательный объем мочи, т.е. объем конечной, или вторичной, мочи.ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ3.1. ТКАНИ И ИММЕРСИОННЫЕ АГЕНТЫВ качестве модельных биотканей были использованы: эпителиальная, мышечная, печень, почка в норме и при патологии.В качестве иммерсионных агентов были выбраны: 40% растворы глюкозы и глицерина, а также 1% раствор рибофлавина (витамина B2).3.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБОРУДОВАНИЕИспользовались биофизические и статистические методы исследования. Поляризационные фотографии, представляющие собой спекл-структуры, были получены на поляризационном микроскопе ПОЛАР 211-Р (Россия).Для определения динамики изменения фрактальной размерности выбранных биотканей проводилась из заморозка с последующим изготовлением срезов, стандартной толщины в 5 мм. В кювету располагали образец с последующим нагревом до комнатной температуры. На следующем этапе в кювету добавляли иммерсионный агент так, чтобы ткань была полностью погружена в него. После этого регистрировали спекл-структуры с интервалом в 1 мин в течение 1 ч. Начальное значение фрактальной размерности каждой из тканей регистрировалось в отсутствие иммерсионного агента.Численное значение фрактальной размерности определялось с помощью программного обеспечения FRACLAB (США) методом Box-Counting. Суть метода заключается в предположении, что число кубов, необходимых для того, чтобы покрыть трехмерный объект, равно (для евклидова пространства). Для исследуемого объекта строится зависимость числа кубов, квадратов, отрезков (в зависимости от геометрии объекта) от их размера в логарифмической шкале. По полученной зависимости определяется фрактальная размерность, какDs=limδ→0N(δ)ln1δАналогичная процедура проводилась для исследования всех типов ткани с добавлением раствора коллоидного золота, диаметром 80 нм. Исследование спектральных характеристик всех типов ткани проводилось на спектрофотометре Lambda 950 (США) с определением спектров полного пропускания в диапазоне длин волн 300-900 нм. Время экспозиции иммерсионных агентов составляло 20, 40 и 60 мин. Отрицательным контролем служили спектры полного пропускания в отсутствие просветляющего агента.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ИММЕРСИОННОГО ПРОСВЕТЛЕНИЯ НА ФРАКТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ4.1. ФРАКТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СПЕКЛОВ НОРМАЛЬНОЙ ТКАНИДинамика изменения фрактальной размерности спекл-структур выбранных биологических тканей в условиях иммерсионного просветления в отсутствии частиц коллоидного золота, представлены на рис. 1-4. Рис. 1. Динамика изменения фрактальной размерности эпителиальной ткани в условиях иммерсионного просветления. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.Рис. 2. Динамика изменения фрактальной размерности мышечной ткани в условиях иммерсионного просветления. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.Рис. 3. Динамика изменения фрактальной размерности печени в условиях иммерсионного просветления. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.Рис. 4. Динамика изменения фрактальной размерности нормальной почки в условиях иммерсионного просветления. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.Экспериментально показано, что для эпителиальной ткани значение ее фрактальной размерности в условиях часового иммерсионного просветления 40% раствором глюкозы приближается к значению 2,25, что обусловлено выравниванием показателей преломления внутритканевой жидкости и самой ткани. При использовании в качестве иммерсионного агента 40% раствора глицерина, изменение фрактальной размерности в условиях просветления 1 ч проявлялось в меньшей степени по сравнению со значениями для глюкозы и витамина B2, для которого наблюдали спад значений фрактальности, а, следовательно, и ухудшение визуализации структуры ткани.Для эпителиальной ткани регистрировали увеличение ее фрактальной размерности. Причем при иммерсионном просветлении 40% раствором глюкозы увеличение значений фрактальной размерности проявлялось в большей степени по сравнению с аналогичными показателями при использовании глицерина. Иммерсионное просветление 1% раствором рибофлавина данного типа биоткани приводило к увеличению значений их фрактальной размерности во временном интервале 20-35 минут, что связано с более длительным проникновением этого агента по сравнению с глюкозой и глицерином при одинаковых условиях.При просветлении выбранными иммерсионными агентами печени наблюдается небольшой спад значений размерности ткани, связанный с ее набуханием в начальные 20 минут воздействия агента. Для данного типа ткани наибольшее увеличение значений фрактальной размерности наблюдали при ее просветлении витамином B2, а для эпителиальной и мышечной ткани – значения размерности при просветлении оставались в пределах погрешности метода измерений по сравнению с этапом начала иммерсии.Динамики изменения фрактальной размерности нормальной почки крысы в условиях иммерсионного просветления характеризовалась стабильностью значений фрактальности с преимуществом в сторону повышения, связанным с просветлением ткани.4.2. ФРАКТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СПЕКЛОВ НОРМАЛЬНОЙ ТКАНИ С НАНОЧАСТИЦАМИНа рис. 5-8 представлены динамики изменения фрактальной размерности полученных спекл-структурам, соответствующим выбранным типам ткани в условиях иммерсионного просветления при добавлении раствора золотых наночастиц №7 (AuNP(from 1.5*10-4 M HAuAl4) со стабилизатором SDS (sodium dodecylsulfate) 1.5*10-3 M, и 2,5% изопропанола по объему).Рис. 5. Динамика изменения фрактальной размерности эпителиальной ткани в условиях иммерсионного просветления с добавлением раствора коллоидного золота. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.Рис. 6. Динамика изменения фрактальной размерности мышечной ткани в условиях иммерсионного просветления с добавлением раствора коллоидного золота. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.Рис. 7. Динамика изменения фрактальной размерности печени в условиях иммерсионного просветления с добавлением раствора коллоидного золота. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.Рис. 8. Динамика изменения фрактальной размерности нормальной почки в условиях иммерсионного просветления с добавлением раствора коллоидного золота. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.Для эпителиальной ткани наблюдали положительную динамику изменения фрактальной размерности в условиях иммерсионного просветления 40% раствором глюкозы с добавлением раствора коллоидного золота. В тоже время не наблюдали значительного увеличения значений размерности. При просветлении 40% раствором глицерина регистрировали незначительное увеличение значений фрактальности биотканей в начальный период времени, однако, существенного изменения исследуемых показателей не регистрировали. При иммерсионном просветлении 1% раствором рибофлавина биотканей с добавлением раствора коллоидного золота наблюдали не существенные изменения размерности объектов исследования на протяжении всего времени просветления.При определении динамики изменения фрактальной размерности мышечной ткани в условиях иммерсионного просветления с добавлением раствора коллоидного золота показано, что при использовании 40% раствора глюкозы фрактальность ткани имеет тенденцию к не значительному увеличению. При использовании в качестве иммерсионного агента 40% раствора глицерина наблюдали незначительный спад значений фрактальной размерности, который связан с набуханием ткани и исчезновением неоднородностей. В случае применения витамина B2 в качестве иммерсионного агента, наблюдали более сильное снижение значенияй фрактальности ткани по сравнению с аналогичными значениями при просветлении раствором глицерина. Это свидетельствует о более сильном иммерсионном воздействии витамина B2 на мышечную ткань.При определении динамики изменения фрактальной размерности печени в условиях иммерсионного просветления видно, что использование 40% раствора глюкозы в качестве иммерсионного агента приводит к существенному спаду в значениях фрактальной размерности данного типа ткани, что связано с набуханием ткани в начальные 13 минут. Дальнейшая динамика – характерный процесс конкурирующих процессов: набухания ткани и согласования показателей преломления, что отражается в локальных изменениях значений фрактальной размерности печени. Обратная динамика наблюдается при использовании в качестве иммерсионного агента 40% раствора глицерина. Для него характерно увеличение значений фрактальности печени в первые 10 мин просветления. Во временном интервале времени 10-25 минут наблюдали спад значений фрактальной размерности, что обусловлено набуханием ткани. При использовании в качестве иммерсионного агента 1% раствора витамина B2 регистрировали значительный спад (как и для эпителиальной ткани) значений фрактальной размерности в условиях добавления раствора коллоидного золота.Из рис. 22 видно, что в условиях иммерсионного просветления 40% раствором глюкозы нормальной почки значение фрактальной размерности спекл-структур, соответствующих данному типу биоткани, претерпевает незначительное увеличение во временном диапазоне до 15 минут. Это увеличение связано с процессом диффузии агента в ткань и выравниванием показателей преломления раствора глюкозы и волокон, составляющих нормальную почку. Дальнейший процесс просветления выбранного типа ткани не оказывает влияния на значения фрактальной размерности спекл-структур, которые соответствуют нормальной почки, и значение ее фрактальной размерности остаются в пределах погрешности метода измерений.Использование 40% раствора глицерина в качестве иммерсионного агента приводит к более длительному процессу увеличения значений фрактальной размерности спекл-структур, которые соответствуют нормальной почки, что обусловлено повышенной вязкостью агента по сравнению с 40% раствором глюкозы. Именно это обстоятельство и приводит к более пролонгированному проникновению агента в ткань. При этом увеличение значений фрактальной размерности в данном случае происходит в течение 25 минут просветления биоткани. Дальнейшая динамика изменения фрактальной размерности спекл-структур, которые соответствуют нормальной почки, аналогична динамике изменения фрактальной размерности выбранного типа ткани при иммерсионном просветлении 40% раствором глюкозы остается в пределах погрешности измерений.Наиболее значительный вклад в изменения значений фрактальной размерности спекл-структур, соответствующих нормальной почке, вносит иммерсионное просветление витамином B2. В начальный период времени происходит процесс набухания ткани, который приводит к снижению значений фрактальной размерности спекл-структур во временном интервале 0-5 и 7-15 минут. Дальнейшая динамика просветления нормальной почки крысы с добавлением раствора коллоидного золота приводит к увеличению значений фрактальной размерности во временном интервале 15-60 минут.4.2.3. ФРАКТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СПЕКЛОВ ОПУХОЛЕВЫХ ТКАНЕЙКак показано на рис. 9, 10, фрактальная размерность спеклов опухоли почки человека, привитой крысе, имеет несколько большее значение по сравнению со значением фрактальной размерности спеклов, которые соответствуют нормальной почки (рис. 4, 8).Рис. 9. Динамика изменения фрактальной размерности опухолевых тканей в условиях иммерсионного просветления. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.Рис. 10. Динамика изменения фрактальной размерности опухолевых тканей в условиях иммерсионного просветления, с добавлением раствора коллоидного золота. Обозначения: 1 – 40% раствор глюкозы, 2 – 40% раствор глицерина, 3 – 1% раствор витамина B2.При исследовании динамики изменения значения фрактальной размерности спеклов исследуемой ткани, отмечено уменьшение ее значения по сравнению с контролем. При иммерсионном просветлении опухоли почки человека, привитой крысе 1% раствором витамина B2 наблюдали снижение фрактальной размерности спеклов. Использование 40% раствора глюкозы в качестве иммерсионного агента изменение фрактальной размерности спеклов, полученных от опухоли почки человека, привитой крысе, приводило к локальным изменениям фрактальности в первые 15 минут, а также и при экспозиции просветляющего агента в течение 35-50 мин за счет просветления. Динамика изменения фрактальной размерности спеклов, полученных от опухоли почки человека, привитой крысе, при иммерсионном просветлении 40% раствором глицерина претерпевает незначительное снижение при экспозиции в течение 10-25 мин и 40-50 мин. ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ИММЕРСИОННОГО ПРОСВЕТЛЕНИЯ НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ5.1. СПЕКТРЫ ПОЛНОГО ПРОПУСКАНИЯ НОРМАЛЬНЫХ ТКАНЕЙ ПРИ ПРОСВЕТЛЕНИИ 40% РАСТВОРОМ ГЛЮКОЗЫДля определения влияния иммерсионного просветления на спектральные свойства биологической ткани, регистрировали спектры полного пропускания объектов исследования. На рис. 11-14 представлены спектры полного пропускания эпителиальной ткани, мышечной ткани, печени и нормальной почки в условиях иммерсионного пропускания 40% раствором глюкозы.Рис. 11. Спектры полного пропускания эпителиальной ткани в условиях иммерсионного просветления 40% раствора глюкозы.Обозначения: 1 – отсутствие воздействия, 2, 3, 4 – 20, 40, 60 мин просветления.Рис. 12. Спектры полного пропускания мышечной ткани в условиях иммерсионного просветления 40% раствором глюкозы Обозначения: 1 – отсутствие воздействия, 2, 3, 4 – 20, 40, 60 мин просветления.Рис. 13.