Применение видеокапилляроскопии для мониторинга микроциркуляции в коже при фотодинамической терапии

Предложено аппаратно-программное и методическое обеспечение для оценки микроциркуляции, которое отличается неинвазивностью, информативностью, а главное, возможностью проводить исследование в ходе фотоактивации, и может стать дополнением к существующим диагностическим методам как в исследовательских задачах, так и в клинической практике. Выявленные с помощью разработанного подхода функциональные принципы реакции сосудистой сети на фотодинамическое воздействие представляются полезными для повышения эффективности и безопасности фотодинамической терапии. Разработка и апробация методов видеокапилляроскопии и фотоплетизмографии для изучения ранних изменений микроциркуляции при фотодинамической активации. Разработанная установка позволяет одновременно проводить фотодинамическое воздействие и исследование параметров микроциркуляции методами видеокапилляроскопии и фотоплетизмографии. Фотодинамическое воздействие осуществляется через 3 ч после внутривенного введения фотосенсибилизатора на основе хлорина е6 (5 мг/кг) лазерным излучением с длиной волны 662 нм и плотностью мощности 15 мВт/см2  в непрерывном и импульсном режимах. Визуализирующая система установки состоит из микроскопа с большим рабочим расстоянием, цифровой высокоскоростной камеры и оптического фильтра, отрезающего отраженное от исследуемой поверхности излучение фотоактивации. Осветительная система представлена диодным источником излучения с центральной длиной волны 532 нм. Зарегистрированные установкой изображения исследуемого участка кожи обрабатываются в разработанном авторами программном обеспечении для получения морфометрических и гемодинамических данных о микроциркуляции. Для сравнения предложенного подхода с существующими методами параметры кровотока регистрировали также лазерным доплеровским флоуметром. В ходе апробации разработанной установки на инъецированных фотосенсибилизатором крысах получены наборы карт действующих сосудов, фотоплетизмограмм и значений плотности сосудов кожи до, во время и после фотоактивации в двух режимах генерации. Проведен совместный анализ данных видеокапилляроскопии, фотоплетизмографии и лазерной доплеровской флоуметрии. Показано, что предложенный подход позволяет выявить различия в механизмах реакции микроциркуляции на фотодинамические воздействие с малой плотностью мощности в различных режимах, в частности, несовпадение времени от начала экспозиции до остановки кровотока и начала восстановительного периода.

1. Dougherty T.J. et al. Photodynamic Therapy JNCI: Journal of the National Cancer Institute // Oxford Academic. – 1998. – Vol. 90(12). – P. 889-905.

2. Li X. et al. Clinical development and potential of photothermal and photodynamic therapies for cancer // Nature Publishing Group. – 2020. – Vol. 17(11). – P. 657-674.

3. Korbelik M. et al. Nitric oxide production by tumour tissue: impact on the response to photodynamic therapy // Br J Cancer. Nature Publishing Group. – 2000. – Vol. 82(11). – P. 1835.

4. Souza C.S. et al. Long-term follow-up of topical 5-aminolaevulinic acid photodynamic therapy diode laser single session for nonmelanoma skin cancer // Photodiagnosis Photodyn Ther. – 2009. – Vol. 6 (3-4). – P. 207-213.

5. Chen D. et al. Intraoperative monitoring of blood perfusion in port wine stains by laser Doppler imaging during vascular targeted photodynamic therapy: A preliminary study // Photodiagnosis Photodyn Ther. Elsevier. – 2016. – Vol. 14. – P.142-151.

6. Orlova A. et al. Diffuse Optical Spectroscopy Monitoring of Experimental Tumor Oxygenation after Red and Blue Light Photodynamic Therapy // Multidisciplinary Digital Publishing Institute. – 2021. – Vol. 9(1). – P. 19.

7. Khurana M. et al. Intravital high-resolution optical imaging of individual vessel response to photodynamic treatment // J Biomed Opt. J Biomed Opt. – 2008. – Vol. 13(4). – P. 1.

8. Grishacheva T.G. et al. Digital Analysis of Colposcopic Images Before and After Photodynamic Therapy with Open Source Software ImageJ and Fluorescence diagnostics // Optica Publishing Group. – 2020. – P. JW3A.2.

9. Christou E.E. et al. Evaluation of the choriocapillaris after photodynamic therapy for chronic central serous chorioretinopathy. A review of optical coherence tomography angiography (OCT-A) studies // Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. – 2022. – Vol. 260(6). – P. 1823-1835.

10. Gallucci F. et al. Indications and results of videocapillaroscopy in clinical practice // Advances in medical sciences. – 2008. – Vol. 53(2). – P. 149-157.

11. Machikhin A.S. et al. Exoscope-based videocapillaroscopy system for in vivo skin microcirculation imaging of various body areas. Optica Publishing Group. – 2021. – Vol. 12(8). – P. 4627-4636.

12. Da Silva F.A.M., Newman E.L. Dynamic capillaroscopy: a minimally invasive technique for assessing photodynamic effectS in vivo // Photochem Photobiol. John Wiley & Sons, Ltd. – 1993. – P. Vol. 58(6). – P. 884-889.

13. Kamshilin A.A. et al. A new look at the essence of the imaging photoplethysmography. Scientific Reports. Nature Publishing Group. – 2015. – Vol. 5(1). – P. 1-9.

14. Kumar M. et al. PulseCam: a camera-based, motion-robust and highly sensitive blood perfusion imaging modality // Nature Publishing Group. – 2020. – Vol. 10(1). – P. 1-17.

15. Park J. et al. Photoplethysmogram Analysis and Applications: An Integrative Review // Front Physiol. Frontiers Media S.A. – 2022. – Vol. 12. – P. 2511.

16. Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement // Physiol Meas. Physiol Meas. – 2007. – Vol. 28(3). – С. R1

17. Guryleva A.V. et al. Feasibility of videocapillaroscopy for characterization of microvascular patterns in skin lesions // Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. – 2022. – Vol. 12147.

18. Dolmans D.E.J.G.J., Fukumura D., Jain R.K. Photodynamic therapy for cancer // Nature Publishing Group. – 2003. – Vol. 3(5). – P. 380-387.

19. Gunaydin G., Gedik M.E., Ayan S. Photodynamic Therapy—Current Limitations and Novel Approaches // Front Chem. Frontiers Media S.A. – 2021. – Vol. 9. – P. 400.

20. Foster T., et al. Oxygen consumption and diffusion effects in photodynamic therapy // Radiat. Res. – 1991. – Vol. 126. – P. 296-303.

21. Henderson B., et al. Oseroff, Photofrin photodynamic therapy can significantly deplete or preserve oxygenation in human basal cell carcinomas during treatment, depending on fluence rate // Cancer Res. – 2000. – Vol. 60. – P. 525-529.

22. Klimenko V.V., et al. Pulse mode of laser photodynamic treatment induced cell apoptosis // Photodiagnosis Photodyn Ther. – 2016. – Vol. 13. – P. 101-107.

23. Wilson B.C., Patterson M.S. The physics, biophysics and technology of photodynamic therapy // Phys Med Biol. – 2008. – Vol. 53(9). – P. 61-109.

24. Abbot N.C. et al. Laser Doppler Perfusion Imaging of Skin Blood Flow Using Red and Near-Infrared Sources // Journal of Investigative Dermatology Elsevier. – 1996. – Vol. 107(6). – P. 882-886.

25. Moço A., Verkruysse W. Pulse oximetry based on photoplethysmography imaging with red and green light: Calibratability and challenges. J Clin Monit Comput // Springer Science and Business Media B.V. – 2021. – Vol. 35(1). – P. 123-133.

26. Han S. et al. Design of Multi-Wavelength Optical Sensor Module for Depth-Dependent Photoplethysmography // Multidisciplinary Digital Publishing Institute. – 2019. – Vol. 19(24). – P. 5441.

27. Volkov M. V et al. Evaluation of blood microcirculation parameters by combined use of laser // Doppler flowmetry and videocapillaroscopy methods. – 2017.

28. Dremin V. et al. Dynamic evaluation of blood flow microcirculation by combined use of the laser Doppler flowmetry and high‐speed videocapillaroscopy methods //Journal of biophotonics. – 2019. – Т. 12. – №. 6. – С. e201800317.