Betingelserne for laserens oprindelse skaber en femtosekund

Betingelserne for laserens oprindelse skaber en femtosekund

Dmitry Sitnikov,
Kandidat i Fysisk og Matematisk Videnskab, Fælles Institut for Højtemperaturer i det Russiske Videnskabsakademi
"Kommersant Science" №1, februar 2017

Installation til lavtemperatur laser kirurgi, udviklet ved Joint Institute for High Temperatures RAS. Foto: JIHT RAS

Lavtemperatur laser scalpels, udviklet ved Joint Institute for High Temperatures i det russiske videnskabsakademi, kan signifikant forbedre effektiviteten af ​​ikke-kontakt mikrokirurgi i behandlingen af ​​infertilitet.

Fra IVF in vitro til laser

Moderne kunstig insemination omfatter mange assisterede reproduktive teknologier (ART). Hvis deres forfader – metoden til ekstrakorporal befrugtning (IVF) med efterfølgende embryooverførsel i livmoderen kun løst en del af problemerne, især obstruktionen af ​​æggelederne hos kvinder, så moderniseret ART og først og fremmest mikrokirurgi markant mulighederne for teknikkerne, og nu kan de hjælpe et meget større antal ægteskabelig par, der lider af infertilitet.

Fem millioner par har brug for hjælp.

Hyppigheden af ​​infertile ægteskaber i Rusland overstiger 15%, hvilket ifølge Verdenssundhedsorganisationen anses for at være et kritisk niveau.Mere end 5 millioner ufrugtbare par er registreret i landet, mere end halvdelen af ​​dem har brug for assisteret reproduktiv teknologi. Ifølge WHO er kun kvinders infertilitet i løbet af de seneste fem år steget med 14%.

Mikrokirurgiske metoder er effektive til udvælgelse og immobilisering af højkvalitetsspermatozonen i sædpatologier og i hjælpelukning, det vil sige kunstig udtynding eller blot fjernelse af en del af den skinnende (ydre) skal af ægget. Hvis det er for tykt eller for stærkt, så kan embryoet ikke lukke af det for at fastgøres til livmodervæggen. Desuden anvendes mikrokirurgi af embryoet til sin preimplantation-DNA-diagnose for at sikre manglen på mulige genetiske lidelser i det kommende spædbarn.

Preimplantation genetisk diagnose af embryoet

For at identificere mulige genetiske abnormiteter i embryoet, før der udtages prøver i livmoderen, tages en celleprøve (biostat) til DNA-diagnose. Find ud af om embryoet har arvelige sygdomme: Downs syndrom, myodystrofi og mange andre.

Normalt anvendes i moderne klinikker til mikrokirurgi af embryoet mekanisk mikromanipulationsmetode. En embryolog ved hjælp af en speciel mikromanipulator og tynde glasmikrotoler under mikroskopet udfører disse komplekse procedurer. Hver operation er unik på sin egen måde; det er umuligt at automatisere kirurgens manipulationer fuldt ud.

Mikrografi af embryonets beskyttende skal efter eksponering for en millisekund laser, elektronmikroskopi. Foto: Hamilton Thorne

For 12 år siden optrådte laser scalpels i en mikrosurgeons arsenal. De er indbygget i embryologens arbejdsredskab – et inverteret mikroskop, normalt med et videokamera. Et mikroskoplinser bruges til at fokusere laserstråling i en plet med en diameter på flere mikrometer.

Konventionelt kan disse systemer opdeles i to generationer: passiv og aktiv. Først er laserstrålen stationær, og mikrokirurgen bringer embryoet manuelt til laserfokuseringsområdet. Dette er mere bekvemt end at "plukke" med en glasnål, men automatisering af processen er umulig.

Anden generation, der opstod for cirka fem år siden, med en kontrolleret laserstråle, tillader i et vist omfang at automatisere mikrokirurgiske procedurer.Kirurgen skitserer området (eller flere områder) af laser effekter på billedet af embryoet på pc-skærmen og starter proceduren.

I dag er en laser i klinisk praksis hovedsagelig brugt til at udføre kun et trin i en biopsi-procedure – for at danne et hul i embryoens skal, og den efterfølgende opsamling af cellulært materiale udføres manuelt ved hjælp af mikropipetter.

Temperaturen er for høj

Micrograph af embryoet efter en række forsøg laser effekter. Effekten af ​​laserstrålingen ændres ikke, og energien justeres ved varigheden af ​​laserpulsen. Isothermer (uret) præsenteres for tre værdier af pulsvarigheden: 5 ms, 3 ms og 1 ms. Isotherm cirkel farve: lilla – 50 ° C blå – 60 ° C grøn – 80 ° C gul – 100 ° СOrange cirkel betegner størrelsen af ​​det dannede hul i skallen. Foto: Hamilton Thorne

Et karakteristisk træk ved de ovennævnte lasersystemer er den lange varighed af laserpuls – mikro- og lige millisekunder. I dette tilfælde kan temperaturen i den zone, der fokuserer en stråle med en diameter på flere mikrometer, nå flere hundrede eller flere grader og ledsages af varmeoverførsel til tilstødende områder.Softwaren i nogle lasersystemer gør det muligt at beregne temperaturen uden for laserfokuseringsområdet afhængigt af laserparametrene – effekt og pulsvarighed. De beregnede isotermer i form af koncentriske cirkler er overlejret over embryoets billede, hvilket gør det muligt for specialisten at vurdere risikoen for termisk eksponering for embryoet.

Alt dette gør brug af lasersystemer med stor omhu. På den internationale konference "Reproduktive teknologier i dag og i morgen", som årligt afholdes af den russiske sammenslutning af menneskelig reproduktion, blev jeg fortalt om tilfælde af charring af udvalgte celler ved hjælp af lasere. Det var klart, at et radikalt fald i temperaturen i laserstråles fokuseringszone kunne ændre situationen.

Til proceduren – 10−13 sekunder

Vores team fra laboratoriet for laserbestråling af Det Russiske Videnskabsinstitut for Højtemperaturer satte sig som mål at skabe et ikke-kontaktværktøj, der er sikkert for embryoet og bekvemt for embryologerne.

Ikke-kontakt – i bogstavelig forstand: Undtagen berøring af et værktøj (nål, pipette, holder) til embryoet.Som allerede nævnt udføres selv efter anvendelse af en laserskalpel i en biopsi-procedure, efterfølgende opsamling af cellulært materiale manuelt ved anvendelse af mikropipetter. Optisk manipulationsteknologi gør det muligt at opgive brugen af ​​mekaniske midler og at tage cellulært materiale til genetisk diagnostik ved brug af fokuseret kontinuerlig laserstråling ("optiske pincetter").

I patologier er ikke alle sædceller nok nok, nogle gange behøver de hjælp til at nå frem til ægget. Glaspipetten fanger den mest aktive sæd og immobiliseres ved at bryde halen. Disse procedurer kan udføres uden kontakt – for at fange embryoet med optiske pincetter, ved hjælp af en enkelt femtosekund laserpuls, skåret / skåret halen og bring spermatzonen til ægget ved hjælp af de samme optiske pincetter

For at sænke temperaturen i laserstråles fokuseringszone skulle udskiftningen af ​​laserkilden fra microsecond til femtosekund finde sted. Den typiske varighed af en kommercielt tilgængelig femtosekundlaser er i størrelsesordenen 100 femtosekunder, hvilket er ti millioner gange kortere end en puls på 1 mikrosekund.Den ultrakorte varighed af en laserpuls kombineret med lav energi (ca. to størrelser mindre end energien i en mikrosekundpuls) gør den unik, når den udsættes for biologiske objekter – lav energi betyder lav varme og dermed maksimal sikkerhed.

På grund af den gigantiske topkraft er ikke-lineære optiske virkninger understøttet af femtosekund laserpulser, hvilket skyldes, at der opnås høj nøjagtighed af de udførte procedurer, og risikoen for skade på levende væv og celler minimeres, da strålingsabsorption og opvarmning uden for fokuseringsområdet af den fokuserede laserstråle er praktisk taget fraværende.

Ultra-kort varighed af en laserpuls kombineret med lav energi giver maksimal sikkerhed, når den udsættes for biologiske objekter.

Kombinationen af ​​de bedste teknologier inden for laserinstrumentering gjorde det muligt for vores team at oprette et kombineret system med "femtosecond laserskalpel – optiske pincett" (den første baseret på en femtosekund laser, den anden – en kontinuerlig laser).Systemet med laserpincetter – skalpel (LPS, så vi kaldte det for kort) giver dig mulighed for at udføre de mest tidskrævende og delikate procedurer i en fuldstændig kontaktfri tilstand, vedligeholdelse af sterilitet og reducering af risikoen for embryo skade.

Ikke smeltende, men skæring

Det er ikke nok at oprette en eksperimentel enhed (hardware), det er vigtigt at lære at udføre mikrokirurgiske og mikromanipulationsprocedurer udført af en embryolog med hjælp. At styre et sådant kombineret system er ikke vanskeligere end at programmere en vaskemaskine – det er den opgave, vi lægger forrest i udviklingen af ​​automatiserede procedurer.

Hjælpeklækning og udtynding af den skinnende skal var de første procedurer udviklet ved anvendelse af LPS. Formålet med at teste denne og andre mikrokirurgiske procedurer er blevet musembryoer. En uvurderlig hjælp til at arbejde med embryoner blev leveret af en gruppe specialister ledet af professor Maria Lvovna Semenova fra instituttet for embryologi ved Moskva statsuniversitet. MV Lomonosov – kandidat af biologiske videnskaber Yulia Khramova og kandidatstuderende Maxim Filatov.

Hjælpeklækning (laserassisteret ruge) – Hjælp embryoet til at luge fra cellevæggen for yderligere fastgørelse til livmodervæggene (implantation). Et lille hul er dannet i embryonets skal med en laserstråle. På billedet: embryo ved blastocyststadiet med tæt vedhæftning af celler til den skinnende membran: en – laserstrålens bane b – Resultatet af proceduren til udtynding af den skinnende skal. Foto: Dmitry Sitnikov

Starte arbejde med femtosekund pulser, vi så straks forskellen i resultatet. Laserskalpelet levede op til sit navn – vi var i stand til at udføre de tyndeste stykker af skallen og ikke smeltede, men skære det.

Det er ikke nok at oprette en eksperimentel enhed, det er vigtigt at lære at udføre mikrokirurgiske og mikromanipulationsprocedurer med hjælp.

Et andet træk ved vores teknologi er blevet muligheden for at udføre en hjælpelukningsprocedure i de sidste faser af embryonudviklingen, når celler indefra tæt holder sig til den blanke membran. Og disse celler døde ikke!

Kontaktløs biopsi af polarlegemet. Fra venstre til højre: embryo før biopsi, dannelse af et hul i embryonets ydre skal ved hjælp af en laserskalpel, indfangning og fjernelse af polarlegemet med optiske pincetter. Rød stråle – laser skalpel gul stråle – optiske pincet. Billede: Dmitry Sitnikov

Mere kompliceret fra et teknisk synspunkt er fremgangsmåden med biopsi af den polære kalv, som vi gennemførte i en fuldstændig kontaktfri tilstand. For at gøre dette anvendte vi alle mulighederne i vores LPS-system: laserskalpel og optiske pincett. Fremgangsmåden består af flere trin: skære den skinnende skal og fange den polære krop med optiske tang og fjerne sidstnævnte uden for embryoet.

Biopsi af polarlegemet (PT)

Ved zygote-scenen (en dag efter befrugtning af ægget) tages en eller to polære kroppe til genetisk analyse. Deres fravær påvirker ikke den videre proces med at opdele embryoet. Når biopsi PT kan diagnosticeres lidelser, der kun overføres fra moderen, er det også umuligt at bestemme det fremtidige embryos køn.

Under normal udvikling af embryoet skal trophectodermceller, som senere udgør en del af placenta omkring fosteret, først forlade den skinnende kappe. Opgaven med trophectodermbiopsi-proceduren er at adskille en del af disse celler til efterfølgende genetisk analyse.Da udklækning (ruge) forekommer gennem et tyndt hul i den skinnende skal, og i begyndelsen af ​​denne proces fremkommer en lille del af trophektodermen, er det nok at anvende en eller to laserimpulser til at adskille disse celler (biopsi). Vi bruger optiske pincet til at fange de udskårne celler. I klinikker er det nødvendigt at trække trophectodermcellerne væk fra embryoncellerne med en speciel glasmikropipette, når de udfører denne procedure ved brug af millisekunders laserpulser for at minimere den termiske effekt på embryoet.

Biopsi af trophektoderm (overflade lag af embryo celler) ved blastocyst stadium (på den femte dag efter befrugtning). Til venstre plot skinnende skal på scenen af ​​ruge, til højre – den afskårne del af trophektodermen, fanget af optiske pincet. Foto: Dmitry Sitnikov

Der er stadig en lang måde at certificere og kliniske forsøg på. I øjeblikket er vi lige begyndt at arbejde tæt sammen med klinikker inden for udvikling af ny teknologi og tilpasning af eksisterende, men i sidste ende vil alle deltagere komme til gavn – både klinikker og fremtidige forældre.

Arbejdet blev støttet af Den Russiske Føderations ministerium for uddannelse og videnskab som led i det føderale målprogram "Forskning og udvikling inden for prioriterede områder for udviklingen af ​​Ruslands videnskabelige og teknologiske kompleks for 2014-2020".


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: