Laser-based non-invasive spectrophotometry – An overview of possible medical applications

Abstract Background and objective: The problem of the medical application of non-invasive (in vivo, in situ) laser diagnostics, based on the principles of spectrophotometry and laser spectral analysis, is a topic which has recently found increasing interest in medical literature. This article presents an overview of selected studies in this field of medicine carried out in one of the oldest and largest Russian medical institutions, Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI) named after M. F. Vladimirskiy, illustrating the possible medical applications of these methods in clinical practice in different fields of medicine. Materials and methods: The specially devised multifunctional laser diagnostic system “LAKK-M” was used as a diagnostic instrument in the majority of studies in MONIKI, allowing a combination of methods, such as non-invasive medical spectrophotometry in the form of laser fluorescence spectroscopy, laser Doppler flowmetry, tissue reflectance oximetry, etc. The system was used in both the experiments on laboratory animals, and for treatment of patients in different clinics of the institute. Results: Within the last decade, extensive scientific data has been obtained which has opened up the possibility of using non-invasive medical spectrophotometry i) to diagnose disturbances in both blood microcirculation and oxygen transport in the peripheral small vessels, ii) to predict the results of treatment of gastro-intestinal tract ulcers and malignant oral neoplasms, iii) to assess the type of microcirculation and its influence on the outcome of the therapy prescribed, iv) to reveal imbalance in the collagen synthesis/degradation processes, and v) to develop techniques for monitoring pharmaceutical drug dynamics in human and animal organisms. In addition, new fundamental data have been obtained concerning the elevated accumulation of porphyrins in chronic hypoxia tissues and a rather large variability of individual physiological microhemodynamic parameters. If blood microdynamics are investigated it could lead to the future development of a new instrument for analysis of the individual features of patient’s physiological condition and the pathogenesis of different diseases. Conclusion: Methods of complex non-invasive medical spectrophotometry appear to be an efficient tool in practical medicine for differential diagnostics of a number of diseases and pathologies, as well as for monitoring and prediction of the treatment outcome. At the same time, they also create an important perspective for gaining novel and fundamental knowledge about the blood microcirculation system which was not available earlier due to the absence of the diagnostic technology allowing information to be obtained in vivo in real time. Zusammenfassung Hintergrund und Zielsetzung: Das Problem der medizinischen Anwendung der nicht-invasiven (in vivo, in situ) Laser-Diagnostik, die auf den Grundsätzen der Spektralphotometrie und Laser-Spektralanalyse basiert, ist zunehmend Thema in der medizinischen Literatur. Dieser Artikel gibt einen Überblick über ausgewählte Studien in diesem medizinischen Bereich, die in einer der ältesten und größten russischen medizinischen Forschungseinrichtungen – dem Moskauer Regional Research and Clinical Institute (MONIKI) – durchgeführt wurden und mögliche medizinische Anwendungen dieser Methoden in der klinischen Praxis in verschiedenen Bereichen der Medizin illustrieren. Material und Methoden: Das speziell entwickelte multifunktionale Laser-Diagnose-System „LAKK-M“ wurde als diagnostisches Instrument in der Mehrzahl der Studien im MONIKI verwendet, so dass eine Kombination verschiedener nicht-invasiver medizinischer spektralphotometrischer Methoden (Laserfluoreszenzspektroskopie, Laser-Doppler-Flowmetrie, Oxymetrie, etc.) möglich war. Das System wurde sowohl in den Experimenten mit Versuchstieren als auch in der Behandlung von Patienten in verschiedenen Kliniken des Instituts verwendet. Ergebnisse: Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurden umfangreiche wissenschaftliche Daten erhoben, die die Möglichkeit eröffnet haben, die nicht-invasive medizinische Spektralphotometrie zu nutzen, um: i) Störungen sowohl in der Blutmikrozirkulation als auch im Sauerstofftransport in den peripheren kleinen Gefäßen zu diagnostizieren, ii) Behandlungsergebnisse von Magen-Darm-Geschwüren und bösartigen oralen Neubildungen vorhersagen zu können, iii) die Art der Mikrozirkulation und deren Einfluss auf das Behandlungsergebnis beurteilen zu können, iv) Ungleichgewichte in der Kollagen-Synthese bzw. in den Abbauprozessen zu offenbaren, und v) Techniken zur Überwachung der Wirkstoffkinetik pharmazeutischer Produkte im menschlichen und tierischen Organismus zu entwickeln. Darüber hinaus wurden neue grundlegende Daten über die erhöhte Akkumulation von Porphyrinen in chronisch mit Sauerstoff unterversorgtem Gewebe und über die große Variabilität der individuellen physiologischen mikrohämodynamischen Parameter gesammelt. Wenn die Blut-Mikrodynamik weiter untersucht wird, könnte dies in der Zukunft zur Entwicklung eines neuen Instruments zur Analyse der individuellen physiologischen Patientenparameter und der Pathogenese verschiedener Krankheiten führen. Fazit: Methoden der komplexen nicht-invasiven medizinischen Spektralphotometrie scheinen ein effizientes Werkzeug in der praktischen Medizin für die Differentialdiagnostik von einer Reihe von Erkrankungen und Pathologien, sowie für die Überwachung und Vorhersage von Behandlungsergebnissen zu sein. Gleichzeitig schaffen sie auch eine wichtige Perspektive für die Gewinnung neuen Grundlagenwissens über die Mikrozirkulation des Blutes, das bisher wegen des Fehlens entsprechender diagnostischer Technik nicht verfügbar war, so dass Informationen in vivo in Echtzeit gewonnen werden können.