УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТИМУЛИРОВАНИЯ ФОТОБИОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ВИТАМИНА D3 - ХОЛЕКАЛЬЦИФЕРОЛА
DEVICE FOR STIMULATING PHOTOBIOCHEMICAL SYNTHESIS OF VITAMIN D3 - CHOLECALCIFEROL

3
Изобретение относится к медицинской технике, в частности к устройствам для стимулирования фотобиохимического синтеза витамина D - холекальциферола.
3
3
3
3
2
2
3
3
3
Энергия солнечного излучения при воздействии на кожу преобразуется в тепло и также расходуется на фотохимические и фотобиологические реакции, в ходе которых в эпидермисе кожи происходят различные фотобиохимические процессы. В 1935 г. была установлена химическая структура витамина D и было доказано, что витамин Dобразуется в результате ультрафиолетового облучения 7-дегидрохолестерина [1], [2] и [3]. В зависимости от дозы и качества УФ излучения физиологический эффект может быть, как положительным - синтез витамина D, так и отрицательным - ожог, повреждение ДНК, появление злокачественных образований на коже, фотостарение и др. Обеспечение организма витамином D происходит двумя путями: за счет эндогенного образования витамина D в эпидермисе кожи под воздействием УФ излучения определенного спектра и за счет усвоения витамина D экзогенно поступающего в кишечник с пищей. При достаточной и регулярной инсоляции потребность в витамине D полностью обеспечивается фотохимическим синтезом в эпидермисе [4]. Пищевой источник витамина D выполняет лишь компенсирующую роль в случаях дефицита эндогенного витамина. Активность фотобиохимических стадий синтеза витамина D находится в прямой зависимости от интенсивности, а также спектрального состава УФ излучения (УФИ). Фотобиохимический процесс синтеза витамина D происходит только при воздействии на кожу энергии ультрафиолетового излучения с определенными характеристиками. 7-Дегидрохолестерин эффективнее всего поглощает ультрафиолетовое излучение в диапазоне ультрафиолетового излучения УФБ (280-315 нм). Таким образом, производство витамина D происходит наиболее эффективно на этих длинах волн.
3
3
3
3
2
Величина УФ излучения, достигающая кожи, чрезвычайно важна для всей системы синтеза витамина D. Необходимые дозы невелики, причем достаточной считается ежедневная экспозиция лица и рук солнцем и светом в течение 15 мин. Примечательно, что воздействие более высоких доз излучения в УФБ диапазоне (280-315 нм) на более крупные участки тела дает менее благоприятное соотношение риска и пользы от УФИ. В статьях [5], [6] и [7] авторы представили исследования, по результатам которых обнаружили состояние насыщения при выработке витамина D с увеличением площади тела. Соотношение пользы/риска представляется благоприятным только для малых доз УФБ излучения и участков тела, тогда как чрезмерное пребывание на солнце не дает пропорционально дополнительной пользы. Синтез витамина D в коже происходит при УФ облучении, которое эффективно проникает только в эпидермальный слой кожи. Два наиболее важных фактора, которые влияют на синтез витамина D - это количество (интенсивность) и качество (соответствующие длины волны) УФ излучения. Еще один важный фактор - это количество 7-дегидрохолестерина в коже. При нормальных условиях, в сосочковом и базальном слоях кожи находится достаточное количество 7-дегидрохолестерина (около 25-50 мкг/см кожи) [8]. На образцах кожи in vitro показано, что уже через 15 минут после УФ облучения количество витамина достигает максимума, а при продолжении экспозиции его количество остается постоянным, но накапливаются люмистерин и тахистерин (до 50% от исходной концентрации 7-дегидрохолестерина) [9]. Таким образом, для полноценного обеспечения суточной потребности организма в эндогенном витамине D достаточно 10-20-ти минутного пребывания под открытым солнечным светом, содержащем УФБ лучи.
3
3
В условиях дефицита солнечного света недостаток витамина D может быть восполнен путем стимулирования фотобиохимического синтеза витамина D с использованием устройства синтеза витамина D - холекальциферола в организме путем облучения кожи узкополосным излучением в УФБ диапазоне.
Известны устройства, раскрытые в патентах US 6851814, МПК A61N 5/06, опубл. 08.08.2005, RU 2644752, МПК A61N 5/0613, опубл. 20.02.2016, в которых синтез витамина D в организме осуществляется облучением кожи с использованием ламповых источников излучения УФБ диапазона, излучающих на длинах волн, близких к биологически активному спектру излучения для выработки витамина D.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство по патентной заявке Кореи KR 20150082761, МПК A61N 5/06, опубл. 16.07.2015, содержащее светоизлучающий диод, светонаправитель, управляющий центральный процессор, рассеивающую пластину для равномерного распределения излучения по поверхности обучения, собранные на гибкой печатной плате, и блок питания. В таком устройстве достижение необходимой дозы витамина D обеспечивается при высокоинтенсивном УФБ излучении с длиной волны 280 нм, что требует, для обеспечения безопасности процесса облучения, установления и контроля максимально допустимого времени воздействия (рабочая смена, время сна и т.д.) и безопасной наименьшей дозы узкополосного светодиодного УФБ облучения соответствующей длительному времени облучения. Этот недостаток свойственен и для технических решений по упомянутым выше патентам US 6851814 и RU 2644752.
3
Задачей настоящего изобретения является создание устройства с использованием узкополосного светодиодного излучения в УФБ диапазоне для энергоэффективного и безопасного стимулирования синтеза витамина D - холекальциферола в организме.
3
3
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение стимулирования синтеза требуемой суточной дозы витамина D - холекальциферола при низкой интенсивности узкополосного излучения в УФБ диапазоне, что дает возможность повысить концентрацию витамина D - холекальциферола до необходимой суточной нормы.
3
Указанный технический результат достигается способом и устройством для стимулирования синтеза витамина D - холекальциферола в организме УФБ излучением, содержащим:
корпус,
размещаемые в корпусе секцию электропитания, секцию задания параметров и регулирования узкополосного УФБ излучения, источник узкополосного УФБ излучения и модуль равномерного распределения узкополосного УФБ излучения по облучаемой поверхности, расположенный в нижней части корпуса напротив источника узкополосного УФБ излучения,
сенсорный экран визуализации и ввода режима работы устройства, размещенный на верхней поверхности корпуса,
причем упомянутая секция задания параметров и регулирования узкополосного УФБ излучения содержит модуль повышения напряжения, модуль регулирования мощности узкополосного УФБ излучения и модуль задания параметров и регулировки мощности узкополосного УФБ излучения, режимов облучения и управления (вкл/выкл) источником УФБ излучения,
модуль равномерного распределения узкополосного УФБ излучения представляет собой пластину, выполненную из пластика, прозрачного для УФБ излучения, изотропного во всем объеме.
при этом модуль (6) равномерного распределения узкополосного УФБ излучения находится в непосредственном контакте с кожей.
3
Для обеспечения безопасных условий облучения в процессе синтеза витамина D в организме узкополосным УФБ излучением в качестве источника узкополосного УФБ излучения используется узкополосный светодиодный источник УФБ излучения с длиной волны излучения в диапазоне 291-301 с основной длиной волны 298 нм и создающий дневную дозу облучения в размере 0,15 МЭД.
В предпочтительном варианте осуществления в качестве источника узкополосного УФБ излучения используется узкополосный светодиодный источник диапазона УФБ излучения с длиной волны излучения в диапазоне 291-301 с основной длиной волны излучения 298 нм.
В предпочтительном варианте осуществления пластина для равномерного рассеивания узкополосного УФБ излучения выполнена из УФБ прозрачного изотропного материала, толщиной 0.5-3 мм, созданную, например, из пластика, прозрачного для УФБ излучения, изотропного во всем объеме с коэффициентом пропускания не менее 50% излучения в которой суспензия коллоидных частиц кремния, полимеризована в заданном объеме с добавлением антиседиментационных добавок, дополнительно стабилизирующих равномерное распределение наполнителей и уменьшающих образование крупных агломераций частиц. За счет свойства изотропности материала модуля 6 обеспечивается равномерное распределение узкополосного излучения УФБ диода или группы УФБ диодов, излучающих в УФБ диапазоне по всей поверхности модуля и соответственно по поверхности кожи, с которой контактирует модуль. Использование такого модуля распределения узкополосного УФБ излучения позволяет проводить облучение при минимальной мощности УФБ излучения.
Устройство по изобретению может быть частью браслета, а также представлять собой браслет, закрепляемый на теле, в котором модуль 6 равномерного распределения излучения находится в непосредственном контакте с кожей тела.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
3
фиг. 1 представляет структурную схему устройства для синтеза витамина D - холекальциферола по изобретению;
3
фиг. 2 представляет блок-схему блока генерирования узкополосного УФБ излучения для синтеза витамина D - холекальциферола по изобретению.
3
На фиг. 1 показана структурная схема устройства для синтеза витамина D - холекальциферола по изобретению. Устройство содержит корпус 1, в котором расположены секция 2 электропитания, секция 3 задания параметров и регулирования УФБ облучения, сенсорный экран 4 визуализации и ввода режима работы устройства, источник 5 узкополосного УФБ излучения и модуль 6 равномерного распределения узкополосного УФБ излучения по облучаемой поверхности. Секция 2 источника электропитания, секция 3 задания параметров и управления узкополосным УФБ облучением и источник 5 узкополосного УФБ излучения расположены на монтажной плате 7.
В качестве источника узкополосного УФБ излучения может использоваться узкополосный светодиодный источник излучения в УФБ диапазоне: один узкополосный УФБ диод, либо несколько узкополосных УФБ диодов, равномерно размещенных напротив секции равномерного распределения излучения. Доза облучения, предоставляемая узкополосным УФБ диодным источником/источниками облучения, предполагается в размере 0,15 МЭД/день. В случае использования одного источника узкополосного УФБ излучения ежедневная доза облучения (энергия) должна составлять 0,15 МЭД, либо совокупная доза источников узкополосного УФБ излучения должна в совокупности составлять 0,15 МЭД. Данная доза облучения выделена на основе результатов исследований, изложенных в работе [10].
На фиг. 2 показана блок-схема блока генерирования УФБ излучения. Секция 2 электропитания содержит источник электропитания, который обеспечивает электропитание составных элементов устройства, генерирующих УФБ излучение с требуемыми параметрами. В качестве источника электропитания может быть использована аккумуляторная батарея, устанавливаемая в отсеке секции 2 электропитания. Для зарядки аккумулятора отсек секции 2 электропитания снабжен портом зарядки.
Секция 3 задания параметров и регулирования узкополосного УФБ излучения обеспечивает регулирование мощности узкополосным УФБ излучения и содержит модуль 9 регулирования мощности узкополосного УФБ излучения и модуль 10 задания параметров и регулировки мощности узкополосного УФБ излучения, режимов облучения и управления источником узкополосного УФБ излучения. Этот модуль включает в себя программный узел задания параметров работы устройства и может быть выполнен, в том числе, в виде контроллера (например, микросхемы) регулирующего силу тока, т.е. мощность излучения. Электропитание упомянутых модулей 9 и 10 осуществляется через модуль 8 повышения напряжения.
При работе упомянутый модуль 10 получает данные параметров мощности облучения, задаваемые модулем 9 регулирования мощности узкополосного УФБ излучения, вводимых через сенсорный экран, посредством интегрированного в модуль 10 программного узла задания параметров узкополосного УФБ излучения, и генерирует выходной сигнал, подаваемый на источник узкополосного УФБ излучения. Программный узел также обеспечивает режим включения/выключения источника 5 узкополосного УФБ излучения в соответствии с задаваемым периодом облучения, что обеспечивается связью модуля 10 со средством вкл./выкл. источника 5 узкополосного УФБ излучения. Регулирование мощности УФБ излучения происходит путем регулирования силы тока и задается через интерфейс сенсорного экрана устройства. Мощность излучения регулируется, когда надо изменить время облучения (увеличение/уменьшение).
Упомянутые модуль 8, модуль 9 и модуль 10 могут размещаться на одной печатной плате или интегрированы в одну микросхему.
Модуль 6 равномерного распределения узкополосного УФБ излучения представляет собой пластину толщиной 0,5-3 мм созданную, например, из пластика прозрачного для УФБ излучения, изотропного во всем объеме с коэффициентом пропускания не менее 50% излучения в которой, например, суспензия коллоидных частиц кремния, полимеризована в заданном объеме с добавлением антиседиментационных добавок, дополнительно стабилизирующих равномерное распределение наполнителей и уменьшающих образование крупных агломераций частиц. За счет свойства изотропности материала модуля 6 обеспечивается равномерное распределение узкополосного излучения УФБ диода или группы УФБ диодов, излучающих в УФБ диапазоне по всей поверхности модуля и соответственно по поверхности кожи, с которой контактирует модуль. Использование такого модуля распределения узкополосного УФБ излучения позволяет проводить облучение при минимальной необходимой мощности УФБ излучения.
Электропитание от секции 2 источника электропитания подается на модуль 8 повышения напряжения и от него на модуль 9 регулировки мощности узкополосного УФБ излучения и модуль 10 задания и регулирования параметров мощности узкополосного УФБ излучения, режимов облучения и управления источником узкополосного УФБ излучения.
2
2
Корпус изготавливается, например, из прочного пластика или металла и определяет зону облучения, ограниченную размерами самого корпуса, либо корпуса и браслета одновременно, при этом зона облучения выполнена с возможностью помещения под нее части тела. Зона облучения берется из расчета от 10-20 см и более, выполненного на основе данных, исходя из того, что 1 см содержит около 25-50 мкг 7-дигидрохолестерина [8].
Устройства через сенсорный экран имеет обратную связь с модулем регулировки мощности узкополосного УФ Б излучения источником электропитания для задания параметров работы.
Устройство по изобретению может быть снабжено приемником сигналов дистанционного управления задания параметров режима облучения, связанного с программным узлом модуля 10 задания параметров облучения.
3
Описанное выше устройство и способ для стимулирования синтеза витамина D - холекальциферола в организме может использоваться для облучения различных частей тела. В предпочтительном варианте осуществления, такое устройство может быть частью браслета, либо всего браслета, который закрепляется на руке или ноге. При этом модуль 6 равномерного распределения узкополосного УФБ излучения находится в непосредственном контакте с кожей тела.
Перед использованием производят настройку устройства. Настройка заключается в установлении регулярной дозы облучения в зависимости от типа кожи. На основе данных исследований ультрафиолетового излучения, например, для кожи 2-го типа при ежедневной рекомендуемой энергии дозы облучения 0,15МЭД [10]. В зависимости от мощности облучения устанавливается время экспозиции (облучения). На экране устройства, например, интегрированного с браслетом, будет выставляться время экспозиции (облучения). При выборе другого времени облучения пропорционально будет изменяться мощность облучения (путем снижения/увеличения силы тока). Для других типов кожи с большим содержанием меланина мощность облучения может повышаться [11]. Данное устройство по изобретению предназначено для всех типов кожи по Шкале Фитцпатрика [12]. Облучение осуществляют на длинах волн 291-301 нм с основной длиной волны 298 нм. На этих длинах волн, обеспечивается наиболее эффективный процесс синтеза витамина D3 в организме - до 90% относительно 298 нм с низким уровнем негативных последствий облучения, в частности, эритемы, что подтверждается данными МКО Международной комиссией освещения) [13] приведенными в таблице ниже. При этом непосредственный контакт модуля равномерного распределения излучения практически исключает его воздействие на окружающих людей. В таблице полужирным шрифтом выделена длина волны 298 нм спектра излучения, которая позволяет получить лучший результат синтеза витамина D3.
Таблица: уровень эритемы и синтеза витамина D в зависимости от длины волны (CIE 174:2006 Action spectrum for the production of previtamin D3 in human skin STANDARD by Commission Internationale de L’Eclairage, 01/01/2006) [13].
№
Длина волны, нм
Эритема (%)
Витамин-D (%)
1
290,90
1,0000000
0,9005000
2
292,00
1,0000000
0,9280000
3
293,00
1,0000000
0,9520000
4
294,00
1,0000000
0,9760000
5
295,00
1,0000000
0,9830000
6
296,00
1,0000000
0,9900000
7
297,00
1,0000000
0,9960000
8
298,00
1,0000000
1,0000000
9
299,00
0,8053780
0,9770000
10
300,00
0,6486340
0,9510000
11
301,00
0,5223960
0,9170000
12
301,40
0,4790720
0,9014000
Работа устройства исследовалась в опытах in vivo. Были получены следующие результаты:
3
3
Результаты первого исследования (Вариант 1) по облучению с использованием устройства в виде браслета на запястье руки. Облучение происходило в течении 5 дней в условиях недостаточности освещения солнечным светом. Сеансы производились один раз в день со временем экспозиции 900 сек. После завершения облучения, в течение последующих двух дней облучения не было, чтобы завершилась выработка витамина D - холекальциферола. Мощность узкополосного источника УФБ излучения на 295 нм - 0.002 Вт, площадь облучения - 20 кв.см. Потери при прохождении УФБ излучения через рассеивающий слой - примерно 40%. На седьмой день наблюдалось увеличение концентрации 25-гидроксихолекальциферола в крови с 12,82 нг/мл до 17,52 нг/мл, что составило 4,7 нг/мл, или 32, 9 мкг, или 1293 МЕ за 5 суток облучения с использованием устройства для стимулирования фотобиохимического синтеза витамина D - холекальциферола, узкополосным УФБ облучением. Суточное увеличение концентрации 25-гидроксихолекальциферола в крови составило 6,58 мкг, или 263,2 МЕ.
3
3
Результаты второго исследования (Вариант 2) по облучению с использованием устройства в виде браслета на запястье руки. Облучение происходило в течении 6 дней в условиях недостаточности освещения солнечным светом. Сеансы производились один раз в день со временем экспозиции 900 сек. После завершения облучения, в течение последующих двух дней облучения не было, чтобы завершилась выработка витамина D - холекальциферола. Мощность узкополосного источника УФБ излучения на 295 нм - 0.002 Вт, площадь облучения - 20 кв.см. Потери при прохождении УФБ излучения через рассеивающий слой - примерно 40%. На восьмой день наблюдалось увеличение концентрации в крови 25-гидроксихолекальциферола с 23,79 нг/мл до 33,17 нг/мл, что составило 9,38 нг/мл, или 65,66 мкг, или 2626,4 МЕ за 6 суток облучения с использованием устройства для стимулирования фотобиохимического синтеза витамина D, узкополосным УФБ облучением. Суточное увеличение концентрации 25-гидроксихолекальциферола в крови составило 10,943 мкг, или 437,73МЕ.
3
Настоящее изобретение не ограничивается приведенными выше вариантами исполнения устройства для синтеза витамина D в организме.
3
Например, возможно одновременное использование источника УФБ излучения и диодного источника ИК излучения. При одновременном ультрафиолетовом и инфракрасном излучении происходит наложение коротковолнового излучения на длинноволновое. Модулированный ультрафиолетовым излучением инфракрасный поток является переносчиком ультрафиолетовой энергии, обеспечивая его более глубокое проникновение в подкожный слой, обеспечивая его энергетическое взаимодействие с биохимическими процессами, например, синтез витамина D.
Сочетание свойства изотропности материала модуля 6 устройства по настоящему изобретению и диапазона излучения УФБ диода от 291 до 301 нм с основной длиной волны 298 нм обеспечивает работу устройства при низкой интенсивности УФБ излучения, что дает возможность повысить его энергоэффективность и безопасность для пользователя и окружающих людей.
Источники информации:
1. Brockmann H. Die Isolierung des antirachitischen Vitamins aus Thunfischleberol. - Hoppe-Seyler's Z. physiol... Chem., 1936, 241, S. 104-115.
2. Windaus A., Lettre H., Schenk F. Uber das 7-Dehydrocholesterin. - Ann., 1935, 520, S. 98-106.
3. Windaus A., Schenk F., Werder F. Uber das antirachitisch Wirksame Bestrahlungspro- dukte aus 7-Dehydrocholesterin. - Hoppe-Seyler's Z. Physiol. Chem., 1936, 241, S. 100-103.
4. КАЛЬЦИЙ, ВИТАМИН D И ФОРМИРОВАНИЕ ЗДОРОВОГО СКЕЛЕТА, Шилин Д.Е., 10.13140/RG.2.1.4905.1288, М., Издательство МАИ, 2008.
5. Matsuoka LY, Wortsman J, Hollis BW. Use of topical sunscreen for the evaluation of regional synthesis of vitamin D3. J Am Acad Dermatol 1990; 22:772-775.
6.  K, Ylianttila L, Kautiainen H et al. Narrowband ultraviolet B course improves vitamin D balance in women in winter. Br J Dermatol 2010; 162:848-853.
7. Morten K.B. Bogh (2012) Vitamin D production after UVB: Aspects of UV related and personal factors, Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation, 72:sup243, 24-31.
8. Norman, A.W. (1998). Sunlight, season, skin pigmentation, vitamin D, and 25-hydroxyvitamin D: integral components of the vitamin D endocrine system. The American Journal of Clinical Nutrition, 67(6), 1108-1110. doi:10.1093/ajcn/67.6.1108.
9. МЕТОДЫ БИОФОТОНИКИ: ФОТОТЕРАПИЯ Учебное пособие САРАТОВ НОВЫЙ ВЕТЕР 2012 УДК [577.345:615.831] (075.8).
10. Heath Council of the Netherlands (1986). UV radiation: Human exposure to ultraviolet radiation. The Hague, Health Council of the Netherlands (Report 1986/93).
11. УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Официальный научный обзор по воздействию УФ излучения на окружающую среду и состояние здоровья с упоминанием о глобальном истощении озонового слоя. Всемирная организация здравоохранения Женева, 1995 г.
12. Fitzpatrick, T. B. (1975). "Soleil et peau" [Sun and skin]. Journal de  (in French) (2): 33-34.
13. CIE 174:2006 Action spectrum for the production of previtamin D3 in human skin STANDARD by Commission Internationale de L'Eclairage, 01/01/2006.