Сравнение термических повреждений в коже спустя 24 часа после обработки тканей пикосекундным александритовым лазером с использованием обычной и фракционной оптики
Эмиль А. Тангетти, доктор медицинских наук, Даниэль М. Тартар, доктор медицинских наук. Центр дерматологии и лазерной хирургии (Сакраменто, Калифорния), Калифорнийский университет (Дэвис, Калифорния).
Краткое содержание
Введение
Это исследование посвящено изучению термических повреждений, которые развиваются при разных способах обработки кожи лазером, сразу и спустя некоторое время после сеанса с использованием пикосекундного александритового лазера с обычной и фракционной оптикой. Мы посчитали необходимым подробнее изучить немедленные эффекты нагревания и понять разницу в эффектах, которые развиваются в краткосрочной перспективе при использовании разной оптики.
Результаты
Во время и сразу после процедуры не было выявлено различий не было никаких немедленных различий или значительного повышения температуры независимо от способа выполнения проходов по коже или типа применяемой оптики. В течение 24 часов после проведенного лечения значительное повышение температуры и эритема развились при использовании фракционной оптики, тогда как после процедуры с обычной насадкой отмечалось лишь слабое покраснение.
Выводы
При использовании различных способов выполнения проходов сразу не было выявлено значительных тепловых изменений независимо от использованной оптики. Однако фракционная оптика вызывает появление локализованных участков эпидермального некроза, что приводит к значительному клиническому и отсроченному тепловому эффекту. При проведении курса процедур происходит активная стимуляция коллагена, эластина и муцина, что внешне проявляется разглаживанием атрофических рубцов постакне и устранением признаков фотостарения. Наше исследование показало, что локализованное контролируемое повреждение эпидермиса может запускать воспалительный каскад с последующим ремоделированием дермы. J Drugs Dermatol. 2016; 15 (11): 1347-1352.
ВСТУПЛЕНИЕ
Пикосекундные устройства были коммерчески представлены несколько лет назад как способ более эффективного удаления татуировок и очагов гиперпигментации. Пикосекундный александритовый лазер эффективно удаляет большинство татуировок. Сложные в плане удаления другими типами лазером зеленые чернила при использовании данного устройства исчезают на глазах. Активное поглощение лазерного излучения с длиной волны 755 нм меланином позволяет с успехом использовать пикосекундный александритовый лазер для лечения невуса Ота и других доброкачественных пигментных образований.
Фракционная оптика с успехом применяется для проведения процедур лазерного омоложении лица, удаления очагов гиперпигментации, шрамов на месте разрешившихся элементов угревой сыпи. Брауэр и соавт. сообщают о заметном сглаживании контуров шрамов постакне после серии процедур, что связано с активным синтезом нового коллагена, эластина [1]. 1Наш центр был первым, кто описал гистологические изменения, которые развиваются в тканях после процедур лазеротерапии с использованием фракционной оптики. Мы наблюдали внутриэпидермальные вакуоли диаметром примерно 60 микрон, расположенные в зернистом слое эпидермиса [2, 3, 4].
Эта ограниченная зона внутриэпидермального повреждения выявлялась у людей с индексом меланина (ИМ) более 15 и типом кожи по Фитцпатрику II и выше. Индекс меланина определяется с помощью электронного измерителя пигмента в коже SkintelTM. Фактически, это значит, что вакуоли формировались в коже людей в том случае, если в тканях содержалось достаточно большое количество пигмента. Мы установили, что формирование вакуолей является результатом лазерно-индуцированного оптического пробоя (laser induced optical breakdown, LIOB) [4]. Специальная насадка с линзами, образующими дифракционный оптический массив, дробит луч лазера и увеличивает тем самым энергию и силу воздействия каждого микролуча. Локальное поглощение энергии лазерного излучения молекулами меланина приводит к генерации одного или нескольких свободных электронов (рис. 1).
Количество свободных электронов лавинообразно увеличивается. Формируется область разогретой до высоких температур плазмы, которая продолжает поглощать энергию лазерного излучения. Температура плазменного пузыря передается окружающим тканям, что вызывает формирование парового пузыря, который активно расширяется. Гистологическое исследование биоптатов кожи, полученных через несколько минут после процедуры, выявляет вакуоли характерной формы, которые являются следствием теплового повреждения тканей (рис. 2).
Исследование образцов кожи под микроскопом демонстрирует минимальное повреждение окружающих вакуоль кератиноцитов. В течение последующих 24 часов полость заполняется регидратированным клеточным детритом. (рис.3) В нем при окрашивании по методу Фонтана-Масон выявляется значительное количество меланина (рис. 4).
В течение следующих трех недель вакуоль сжимается и образует микроскопическую зону эпидермального некротического детрита (a zone of microscopic epidermal necrotic debris, MENDS), которая отслаивается вместе с чешуйками рогового слоя эпидермиса (рис. 2).
У людей с низким уровнем меланина с типами кожи I и II наблюдается несколько иная клиническая картина и гистология. Если выставить в настройках аппарата максимальные значения плотности энергии излучения, можно получить многочисленные геморрагические папулы на коже, подвергшейся действию лазерного луча. Гистологическое исследование биоптатов выявляет отдельные участки кровоизлияний в кожу, которые располагаются там же, где и заполненные кровью вакуоли. Сами по себе вакуоли располагаются глубже в тканях, на уровне дермо/эпидермального перехода. Выход форменных элементов в ткани свидетельствует о повреждении сосудов при поглощении энергии лазерного излучения гемоглобином [4].
Это устройство может быть эффективно и безопасно для проведения процедур лазерного омоложения лица, удаления рубцов постакне у людей с более темным типом кожи. Образование вакуолей происходит при любых настройках: диаметр пятна 6 мм и плотность энергии излучения 0,71 Дж/см2, 8 мм и 0.40 Дж/см2, 10 мм и 0,25 Дж/см2. Размер вакуолей уменьшается по мере снижения плотности энергии излучения за счет использования большего размера пятна. Повреждение распространяется на эпидермис и не достигает базальной мембраны.
Обсуждение устройств для лечения шрамов от угревой сыпи на лице часто фокусируется на рассмотрении концепции повреждения кожи как неотъемлемой части процесса. Многие до сих пор связывают более глубокое повреждение тканей с достижением лучших клинических результатов [5]. Однако Оррингер и др. на основе клинических данных и лабораторных исследований доказали, что верно обратное: хорошие результаты чаще связаны с более поверхностным повреждением кожных покровов [6]. Гистология и клинические данные, полученные при использовании спикосекундного александритового лазера с фракционной оптикой, позволяют утверждать, что локальное повреждение эпидермиса приводит к ремоделированию дермы.
В этом исследовании мы изучали характер термических повреждений, которые развиваются при использовании разных способов обработки кожи сразу и спустя время после воздействия пикосекундного александритового лазера со стандартной оптикой 6 мм и насадкой с дифракционным оптическим массивом. Мы рассчитывали, что это даст нам четкое понимание термических эффектов и патофизиологических механизмов, связанных с клиническим улучшением, которые мы наблюдали у наших пациентов при проведении лазеротерапии на этом приборе с применением фракционной оптики.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Пикосекундный александритовый лазер с длиной волны 755 нм и насадками с дифракционным оптическим массивом линз (Picosure, TM Cynosure, Westford, MA) и стандартной 6-миллиметровой оптика использовался для обработки участка кожи площади 10 см на 10 см на руке и животе добровольцев. Для документрирования изменений температуры во время и после процедуры лазеротерапии использовалась инфракрасная камера, модель Thermo Vision A320. В ходе эксперимента мы использовали разные методы обработки кожи: в одном случае выполняли последовательно четыре прохода лазером по обрабатываемой области один за другим, в другом выполняли все те же четыре прохода, но с интервалами длительностью в 1 минуту между ними. Фотографирование и термография проводились сразу, через 15, 30 минут, 1,2,4 и 24 часа после сеанса.
Стандартная оптика обеспечивает равномерное распределение интенсивности лазерного излучения по всей площади пятна диаметром 6 мм. Решетка дифракционных линз состоит из плотно прилегающих друг к другу шестиугольных линз с шагом 500 мкм, где шаг — это расстояние между центрами соседних линз. Массив линз дробит лазерный луч на большое количество мелких лучей. Массив линз изменяет профиль интенсивности излучения пикосекундного александритового лазера таким образом, чтобы получить области высокой интенсивности излучения, окруженные низкоинтенсивным “фоном”. Примерно 70% от общей энергии приходится на области высокой интенсивности излучения, которые занимают не более 10% всей площади обрабатываемого участка кожи при условии выполнения одного прохода лазером с минимальным перекрытием. Области высокоинтенсивного воздействия расположены в углах шестиугольников, там же, где находятся центры линзовой решетки. Оставшиеся 30% энергии равномерно распределяются по оставшейся площади обрабатываемого участка кожи (рис. 5a, 5b).
И стандартная, и фракционная оптика предназначены для доставки к коже одного и того же количества энергии. Плотность энергии при диаметре пятна 6 мм составляет 0,71Дж/см2. Единственная разница между двумя оптическими системами доставки — это способ распределения энергии по площади кожи обрабатываемого участка. Стандартная оптика обеспечивает равномерное распределение энергии. Фракционная оптика с линзовой решеткой создает области с высокой интенсивностью воздействия, которые окружены фоновыми областями низкоинтенсивного воздействия (рис. 5a, 5b).
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Непосредственно во время процедуры локального повышения температуры зарегистрировано не было независимо от используемой оптики. Не было выявлено серьезных различий в температуре обрабатываемых участков при применении различных способов обработки кожи. Выполнение 4 проходов подряд не вызвало заметного нагревания тканей по сравнению с 4 проходами, которые выполнялись с интервалом в 1 минуту и более между ними. Такой результат не стал неожиданностью, так как относительно небольшое количество энергии, которое доставляется в кожу, не может привести к заметному повышению температуры.
Начиная с первой значимой временной отметки в 15 минут после лазерного воздействия, область, обработанная с применением фракционной оптики продемонстрировала более быстрое увеличение температуры по сравнению с исходными значениями, чем область, обработанная с применением обычной оптики. Через 1 час после сеанса с использованием фракционной оптики среднее повышение температуры составило 5,6 градусов по Цельсию по сравнению с исходным уровнем, а через 24 часа в среднем 3,8 градуса по Цельсию (рис. 6).
Мы использовали тест Даннета для проверки статистической значимости полученных значений температур относительно исходного уровня для каждого временного отрезка. Все показатели подъема температуры, которые наблюдались после лазерного воздействия с использованием фракционной оптики, были статистически значимыми (P <0,05). Локальное повышение температуры сопровождалось появлением покраснения и крапивницы через 15 минут после процедуры, которые в последующие 24 часа перерастали в заметную эритему, которую, тем не менее, было просто замаскировать средствами декоративной косметики (рис. 7).
Использование стандартной оптики вызвало локальное повышение температуры на 1,3 градуса Цельсия через час после обработки. Теста Даннета показал, что значения среднего повышения температуры статистической значимости не имеет. Из внешних проявлений мы наблюдали только легкое покраснение кожи, которое прошло примерно через 1 час после лазерного воздействия. Среднее значение разницы между повышениями температуры выше исходного уровня для каждого пациента с использованием стандартной и фракционной оптики составило 4,2 градуса по Цельсию через 1 час и 2,9 градуса по Цельсию через 24 часа после обработки (рис. 8).
Среднее значение разницы между повышениями температуры выше исходного уровня с использованием стандартной и фракционной оптики была статистически значимой во временном промежутке от 15 минут до 4 часов после лазерного воздействия (P <0,05). Средние разности повышения температуры непосредственно после лечения и через 24 часа после окончания сеанса статистической значимости не имеют (Р на уровне 0,05).
ОБСУЖДЕНИЕ
Целью этого исследования было изучение эффективности и безопасности различных способов обработки кожи лазером с применением фракционной оптики. Стандартную оптику мы использовали для сравнения. Не было отмечено существенной разницы температур при последовательном выполнении проходов и выполнении проходов с интервалом в 1 минуту и более. Такой результат был предсказуем, так как количество энергии лазерного излучения, которое аккумулируется в коже, незначительно. Расчет повышения средней температуры эпидермиса в ответ на поступление лазерных импульсов проводился с учетом охлаждения окружающих тканей [7]. Расчеты показали, что среднее повышение температуры эпидермиса при поступлении лазерного импульса с плотностью энергии 0,71 Дж/см2 составило 0,5 градуса спустя 0,1 секунду, 0,2 градуса через 1 секунду и 0,03 градуса через 1 минуту после окончания лазерного импульса.
Мы отметили отчетливую отсроченную разницу в клинических проявлениях лазерного воздействия между двумя видами оптики: на участках кожи, обработанных с использованием фракционной оптики, более выраженным было повышение температуры и развитие эритемы. Это наблюдение стало наиболее интересным аспектом нашего исследования.
Гистология дает ключ к разгадке различий, которые мы наблюдали в ходе исследования. В эпидермисе в ответ на применение фракционной оптики идет активное формирование вакуолей. При этом использование обычной оптики не вызывает микроскопических изменений в тканях, которые мы могли бы видеть в биоптатах при окраске срезов гематоксилином-эозином (рис. 9).
Хотя в теории мы могли предположить вероятность нагрева и повреждения тканей при использовании стандартной оптики, в ходе гистологического исследования мы не выявили четких признаков повреждения эпидермиса, а в ходе наблюдения не увидели резкого повышения локальной температуры после сеанса, как это было после использования фракционной оптики. Полученные данные позволяют предположить, что точечное повреждение эпидермиса вызывает каскад высвобождения медиаторов, которые вызывают локальное повышение температуры и активизируют синтез коллагена, эластина, муцина.
В настоящее время для удаления шрамов постакне в нашем распоряжении имеется целая линейка абляционных и неабляционных лазерных устройств. Их воздействие вызывает повреждение эпидермиса и/или дермы. У людей со смуглой кожей в результате такого повреждения повышается вероятность появления участков депигментации. Этих проблем можно избежать с помощью пикосекундного александритового лазера с длиной волны 755 нм и фракционной оптикой.
Мы предполагаем, что наблюдаемая задержка локального повышения температуры после обработки с использованием фракционной оптики может иметь иммуно-опосредованный характер. Медиаторы иммунного ответа, которые высвобождаются из дермы после травмы, более-менее известны. Медиаторы воспаления, которые продуцируются в эпидермисе, не так четко определены. Одним из факторов, который связан с формированием кожной реакции на повреждение эпидермиса, является интерлейкин-33 [8]. Этот член семейства IL-1 синтезируется в эпителиальных клетках, в том числе кератиноцитах, и представляет собой эндогенный сигнал тревоги, который свидетельствует о повреждении или некроз. Ил-33 может напрямую воздействовать с рецепторами клеток приобретенного и врожденного иммунитета. Фактически, Ил-33 действует непосредственно на Т-клетки, дендритные клетки и макрофаги для запуска воспалительной реакции.
Индуцированное лазерным излучением пикосекундного лазера с фракционной оптикой образование вакуолей является следствием повреждения эпидермиса, что приводит к выделению ИЛ-33 из ядер клеток (рис. 10).
Этот фактор может проникать в дерму и действовать как цитокин, стимулирующий воспалительную реакцию. Он активизирует экспрессию генов фибробластов и других клеток дермы для производства нового коллагена, эластина и муцина. Также есть другие механизмы и другие цитокины, которые участвуют в развитии воспалительной реакции и репарации в ответ на повреждение.
Быстрое образование вакуолей с генерацией LIOB создает волну давления в коже, которая также может запускать процесс ремоделирования дермы. Это может инициировать изменения в каскадах клеточных реакций и межклеточного взаимодействия [3,9]. Эта гипотеза основана на факте образования плазмы в процессе поглощения энергии лазерного излучения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Различные техники обработки кожи с применением стандартной и фракционной оптики для пикосекундного александритового лазера с плотностью энергии 0,71 Дж/см2 не продемонстрировали значительных различий в изменении локальной температуры. Однако использование фракционной оптики вызывает формирование ограниченного участка эпидермального некроза, что лежит в основе развития последующих клинических и термических эффектов. При проведении курса процедур с течением времени в коже образуется новый коллаген, эластин, муцин. Это способствует улучшению внешнего вида кожи, сглаживанию рубцов постакне, устранению признаков фотостарения. Ограниченное контролируемое повреждение эпидермиса может запускать развитие воспалительной реакции и последующее ремоделирование дермы.
БЛАГОДАРНОСТИ
Это исследование было профинансировано компанией Cynosure,Inc. в 2015 году.
РАСКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ
Доктор Тангетти — консультант и исследователь компании Cynosure Inc. У доктора Тартара нет сведений о конфликтах интересов.
Список литературы
1. Brauer JA, Kazlouskaya V, Alabdulrazzaq H, et al. Use of a picosecond pulse duration laser with specialized optic for treatment of facial acne scarring. JAMA Dermatology. 2015; 151(3):278
2. Tanghetti E, Tanghetti M. A clinical and histologic study of skin treated with a pico-second alexandrite laser comparing a uniform treatment spot and a spatially modulated spot. Lasers Surg Med. 2014; 46:28
3. Tanghetti E. Characterization of the histologic changes in the skin from the treatment with the 755nm Picosecond Alexandrite Laser. Lasers Surg Med. 2015; 47(S26):24
4. Tanghetti E. The histology of skin treated with a picosecond alexandrite laser and a fractional lens array. Lasers Surg Med. 2016; (Epub ahead of print)
5. Henry Chan’s discussion at controversies in laser medicine surgery. 2015
6. Oranger J.S, Rittie L, Baker, J.J, et al. Molecular mechanisms of non-ablative fractionated laser resurfacing. Br J Dermatol. 2010;163(4):757-767
7. Mirkov M, Sherr EA, Sierra RA, et al. Analytical modeling of laser pulse heating of embedded biological targets: an application to cutaneous vascular lesions. J Appl Phys. 2006; 99(11):114701.
8. Balato A, Raimondo A, Balato N, et al. Interleukin-33: increasing role in dermatological conditions. Arch Derm Res. 2016; 308(5):287-296
9. McDaniel D. Gene expression analysis in cultured human skin fbroblasts following exposure to a picosecond pulsed alexandrite laser and specially designed Focus optic. Lasers Surg Med. 2015; 47(S26):2