Σιαλολιθίαση: ανάλυση και χαρακτηρισμός του βιογενούς υλικού και μελέτες λιθοτριψίας laser

Abstract

Sialolithiasis is a pathological situation of major salivary glands which results in a mechanical obstruction of the salivary duct, causing repetitive swellings which can remain transitory or can be complicated by bacterial infections. Sialolithiasis affect the 1% of human and is most common in male. The scope of the present thesis is the study of the sialolithisasis. Emphasis is given on the study of the biogenic materials and on their disintegration by laser radiation.The conventional methods of treatment require surgical removal of the gland, but modern techniques include the use of endoscopic procedures which use laser beam for the disintegration of sialoliths. These techniques are evaluated in the present thesis and in many cases they could replace the traditional therapeutic protocols.The present thesis focuses, first, on the structural study and the physicochemical characterization of sialoliths removed by the author from 22 patients which treated at the 251 Hellenic Air Force General Hospital, Athens. In order to analyze the structure and the composition of the biogenic materials a number of modern instrumental techniques were used, including scanning electron microscopy, infrared and Raman spectroscopy and X-Ray diffraction. In the present study, 20 out of 22 (90%) sialoliths were found to be composed of carbonate apatite. In the remaining 2 cases (9%), the organic matrix was found to be the major component of the stones with the carbonate apatite being the minor one. In thirteen cases, the sialoliths exhibited a spongy or porous structure, which has been built up of elongated or globular interconnected casts developed throughout the entire stone. This morphology suggested that the casts were occupied by elongated or globular bacteria which have been decomposed in time. Building upon this knowledge, artificial specimens consisting of carbonate apatite or gypsum were fabricated and their interaction with Ho:YAG laser radiation at wavelength λ=2080 nm was studied. Ho: YAG Laser is emitting high energy pulses close the spectral area of 1900 nm in which water shows strong absorption. Furthermore studies on the disintegration of natural sialoliths in aqueous media using the above laser were performed. The results showed high disintegration rates and energy densities in the range of ~ kJ/cm2 while the threshold energy determined was less than about one J/cm2. Laser ablation of sialoliths in aqueous environment revealed the fundamental role of water and the acquired results lead to the formulation of a napplication protocol for further in vivo operations.

Η σιαλολιθίαση είναι μια νόσος των μειζόνων σιελογόνων αδένων που οδηγεί στη μηχανική απόφραξη του αυλού τους προκαλώντας επανα-λαμβανόμενα οιδήματα τα οποία μπορεί να είναι παροδικά ή να επιμολυνθούν με βακτήρια. Η σιαλολιθίαση αφορά το 1% του πλυθυσμού και εμφανίζεται συχνότερα στους άνδρες. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη του παθολογικού φαινομένου της σιαλολιθίασης δίνοντας έμφαση στη μελέτη των υλικών και στις μεθοδολογίες αποδόμησης των σιαλόλιθων με ακτινοβολία Laser.Το φαινόμενο της σιαλολιθίασης αφορά στην απόφραξη του αυλού των σιελογόνων αδένων από λίθους και συναντάται στο 1% του ανθρώπινου πληθυσμού. Η παθολογία οδηγεί σε επώδυνα και συχνά επικίνδυνα για τη ζωή οιδήματα του ασθενούς. Οι συμβατικές μέθοδοι θεραπείας είναι χειρουργικές, με σύγχρονες τάσεις ενδοσκοπικής αφαίρεσης, στις οποίες νέες μεθοδολογίες αποδόμησης των σιαλόλιθων με Laser, όπως εξετάζονται στην παρούσα διατριβή, έρχονται να παίξουν ένα σημαντικό ρόλο για να αντικαταστήσουν τα παραδοσιακά πρωτόκολλα θεραπείας.Η παρούσα διατριβή εστιάζει σε μελέτες φυσικοχημικού χαρακτηρισμού και δομικής ανάλυσης φυσικών ευρημάτων του συγγραφέως από 22 ασθενείς στο 251 Γενικό Νοσοκομείο Αεροπορίας, Αθήνα. Η διδακτορική έρευνα εστιάζει και εφαρμόζει μια ποικιλία διαθέσιμων τεχνικών, από οπτική και ηλεκτρονιακή μικροσκοπία σάρωσης, φασματοσκοπικές τεχνικές υπεριώδους, ορατού και υπερύθρου φάσματος, έως φασματοσκοπία Raman, για να προσδιορίσει τη σύσταση του βιογενούς υλικού και τη δομή του. Η ανάλυση αυτή αποδεικνύει την κυρίως ανόργανη σύσταση των υλικών με κύριο συστατικό τον ανθρακικό απατίτη κατά 90% και μόνο 9% οργανική ύλη, καθώς και τον σημαντικότατο ρόλο βακτηριδίων στην ασβεστοποίηση εντός των αυλών που έχει ως αποτέλεσμα την απόφραξη. Ποικίλες περίπλοκες δομές παρουσιάζονται για πρώτη φορά στις μικρογραφίες του ηλεκτρονιακού μικροσκοπίου όπου κρυσταλλίτες ασβεστίτη συνυπάρχουν με ασβεστώματα βακτηρίων και οργανική ύλη.Τα αποτελέσματα οδηγούν στη σύνθεση μιας σειράς τεχνητών δειγμάτων που προσομοιώνουν τα φυσικά ευρήματα και τα οποία χρησιμοποιούνται για τις περαιτέρω μελέτες αλληλεπίδρασης με ακτινοβολία Laser Ho:YAG μήκους κύματος λ=2080 nm. Η διάταξη Laser Ho:YAG είναι προϊόν σύγχρονης τεχνολογίας και εκπέμπει παλμούς σχετικά μεγάλης ενέργειας πλησίον της φασματικής περιοχής των ~1900 nm, όπου παρατηρείται ισχυρή απορρόφηση του νερού. Οι μελέτες αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας και αποδόμησης πραγματοποιήθηκαν και σε φυσικά ευρήματα σιαλόλιθων σε ξηρό και υδάτινο περιβάλλον παρέχοντας υψηλούς ρυθμούς αποδόμησης βάθους πολλών μm αλλά και πυκνότητες ενέργειας τάξης kJ/cm2 ενώ το κατώφλι αποδόμησης βρέθηκε αρκετά χαμηλό, της τάξης J/cm2 και εντάσεις εκατόνταδων kW/cm2. Οι μελέτες αποδόμησης αποκαλύπτουν τον καταλυτικό ρόλο του νερού, ειδικότερα του υδροξυλικού δεσμού (-ΟΗ) και οδηγούν στη δημιουργία πρωτοκόλλου ακτινοβόλησης για περαιτέρω in vitro εφαρμογή.