Les scientifiques appliquent la théorie du contrôle à l’analyse de la dynamique des réactions photochimiques dans les luminothérapies

Les scientifiques appliquent la théorie du contrôle à l'analyse de la dynamique des réactions photochimiques dans les luminothérapies

Les tracés du locus racine des sept modèles linéarisés à différents points d’équilibre : (a) 3O2 cas déficient, (b) 3O2 cas riche. 1 crédit

Des chercheurs en Chine ont récemment appliqué la théorie du contrôle pour la première fois à l’analyse de la dynamique des réactions photochimiques dans les luminothérapies et ont développé le premier modèle mathématique de l’oxygène singulet induit par la lumière dans le traitement des infections fongiques. Les résultats ont été publiés dans Transactions IEEE sur le génie biomédical.

Les thérapies photodynamiques (PDT) sont des alternatives non antibiotiques pour le traitement des maladies infectieuses localisées en raison de leur action rapide et de leur absence de résistance aux médicaments. Semblables à la PDT, les thérapies à la lumière bleue qui reposent uniquement sur les pigments endogènes, c’est-à-dire les porphyrines et les flavines, des agents pathogènes sont également efficaces et encore plus sûres à utiliser.

La lumière bleue antifongique (ABL) a été largement étudiée comme nouvelle approche de traitement des infections fongiques. Le calcul du rendement quantique de l’oxygène singulet est la clé pour déterminer la dose de lumière appliquée à la fois en PDT et en ABL.

Afin d’étudier la dynamique des réactions d’oxydation photosensibilisées dans la PDT et l’ABL, et de développer une approche de modélisation efficace, l’équipe du Dr Dong Jianfei à l’Institut d’ingénierie et de technologie biomédicales de Suzhou (SIBET) de l’Académie chinoise des sciences a appliqué des principes fondamentaux la théorie du contrôle pour analyser ces processus et a dérivé la condition de linéarisation pour le modèle PDT non linéaire du premier principe.

Le mécanisme de l’effet antifongique de la PDT et de l’ABL est la lumière excitant soit le photosensibilisateur exogène dans le premier cas, soit les pigments endogènes dans le second, qui à leur tour produisent des espèces réactives de l’oxygène (ROS) à partir de l’oxygène triplet (3O2) molécules.

Les ROS sont très réactifs et peuvent provoquer une cytotoxicité. L’oxygène singulet (1O2) représente généralement 80 % de tous les ERO induits par la lumière ; tandis que les radicaux hydroxyles et d’autres types de ROS prennent les 20% restants. De plus, l’oxygène singulet est un précurseur de la plupart des autres ROS.

Dong et ses collègues ont linéarisé le modèle PDT non linéaire du premier principe à un ensemble de points d’équilibre le long de la trajectoire de sa réponse dynamique aux stimuli lumineux.

Les scientifiques appliquent la théorie du contrôle à l'analyse de la dynamique des réactions photochimiques dans les luminothérapies

Ajustement des résultats du modèle analytique de forme fermée aux données mesurées. 1 crédit

Cela a abouti à un ensemble de modèles d’espace d’états linéaires invariants dans le temps (LTI). Ces modèles sont tous du troisième ordre et contiennent trois pôles et un zéro. Parmi ceux-ci, un pôle est constamment situé à l’origine du plan complexe.

Une analyse plus approfondie a montré que le zéro peut approximativement annuler le pôle à l’origine, conduisant à des modèles de second ordre contenant deux pôles. Les emplacements de ces deux pôles restants sont étroitement liés à la concentration de 3O2c’est-à-dire l’ingrédient principal pour produire 1O2.

Selon les chercheurs, lorsque la concentration de 3O2 est ample, les locus racinaires aux différents points sont condensés en un groupe beaucoup plus petit que ceux du cas déficient en oxygène. Cela indique que les systèmes LTI locaux dans le cas riche en oxygène sont plus identiques les uns aux autres ; et c’est-à-dire que le modèle PDT de premier principe non linéaire d’origine a tendance à être linéaire.

“C’est une observation intéressante”, a déclaré Dong. En fait, la concentration en oxygène dans le sang est suffisante pour des réactions photochimiques dans la plupart des cas.

Inspirée par cela, l’équipe a analysé et résolu le modèle PDT de premier principe et a obtenu une solution analytique de forme fermée dans des conditions riches en oxygène. La signification de cette solution analytique est qu’il s’agit d’une équation algébrique non linéaire avec seulement quatre paramètres, qui peut être facilement ajustée aux données expérimentales.

Ils ont en outre proposé une approche de modélisation basée sur les données pour le processus de réaction photochimique des luminothérapies. Le modèle a obtenu un bon résultat d’ajustement sur les données expérimentales ABL mesurées.

Il s’agit de la première tentative d’application de la théorie du contrôle pour analyser la dynamique des réactions photochimiques des luminothérapies en termes de non-linéarité. Les techniques de modélisation proposées offrent également des opportunités pour déterminer les doses de lumière dans le traitement des maladies infectieuses fongiques, en particulier celles sur les tissus de surface du corps humain.


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Plus d’information:
Tianfeng Wang et al, Analyse et modélisation basée sur les données de la dynamique de réaction photochimique de l’oxygène singulet induit dans les luminothérapies, Transactions IEEE sur le génie biomédical (2022). DOI : 10.1109 / TBME.2022.3170541

Fourni par l’Académie chinoise des sciences

Citation: Les scientifiques appliquent la théorie du contrôle dans l’analyse de la dynamique des réactions photochimiques dans les thérapies par la lumière (6 mai 2022) récupéré le 6 mai 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-05-scientists-theory-analysis-photochemical-reaction.html

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