Моменты просветления
Чтобы поставить точный диагноз, орган пациента можно на время сделать прозрачным
Василий Янчилин, «Поиск» № 36-2016
Перечисление всех важных научных достижений, наград, званий и должностей профессора Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского Валерия Тучина могло бы сделать эту вступительную часть сравнимой по размеру с основным материалом. Поэтому скажем только, что и в отечественных, и в международных оценках его деятельности отмечается «беспрецедентный вклад» в научную и образовательную сферы. Валерий Викторович – признанный авторитет в области биологической и медицинской физики, биофотоники, биомедицинской оптики и в ряде других направлений. Возглавляемая им научная школа, как одна из ведущих, получила в этом году государственную поддержку на выполнение инновационного проекта «Оптика и биофотоника биологических тканей: методы медицинской диагностики и терапии». Об особенностях исследования и планируемых результатах известный ученый рассказал нашему корреспонденту.
– Напомню, что оптика, играющая ключевую роль в этом исследовании, одна из древнейших научных дисциплин, – замечает Валерий Викторович. – Ее возможности и свойства давно и успешно используются человечеством для различных нужд, в том числе для улучшения качества жизни и сохранения здоровья. Достаточно назвать предметы и приборы, которыми мы часто пользуемся сами или встречаем в поликлиниках и больницах. Это очки и контактные линзы, офтальмологические и дерматологические лампы, фиброскопы, светодиоды, лазеры.
Бурное развитие электроники и ее фактическое объединение с оптикой в прошлом столетии привели к появлению новой научной дисциплины фотоники, в рамках которой разрабатываются фундаментальные и прикладные проблемы генерации, распространения и взаимодействия оптических сигналов с различными средами.
Следует заметить, что применение оптических технологий в диагностике и лечении заболеваний не может быть успешным без представления о взаимодействии оптического излучения с биологическими тканями и клетками. Поэтому в XXI веке сформировалась новая научная дисциплина – биофотоника, которая возникла на стыке инновационных дисциплин прошлого века, а именно фотоники, биотехнологии и нанотехнологии. Все это определило особенности развития технологий, а также подготовки кадров высшей квалификации по новому научному направлению. Решение подобных задач в полной мере отражают хорошо известные в мире и России монографии и учебники научной школы Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского.
Наши пионерские исследования серьезно влияют на развитие биомедицинских технологий в мире и подготовку нового поколения исследователей и преподавателей в области биофотоники. Это происходит в том числе благодаря активному участию нашего научного коллектива в организации международных конференций в течение последних 20 лет – в России, США, странах Европы, Китае. Мы впервые в мире разработали новые образовательные стандарты по подготовке бакалавров по физике живых систем и магистров по биофотонике, которые успешно внедряются в университете и планируется использовать в ряде вузов нашей страны, а также Финляндии, Германии, Китая.
– Какие методы медицинской диагностики вы применяете и с какой целью?
– В рамках международной кооперации мы разрабатываем и предлагаем для использования в клиниках и больницах целый ряд новых медицинских оптических диагностических технологий. Например, на основе оптической когерентной томографии, которая успешно применяется для диагностики глазных болезней и ряда кожных заболеваний, включая псориаз и меланому. Оптические методы имеют огромные перспективы в диагностике кардиоваскулярных заболеваний и болезней головного мозга, включая атеросклероз, инсульты, опухоли мозга. Их привлекательность в том, что появляется возможность проводить непрерывные исследования мозга в течение многих часов и дней, не нанося вреда этому важному органу, чего нельзя обеспечить никаким другим способом с применением, скажем, УЗИ, МРТ или рентгеновской компьютерной томографии.
Конечно, существуют серьезные научные и технологические проблемы, которые мы успешно решаем шаг за шагом. В частности, нам мешает сильное рассеяние света, которое искажает изображение объекта исследования или даже скрывает его полностью. Для наглядности можно привести примеры с самолетом, летящим в облаках, или зернышком, упавшим в молоко. Наш глаз их не видит. В медицинских исследованиях подобные ситуации возникают, когда речь идет о небольших раковых опухолях или движущихся по сосудам раковых клетках (метастазах).
Наша задача – обеспечить надежную и качественную визуализацию таких объектов. Для этого мы используем разные методы. Например, заставляем клетки «звучать» под действием импульсного лазерного излучения, которое может проникать глубоко в биологическую ткань. Можно сделать ткань более прозрачной за счет ее пропитывания веществами, которые временно устраняют рассеяние света. Помните «человека-невидимку» Герберта Уэллса? Конечно, мы не можем сделать прозрачным всего человека, но отдельные органы и ткани – вполне. Сама природа нам подсказала путь к этому. Роговица глаза, через которую свет от рассматриваемого предмета попадает на чувствительную оболочку глаза – ретину, имеет прекрасную прозрачность. Склера глаза, покрывающая глазное яблоко снаружи вместе с роговицей, очень близка к ней по своему строению. Обе ткани состоят из коллагеновых волокон, которые служат своеобразной арматурой, придающей глазу механическую прочность. Однако с точки зрения оптики они полностью различны, роговица – прозрачная, а склера – белая, непрозрачная (это белок глаза). Такое различие связано с неоднородностью структуры склеры. Но на время ее можно сделать более однородной – с помощью капель просветляющего агента она становится прозрачнее. Исследование различий в строении роговицы и склеры дает ценную информацию для разработки универсальных технологий просветления и других тканей и органов, в том числе кожи, мышечной ткани, и не только мягких, но и твердых тканей – хрящевой, костной и зубной.
Благодаря появлению быстродействующих мощных компьютерных средств стало возможным управлять траекториями фотонов в сильно рассеивающих средах с использованием так называемых адаптивных (самоприспосабливающихся) зеркал и экранов, которые исправляют размытые изображения биотканей, делают их более четкими и информативными.
– Хотелось бы узнать о предлагаемых вами способах лечения и их результатах.
– Мы развиваем ряд методов фототерапии и их комбинации. Свет используется для запуска фотохимических реакций с применением специальных красителей или наночастиц. Красители могут вырабатываться и самим организмом, что особенно интересно, если повышенная концентрация красителя обусловлена развитием патологического процесса. Например, такие широко распространенные среди молодежи заболевания, как угревая сыпь или воспаление десен, сопровождаются размножением микробов, которые пигментированы и по этой причине очень эффективно поглощают свет. Запуская цепочки фотохимических реакций с генерацией свободных радикалов (частиц с повышенной реакционной способностью), можно добиться полной гибели патогенных микробов в этих местах.
Технология хорошо работает и для специально созданных красителей, которые тем или иным способом внедряются в область патологических образований и за счет генерации светом свободных радикалов убивают не только микроорганизмы, но и раковые клетки. Это так называемый метод фотодинамической терапии, который уже используется в клиниках для лечения онкологических и воспалительных заболеваний. Тем не менее он требует своего дальнейшего развития для обеспечения большей эффективности, особенно для терапии глубоколежащих опухолей.
В настоящее время в качестве посредников для воздействия света на клетки и ткани используют разнообразные наночастицы, которые могут быть металлическими, полупроводниковыми или органическими. Под действием света они нагреваются или генерируют свободные радикалы и поэтому повреждают или убивают патологические клетки. Аналогичные процессы используются для нанохирургии клеток и внедрения в клетку генетического материала. Однако нужно решить много проблем, прежде чем такие нанотехнологии войдут в медицинскую практику. Одна из таких проблем связана с доставкой наночастиц к объектам воздействия, она должна быть векторной, то есть строго направленной.
– Что вы уже сделали в этой теме? Насколько значимы ваши результаты в научном мире, на международном уровне?
– Наш коллектив выполнил ряд приоритетных исследований по оптике биологических тканей, развитию методов измерения оптических параметров биотканей в норме и при различных патологиях, а также по разработке технологии оптического просветления тканей и клеток, что необходимо для существенного повышения эффективности оптических и лазерных диагностических, терапевтических и хирургических технологий. Полученные результаты обобщены в многочисленных монографиях, учебниках, справочниках, аналитических обзорах и специальных выпусках журналов и широко используются на практике. Наши книги и оригинальные работы хорошо цитируются, общее количество цитирований превышает 13 тысяч. Но дело не только в цитировании. Достигнутые нами результаты служат основой для проведения широкомасштабных клинических исследований в мировых научных центрах.
В 2016 году моя книга по оптике биологических тканей получила международную премию имени Джозефа Гудмана как монография, внесшая значительный вклад в исследования, преподавание и развитие промышленности в области оптики и фотоники. Мной опубликована первая в мире монография по оптическому просветлению биотканей и крови. Наш коллектив – мировой лидер в области поляризационной оптики и спектроскопии биотканей, оптических технологий измерения скорости кровотока и перфузии биотканей, включая мозг, в развитии методов проточной оптической и фотоакустической цитометрии, в области применения плазмонных нанокомпозитов с фотодинамическими красителями для селективной лазерной деструкции раковых клеток и патогенов.
– Какие задачи призван решить нынешний проект, насколько они перспективны для применения в практических целях?
– Наш новый проект, поддержанный грантом Президента России, посвящен дальнейшей разработке и применению методов количественного определения оптических свойств биологических тканей, исследованию скорости диффузии оптических просветляющих агентов, лекарственных препаратов и красителей в тканях. Эти исследования включают полный цикл – от экспериментальной демонстрации эффектов, их теоретического описания с использованием современных математических и вычислительных методов до разработки экспериментального оборудования и трансфера технологии в клиническую практику.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
02.09.2016