Роуд-шоу Национальной премии в области будущих технологий «ВЫЗОВ» (премия «ВЫЗОВ») достигло Саратова, где 15 мая лауреат в номинации «Учёный года» Валерий Тучин расскажет о новой междисциплинарной области знаний и технологий — биофотонике, изучающей взаимодействие света с живыми клетками и тканями. А специально для Наука Mail российский ученый раскрывает ее секреты в нашем материале.
Видеть сквозь живые ткани
В основе метода оптического просветления тканей лежит несколько физических и химических процессов. Во-первых, практически все биологические ткани, кроме роговицы глаза, являются мутными, то есть средами, сильно рассеивающими падающий на них свет. Именно поэтому нам трудно увидеть, что творится внутри организма, хотя поверхностные биологические структуры, такие как вены, мы видим достаточно хорошо. Следовательно, с точки зрения оптических явлений нам нужно устранить это рассеяние. Самый простой и надежный способ — на время убрать оптическую неоднородность ткани, то есть сделать так, чтобы свет шел по ткани, не испытывая отклонений от первоначального пути (не рассеивался). Это возможно только в одном случае: если показатель преломления среды будет одинаков на всем пути следования фотонов.
Приступаем к химии. Мы должны найти или синтезировать биологически совместимый (безвредный, а лучше полезный) агент — жидкость с показателем преломления выше, чем у воды. Почему именно воды? А потому, что в мягких тканях животных и человека содержится от 75 до 90% воды, показатель преломления которой самый низкий из всех компонентов ткани и составляет примерно 1,33, то есть свет замедляется в воде именно на эту величину, в 1,33 раза. А рассеивателями, которые мешают распространяться свету по прямым траекториям, являются органические компоненты тканей в виде белковых и липидных образований, органелл клеток, их мембран, волокнистых структур
Для реализации этой технологии очень важно еще одно явление, которое широко используется и в физике, и в химии — это диффузия молекул в различных средах, в нашем случае молекул просветляющих агентов, которые должны достаточно быстро пройти на нужную нам глубину в ткани. Это также интересная область исследований, которая имеет практический выход для решения такой важной проблемы, как доставка лекарственных препаратов, которую теперь можно контролировать с помощью оптического просветления.
Цель оправдывает средства
Наиболее широкое применение метод оптического просветления нашел в фундаментальных биологических исследованиях, в том числе мозга. С его помощью можно визуализировать все органы животного или насекомого, не расчленяя тело. Биологи имеют возможность использовать частично разрушающие технологии и токсичные вещества для подготовки образцов, что дает им возможность сделать ткани абсолютно прозрачными и наблюдать флуоресценцию белков, помеченных с помощью флуоресцентных красителей. Несмотря на то, что такая подготовка требует значительного времени (часы и дни) и значительных материальных затрат, связанных с использованием уникальных дорогостоящих красителей, новейших оптических микроскопов и сложного программного обеспечения, получаемые в настоящее время на моделях животных новые данные о биологических процессах, ответственных за неизлечимые пока заболевания, в полной мере компенсирует эти затраты.
В медицине также есть много интересных попыток использования метода оптического просветления. Широкое проникновение в медицину сдерживается из-за ограничений, связанных с обеспечением биологической совместимости агентов и длительным временем действия агентов. У нас в распоряжении минуты, а диффузия молекул — процесс медленный. Но мы не унываем и используем весь богатый опыт, наработанный человечеством в косметологии и физиотерапии, когда можно сделать глубокую чистку кожи и тем самым увеличить скорость доставки агентов. Или использовать для этого сонофорез или электрофорез, с которым все сталкиваются в физиотерапевтических кабинетах. Есть хорошо себя зарекомендовавшие химические усилители проницаемости кожи и слизистых оболочек, которые используются для доставки лекарственных препаратов. Есть возможность использования технологий контрастирования изображений при внутривенном введении КТ или МРТ контрастных агентов, которые также являются достаточно хорошими просветляющими агентами. Мы это доказали первыми в мире.
В связи с такими ограничениями в медицине нет возможности сделать ткань абсолютно прозрачной, как в биологии, но уже сравнительно небольшое подавление рассеяния света позволяет получить значительный выигрыш в чувствительности оптических методов при исследовании живых объектов. Из примеров самого простого использования и уже рутинного применения оптического просветления — это применение в офтальмологии для просветления помутнений роговицы, это делается для того, чтобы врач мог оценить характер повреждений при использовании световой микроскопии.
Как это усилит классические методы визуализации
Все оптические методы существенно дополняют классические методы визуализации, такие как УЗИ, КТ и МРТ, но, конечно, не заменяют их полностью. Оптические технологии отличаются неинвазивностью и сравнительно малой стоимостью и возможностью применения непрерывно в течение дня или больше, а главное они являются основой для молекулярной диагностики. Это особенно важно при исследовании функций мозга, сердечной деятельности.
Флуоресцентная микроскопия — это оптический метод, и он сильно выигрывает при оптическом просветлении. По сути, когда врач пытается визуализировать опухолевые клетки внутри тела человека, которые были предварительно покрашены при внутривенной инъекции специального красителя, который красит только опухолевые клетки, и если опухоль лежит глубоко под кожей или слишком мала, то свет флуоресценции от опухоли просто не дойдет до регистрирующей камеры. Да и возбуждающий свет, который идет извне через кожу и далее к опухоли, может не дойти до цели с необходимой интенсивностью. Но если кожу сделать более прозрачной, то шансов гораздо больше.
Наши исследования совместно с Федеральным научным центром Биотехнологии с научной лабораторией профессора А. П. Савицкого на живых мышах показали яркость свечения раковых клеток в 3−5 раз более высокую, чем без просветления. На мой взгляд, это одно из самых простых и ярких применений метода оптического просветления. Потрясающие результаты можно получить для оптической когерентной томографии, конфокальной микроскопии, нелинейной микроскопии, когда можно простыми средствами увеличить глубину зондирования в несколько раз. Аналогичное увеличение без оптического просветления можно достичь, лишь вложив огромные средства в модернизацию этого дорогостоящего оборудования, например, купив новый более мощный и стабильный лазер. Но и это имеет предел, который и далее может быть преодолен за счет оптического просветления.
Когда оптическое просветление появится в клиниках
Интерес к методу есть со стороны исследовательских центров, среди которых и компании, и клиники. Например, хорошо всем известная берлинская клиника Шарите. Мы их учили, как применять метод оптического просветления, а они нас — физиологии кожи. Получилось более чем 10-летнее плодотворное сотрудничество. Мы внедрили метод в Китае, в нескольких университетах, в Великобритании, сейчас внедряем в Португалии в техническом университете г. Порто. Это сотрудничество идет с клиниками г. Порто, которые поставляют образцы патологических тканей для исследования. Мы не только видим лучше через ткани, но и по скорости диффузии агентов можем различить здоровая ткань или опухолевая.
Мы имеем много предложений по совместным исследованиям. Например, к нам обращаются разработчики уникального оптического метода исследования, которые просят научить их использовать метод оптического просветления, чтобы расширить возможности их метода.
Для внедрения такого рода разработок в российскую медицину нужно лишь желание и понимание необходимости для повышения эффективности диагностики или терапии. Принципиальные вопросы с точки зрения физических основ метода и технологии использования в медицине решены. Остается, конечно, много частных вопросов, накопление знаний и данных, но в клинику уже можно спокойно идти. Проблема у всех одна — это материальные и временные издержки, которые требуются для проведения доклинических и клинических исследований. Я бы сказал так — нужна сильная заинтересованность медиков и понимающие инвесторы.
Путь к открытию
Я начинал как физик, работал с лазерами и спектроскопией. После защиты докторской диссертации по лазерам, появились хорошие ученики, которые интересовались применением лазеров в медицине. В Саратове был огромный интерес к лазерной медицине, были созданы клинические лаборатории, промышленность выпускала лазеры. Я был еще достаточно молод и свободен в выборе дальнейших исследований. Да и в семье была творческая обстановка, настраивающая на медицинские исследования, супруга работала в кожной клинике, где у молодых людей, медиков был интерес к лазерной терапии. Мои ученики работали в лазерном центре офтальмологической клиники. Все это вместе и развернуло наши исследования в сторону медицины.
Саратовские медики интуитивно, без глубоких знаний взаимодействия лазерного излучения с живыми клетками и тканями, которые и до сих пор до конца не ясны, сумели набрать эмпирический материал в клиниках при лечении различных заболеваний. Ему не доверяли на Западе, пока сами не занялись вплотную этой проблемой и не стали получать близкие результаты. Российские ученые также выдвинули и доказали основные гипотезы такого взаимодействия, которые сейчас широко используются в мире.
К нашим исследованиям по оптическому просветлению также был скепсис, но в большей степени среди части моих учеников. За рубежом в основном подхватывали, но не у всех хватало запала продолжать по разным причинам. Справедливо критиковали в основном из-за того, что нужно внедрять агент в ткань, а это всегда чревато дополнительными медицинскими разрешениями. Но всегда нужно взвешивать достоинства и недостатки метода. Этот недостаток, связанный с внедрением агентов в ткань, мы превратили, наоборот, в достоинство метода. А именно научились использовать измерение скорости диффузии агента для дифференцирования здоровой и опухолевой ткани, или определения степени гликированности ткани при сахарном диабете, что очень важно для мониторинга осложнений.
Из забавного, именно те, кто критиковал и говорил о неприменимости нашего метода, были первыми, кто его и применил. И что самое интересное, когда сняли табу с этой проблемы, все лаборатории мира «выстрелили» своими замечательными публикациями, хотя мы их ранее убеждали, что метод обязательно сработает, так как физика есть физика. Даже обиды были, почему мы не были настойчивы в убеждении и близкие нам научные группы не стали первыми, а были только вторыми в этом научном соревновании.
Синергия российской и китайской науки
В настоящий момент продолжается реализация проекта создания Центра биомедицинской фотоники в Ухане (Китай). У нас совместный грант РНФ, недавно подали на грант по обмену специалистов.
У нас идет хорошая планомерная работа. Ищем средства для направления молодежи из нашей группы в Ухань и, наоборот, из Ухани в Саратов. В прошлом году наша аспирантка и студент потрудились месяц в Ухани, набрали материал на публикации. Мы взаимно дополняем друг друга. Сообща беремся за решение задач, которые трудно сделать в одиночку.
Вывод простой — открытое сотрудничество, доверительные отношения, понимание проблем обеих сторон и желание их вместе преодолеть, возможность без каких-либо ограничений использования ресурсов друг друга дают синергетический эффект для нашей науки.
Конечно, в настоящее время материальные вложения в науку и инфраструктуру существенно большие именно у китайской стороны, но мы также не отстаем за счет более глубокого погружения в физику и биофизику исследуемых процессов. С другой стороны, вся их новая инфраструктура доступна нам. И если возникла какая-то интересная идея, то мы можем, не выезжая из Саратова, попросить провести исследование в китайской лаборатории и потом обсудить результат и опубликовать совместную статью. Китайская сторона также обращается к нам, и мы проводим для них исследования с использованием той аппаратуры, которой у них нет.
Будущее биофотоники
Квантовая биофотоника — одно из перспективных направлений биофотоники, поскольку позволяет существенно снизить уровни плотности мощности при исследовании свойств материалов, включая биологические ткани, что очень важно именно для исследования живых объектов. Так называемые запутанные фотоны дают ряд новых интересных с точки зрения диагностики явлений при их взаимодействии с биотканями. Это также один из путей преодоления сильного рассеяния в биотканях за счет сохранения передаваемой информации в среде. Мы сейчас с командой из России, США, Франции и Китая завершаем работу над вторым изданием монографии для издательства Шпрингер, где включили новую главу по квантовой биофотонике. В СГУ уже третий год ведем магистерскую программу по квантовым технологиям.
Нанобиосенсоры — еще одна достаточно хорошо разработанная область биофотоники. Мы вместе с Саратовским научным центром РАН ведем исследования в этом направлении как теоретические, так и экспериментальные. Но к этой проблеме подходим шире, используем наночастицы и нанокомпозиты не только как сенсоры, но и как медиаторы для лазерной терапии опухолей. При этом оптическое просветление здесь также дает серьезные преимущества. Например, от внедренного в организм биосенсора нужно еще зарегистрировать сигнал, а если он достаточно слабый, то он просто потеряется за счет рассеяния тканей, но его можно будет зарегистрировать при просветлении кожи.
Интерес к методу растет, благодаря «ВЫЗОВУ»
С момента получения премии «ВЫЗОВ» прошло не так много времени, но уже заметен интерес к нам. Надеюсь, что результатом такого внимания будут хорошие заказы на интересные исследования и разработки. Получение премии — это еще и большая ответственность. Теперь и требования к уровню работы нашей команды, и ожидания от нас стали еще выше. Но мы с надеждой смотрим в будущее.
