Рак является одной из основных причин смерти во всем мире. По последним данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), ежегодно от рака умирает около 9.6 миллиона человек. Рост заболеваемости раком связан с изменением образа жизни в последние десятилетия, включая увеличение потребления табака, неправильное питание, а также сидячий образ жизни. Затраты на лечение рака, уход за пациентами и поддержка их семей являются значительными, что оказывает большое влияние на общество и экономику. Для снижения социально-экономической нагрузки и улучшения доступа к здравоохранению изыскание новых методов диагностики, лечения и профилактики рака является важным аспектом. Новые подходы в лечении помогут значительно улучшить результаты противораковой терапии и выживаемости пациентов. Рак является сложным заболеванием, и борьба с ним требует постоянных научных исследований и инноваций.
Микросферы и фотонные наноструи
Управлять фокусировкой и сбором света возможно с помощью маленькой диэлектрической микросферы. В прошлое десятилетие была открыта техника суперразрешающей микроскопии, суть которой заключается в возможности увеличить детали, в том числе и биологические, с разрешением меньше длины волны (l /5, где l — длина волны света).
Как это работает? Микросферы концентрируют свет в небольших потоках, известных как «фотонные наноструи», которые локализуются вблизи поверхности микросферы на теневой стороне и в воздухе. Расстояние от поверхности до наноструи составляет несколько длин волн, а интенсивность излучения экспоненциально уменьшается. Такая оптическая конфигурация позволяет получать небольшой объем недифрагирующего света, обычно с высокой интенсивностью усиления. Взаимодействие между фокальным объемом и диэлектрической поверхностью, которая может имитировать биологическую ткань, изменяет характеристики наноструи, которые, однако, сохраняют высокую интенсивность воздействия и локализацию. Высокая интенсивность и высокая локализация означают повышенное термомеханическое и фотодинамическое воздействие в фокальном объеме. Кроме того, такая конфигурация позволяет с высокой эффективностью улавливать рассеянный свет, что открывает возможность проведения спектроскопических измерений в чрезвычайно малых объемах образцов или даже в молекулярных пленках. Микросферы могут быть аппроксимированы с помощью модели с тонкими линзами, которая предсказывает увеличение интенсивности, числовую апертуру и размер талии, выходящие за рамки геометрической аппроксимации.
Использование микросфер с короткими лазерными импульсами создает проблему искажения импульсов из-за хроматической аберрации и дисперсии групповой скорости. С помощью диэлектрической микросферы искажения импульсов можно контролировать и уменьшать таким образом, чтобы это не влияло на эксперименты с временным разрешением.
Прогноз развития
Фотонные наноструи могут принести много пользы широкому спектру научных областей, особенно материаловедению, аналитической химии и биомедицине. В биомедицинских приложениях микроскопия с использованием микросфер может стать мощным инструментом, пригодным для манипулирования тканями на уровне отдельных клеток с одновременным получением спектроскопических данных. Поскольку диэлектрические микросферы не только концентрируют свет в ближнем поле, но и могут создавать изображение со сверхвысоким разрешением в дальнем поле, в принципе их можно использовать в качестве оптических микрозондов, что позволяет получить изображение ткани и ее химического состава за один эксперимент.
Такой подход обеспечивает повышенную чувствительность поверхности. Молекулярное распознавание не основывается на детальном моделировании механизма, лежащего в основе оптического отклика. Микроскопия с использованием микросфер может обладать возможностью сканирования, обеспечивая высокую пропускную способность данных, и может быть интегрирована с существующими платформами микроскопии и архитектурами «лаборатория на кристалле». В этом отношении это является шагом вперед по сравнению со спектроскопией затухающих волн, поскольку оно обеспечивает поперечное разрешение порядка длины волны или меньше, сохраняя спектроскопические характеристики.
Таким образом, возможное преимущество селективного усиления фотодинамических и термомеханических процессов с помощью микроскопии с использованием микросфер на различных типах подложек, особенно в присутствии биологических молекул, привело к разработке и созданию фотонного эндоскопа для лечения онкологических заболеваний органов ЖКТ.
Коммерциализация разработок
Описанный метод лег в основу создания малоинвазивного фотонного эндоскопа для лечения онкологических заболеваний. Предлагаемый подход состоит в создании нового объектива, передняя линза которого оснащена микросферой и является сменной. С помощью нового объектива эндоскопа под воздействием лазерного излучения формируется мощный узко сфокусированный световой поток, который проникает в глубину ткани с целью уничтожения раковых клеток. Микросфера позволяет сфокусировать излучение таким образом, что удается избежать рассеяния излучения внутри биологических тканей.
Разработанный объектив крепится к оптическому волокну и заводится в трубку эндоскопа, которая выступает в качестве полости для подведения лазерного излучения внутри организма человека к пораженному органу и местам метастазирования лимфоузлов. Операцию можно проводить как с внешней стороны органа, так и внутренней, воздействуя только на злокачественную опухоль и не затрагивая здоровые ткани, в том числе на 3 и 4 стадии рака.
Благодаря такой разработке можно отказаться от резекции и сохранять целостность органа. Разработка имеет большой социальный эффект, который приведет к снижению смертности благодаря высокой 5-летней выживаемости (85-95%) и низкой частоте рецидивов (5-10%). Минимизация побочных эффектов улучшит качество жизни пациентов и укрепит репутацию медицинских учреждений. Также сокращение сроков госпитализации до 1-2 дней ускорит восстановление пациентов, что повысит пропускную способность клиник и увеличит число спасенных жизней. В свою очередь, снижение нагрузки на систему здравоохранения за счет уменьшения длительности стационарного лечения и послеоперационного наблюдения, приведет к ряду положительных экономических эффектов. В том числе сокращение экономических потерь за счет более раннего возврата пациентов к трудовой деятельности.
