27 ноября руководитель Научного медицинского центра СГУ, заведующий кафедрой оптики и биофотоники В.В. Тучин познакомил участников V Конгресса молодых учёных с основными направлениями биофотоники.
В воде свет распространяется в 1,33 раза медленнее, чем в вакууме, это число и есть показатель преломления воды как основной среды биологических тканей. В.В. Тучин объясняет принцип оптики биологических тканей:
Мы приписываем каждой ткани этот показатель — так мы можем получить образ биологического материала. Во время исследований мы стремимся сделать ткань более прозрачной. По флуоресценции — поглощению и испусканию света — мы можем судить о внутреннем молекулярном составе тканей и органов, однако мы должны учитывать и рассеяние, которое "замутняет" изображения.
Как получить хорошую модель биологической ткани в домашних условиях? Необходимо взять стакан воды, налить туда немного молока и добавить капельку крови. Это, по словам В.В. Тучина, позволит проводить исследования в широком диапазоне длин волн света.
Одна из задач биофотоники — визуализация. Свет, попадая на поверхность ткани, отражается. При анализе потока отражённых фотонов — частиц светового излучения — можно получить информацию о любых биологических объектах— клетках, тканях и органах человека.
Однако не каждая биологическая ткань хорошо «просвечивается». В.В. Тучин приводит пример:
Если к пальцу приложить лазерную указку, то вы ничего не увидите — будет сильное рассеяние. Но на самом деле вся информация в этом излучении уже содержится: чтобы её извлечь, нужно доставить свет на достаточную глубину, а потом "собрать" оттуда прямые и нерассеянные баллистические фотоны.
Валерий Викторович представил оптические методы исследования биотканей. В каждой лаборатории учёные-биофотоники работают со спектрометрами, которые измеряют отражённый и прошедший световые сигналы. Более сложные установки позволяют получить детальную информацию о структуре тканей, движении эритроцитов и лимфоцитов; безболезненно «раскладывать» в микроскопическом объёме материал ткани до ионов и атомов. В мире, например, более 150 компаний, которые разрабатывают оптические когерентные томографы, в значительной степени свободные от вредного влияния многократного рассеяния на результаты анализа ткани.
Для всех оптических методов главная проблема — невозможность глубоко "заглянуть" в биологическую ткань, так как при глубоком погружении пучка света в ткань снижается разрешающая способность изображения. Сегодня стоимость решения проблемы на субклеточном уровне — порядка миллиона долларов.
Валерий Викторович перечислил основные «окна» прозрачности в теле, которые определяются спектрами воды, гемоглобина, меланина, липидов, белков и ДНК. Именно большое количество воды в биологических тканях позволяет «просвечивать» человеческий организм в видимой и ближней инфракрасной области. Ткани и клетки в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном, терагерцовом диапазонах имеют разные коэффициенты поглощения и рассеяния света — это влияет на глубину изучения объекта.
Например, учёные могут «просветлять» глаз человека — одной капли глицерина будет достаточно, чтобы «увидеть» на клеточном уровне ретинальную оболочку через склеру. Биологическая ткань становится прозрачной, что позволяет обнаружить раковые клетки — например, меланому.
Наша основная идея — сделать человека "невидимым", но по частям. Хотя есть эксперименты, которые позволили "просветить" человека полностью — но на это потребуется около года. Основная идея — пропитать ткань агентом, который позволит снизить разницу в показателях преломления рассеивателей – коллагеновых волокон, клеточных органелл – и окружающих их сред – межтканевой жидкости и цитоплазмы.
О каких агентах идёт речь? Глюкоза, фруктоза, глицерин, пропилен гликоль, диметилсульфоксид — эти материалы доступны в аптеке. Более дорогие агенты — рентгеноконтрастные и МРТ-контрастные вещества.
Наши студенты подсказали нам чистый и дешёвый просветляющий агент — жидкость для электронных сигарет. Здесь мы берём чистую жидкость без никотина и ароматизаторов — глицерин, полиэтиленгликоль и немного воды.
Однако этим не ограничивается использование вейпов: перед исследованием бронхов пациент может покурить, его лёгкие «пропитаются» просвечивающим агентом. Врачи могут провести бронхоскопию высокого качества.
Методы иммерсии используют и реставраторы. В.В. Тучин рассказал об этом интересном факте.
Реставраторы смогли увидеть, что происходит при восстановлении старинных картин. Так родилось научное направление — в ИТМО проводят терагерцовую спектроскопию арт-объектов.
Учёные продолжают исследовать просветляющие агенты для гистологии органов, в изучении крови, при УЗИ. В лабораторных исследованиях в пробах цельной крови могут находить меланомные клетки, бактерии; определять степень гликированности ткани при диабете.
Технология оптического просветления проста, дешева. Она хорошо вписывается в другие методы получения изображений и воздействия на биологические ткани.
Новости о работе делегации СГУ на конгрессе молодых учёных читайте в социальных сетях университета.
Читайте новости Саратовского университета в MAX.
