Рассказывает Анна Рубекина, младший научный сотрудник кафедры квантовой электроники физического факультета, аспирантка четвертого года обучения
В лаборатории лазерной биофотоники мы решаем широкий спектр задач – как фундаментальных, так и чисто практических. Для начала стоит объяснить, что такое лазерная биофотоника. Биофотоника – междисциплинарная область науки, занимающаяся изучением живых систем с помощью света. На основе оптических методов создаются биосенсоры, носимые устройства для диагностики жизненно важных параметров, системы для помощи хирургам при проведении операций. Более того, светом можно воздействовать на организм человека и уничтожать или, наоборот, стимулировать определенные клетки.
В чем фишка света как такового? Дело в том, что энергия фотонов видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов соответствует энергиям электронных и колебательных уровней молекул. То есть, зондируя молекулы светом, мы можем идентифицировать и изменения в их структуре и окружении. Можно сказать, что методы биофотоники обладают молекулярной специфичностью.
Свет проникает в ткани организма человека достаточно неглубоко, на несколько миллиметров, в зависимости от длины волны излучения. Ультрафиолет, например, проникает всего лишь на десятки микрон, так как его поглощают почти все молекулы. Причем при поглощении ультрафиолета молекулы могут деградировать (например, могут возникнуть мутации в ДНК), поэтому в коже излучение данного спектрального диапазона блокируется пигментом меланином. Инфракрасное же излучение, наоборот, может проникать и на несколько сантиметров – так работают системы для картирования активности мозга (fNIRS, functional near infrared spectroscopy) и детектирования рака груди на основе фотоакустической томографии. Поэтому говорят об окнах прозрачности биотканей для ИК света.
С помощью технологий биофотоники мы производим малоинвазивный и неинвазивный анализы состояния клеток и органов, то есть наше вмешательство в организм происходит без разрезов. Например, с помощью света мы можем неинвазивно через кожу определять состав тела (содержание воды, гемоглобина, жира, параметры мышц, потребление кислорода клетками) без каких-либо дополнительных анализов: взятия крови, гистологии кожи, УЗИ, МРТ.
Фотоны передвигаются со скоростью света. Попадая в кожу, они мгновенно рассеиваются, отражаются, поглощаются и «идут» в детектор, который мы ставим снаружи нашего объекта исследования. Затем мы смотрим, сколько фотонов пришло обратно на детектор. В итоге, варьируя геометрию расположения системы «источник-детектор» и параметры зондирующего излучения, проводится «томография» объекта и получается результат в виде распределения молекулярных компонент.
Одно из центральных направлений работы лаборатории лазерной биофотоники — это интраоперационная диагностика. Мы сотрудничаем с отделением урологии МНОЦ МГУ, и наши методики анализа операционного процесса позволяют повысить эффективность и безопасность хирургии.
При эндоскопической лазерной литотрипсии (дроблении камней) может произойти смещение высокоинтенсивного излучения с камня на окружающие ткани, и излучение может их повредить. При этом даже опытный хирург не всегда успевает прекратить подачу излучения. Здесь может помочь непрерывный автоматический анализ операционной сцены с возможностью мгновенного управления хирургическим процессом.
Совместно с МНОЦ МГУ и нашим индустриальным партнером НТО ИРЭ Полюс мы впервые реализовали интеллектуальную навигацию по хирургическому полю при проведении операций с использованием лазерных систем, основанную на технологиях фотоники и искусственного интеллекта.
В результате воздействия лазера вода, содержащаяся в камне, «закипает», и впоследствии камень «взрывается» прямо в мочевом пузыре. При этом здоровая ткань остается невредимой. Если же лазерное излучение в процессе дробления попадает на здоровые участки ткани, оно моментально выключается автоматически. Для этого мы разработали метод оптической спектроскопии, позволяющий в режиме реального времени во время операции с точностью, превышающей 90%, определять тип объекта перед волокном. Данная система уже апробирована более чем на 50 операциях. Важно подчеркнуть, что это полностью отечественная разработка.
Второй класс решаемых нами задач – детектирование границы опухоли, то есть помощь хирургу в том, чтобы удалить все имеющиеся раковые клетки. Например, на стенке мочевого пузыря может образоваться опухоль. На определенной стадии роста ее морфология, то есть внешний вид, становится отличной от здоровой ткани. Опухоль нарастает на здоровую стенку органа и начинает увеличиваться. Мы видим верхушку, но не видим, насколько глубоко она вросла.
Нам же необходимо произвести анализ на клеточном уровне. Раковые и нераковые клетки отличаются биохимическими процессами в них и молекулярным составом, значит, можно попробовать различить их методами биофотоники.
Во время операции по удалению раковых опухолей из мочевого пузыря чаще всего используется эндоскопический метод – метод малоинвазийной хирургии. Через эндоскоп подается лазерное излучение. Во время операции камера передает изображение на монитор. Врач видит опухоль, включает лазер и начинает её вырезать. Через это же хирургическое волокно мы заводим диагностическое излучение и проводим анализ ткани на предмет ее состава, содержания кислорода, морфологии, насыщения кислородом. Это позволяет помочь хирургу определить границу раковой опухоли.