Что происходит с фотоном, когда он сталкивается с человеком? Что необычного умеют делать диатомовые водоросли и как свет и звук помогают диагностировать заболевания? Группа ученых под руководством профессора Сколтеха Дмитрия Александровича Горина занимается изучением света и его применением в медицине и биологии. В интервью корреспонденту «Научной России» химик рассказал о трендах в биофотонике, передовых исследованиях и главных задачах, которые предстоит решить в ближайшие годы.

Справка: Дмитрий Александрович Горин – доктор химических наук, руководитель лаборатории биофотоники Центра фотоники и фотонных технологий Сколковского института науки и технологий, профессор, руководитель гранта РНФ «Оптические методы для мониторинга роста диатомовых водорослей и их активности в связывании диоксида углерода», руководитель проекта конкурсной программы «Клевер» «Фотоактивируемые нанокомпозитные системы для малоинвазивной терапии глиобластомы под контролем магнитно-резонансной томографии».

– В одном из своих выступлений вы говорили, что для изучения космоса существует гораздо больше инструментов, чем для исследования человеческого организма. С чем это связано?

– В силу определенных исторических событий такой тренд действительно существовал, но сейчас он меняется: люди хотят жить дольше и жить качественно, поэтому в последние годы очень большое внимание уделяется разработке методов, которые помогают диагностировать заболевания как можно раньше и лечить их эффективнее. Такая тенденция наблюдается во всем мире.

– То есть науки о жизни становятся не менее популярными, чем изучение космоса?

– Да. Дело в том, что в середине XX в., когда бурно развивалась космическая отрасль, перед учеными стояла задача создать ядерное оружие и средства его доставки, и космическая программа, по сути, была конверсией военных программ. Сейчас реалии изменились, а вместе с ними и приоритеты научных исследований. Разумеется, интерес к исследованию космоса никуда не исчез, и сегодня мы видим много интересных программ в этой области. Так, например, прямо сейчас на МКС российские космонавты проводят исследования микроциркуляции крови и окислительного метаболизма биотканей в условиях космического полета с помощью носимых оптических анализаторов российского производства.  Этот эксперимент – результат сотрудничества ученых НТЦ биомедицинской фотоники ОГУ им. И.С. Тургенева (руководитель А.В. Дунаев) совместно с Центром подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина и Институтом медико-биологических проблем РАН.

– Человеческий организм сложнее, чем космос?

– Мне кажется, они сопоставимы по сложности. В случае с человеком главная трудность в том, что мы состоим из огромного количества разных клеток. Биологи часто шутят: как мы можем быть свободны, если состоим из клеток?

– Но повезло, что у нас нет твердых клеточных стенок, как у растений…

– Конечно. Сложность еще в том, что все мы очень разные. Взять для примера хотя бы кожу человека. Как известно, она имеет слоистое строение, но вы нигде не найдете точного численного значения толщин этих слоев, потому что даже у одного и того же человека эти показатели различаются. Наверное, из-за этой сложности человеческого организма его так интересно изучать.

– Каждая часть тела человека по-разному реагирует на свет?

– Да. Фотон, попадая в кожу человека, испытывает не менее 100 актов рассеяния до акта поглощения, то есть из-за взаимодействия с нашими клетками он изменяет свое направление. Удивительно, что спустя даже десять таких событий фотон уже может забыть свое первоначальное направление, то есть изменить направление движения на противоположное. Это дает возможность располагать источник излучения и приемник с одной стороны. Биологическая ткань позволяет за счет рассеяния обеспечить путь фотонов от источника к приемнику. Часть фотонов будет поглощаться эндогенными хромофорами нашего организма, например молекулами гема в гемоглобине. Окси- и дезоксигемоглобин по-разному поглощают фотоны с одной и той же энергией, что позволяет измерять насыщение ткани кислородом.

Поскольку при сердечных сокращениях пульсируют кровеносные сосуды, количество поглощенных фотонов будет меняться периодически. Анализируя фотоны с помощью фотоприемника, можно измерять пульс человека.

В умных часах и браслетах для этого используют так называемый метод фотоплетизмографии. А если вы вспомните свои походы к врачу, то наверняка сможете рассказать о специальной прищепке на палец – пульсоксиметре. Он дает информацию о нашем пульсе и насыщении крови кислородом и работает на просвет: с одной стороны прищепки находится источник света, а с другой – приемник. Мы получаем нужную информацию, анализируя фотоны, которые многократно рассеиваются (те самые акты изменения направления) и поглощаются. Это один из множества примеров того, как фотоника реально помогает врачу. Причем все это происходит неинвазивно, то есть без прокалывания кожи на пальце, как мы это делаем в случае измерения глюкозы в крови.

Пульсоксиметры уже давно работают в операционных, контролируя пульс и насыщение крови кислородом пациента во время операции. Я бы даже сказал, что сегодня это тренд – мониторинг параметров, оценивающих наше здоровье в непрерывном режиме.

– Наверное, все идет к тому, что рано или поздно в смартфонах будут работать программы, непрерывно отслеживающие наше состояние?

– Думаю, в идеале так и должно быть. Уже сейчас умные часы и браслеты умеют непрерывно собирать информацию о нашем пульсе, насыщении тканей кислородом и не только. Этот тренд в будущем распространится на другие параметры, которые позволяют характеризовать состояние здоровья человека.

– Какие еще приборы, связанные с использованием света, применяются сегодня в медицине?

– Помимо уже сказанного, я бы отметил офтальмологию и применение лазерных технологий. В этой области медицины без фотоники сегодня невозможно провести ни одно исследование или лечение. Несколько десятилетий назад, буквально на наших глазах, благодаря лазерным технологиям в офтальмологии произошла настоящая революция. И сейчас с помощью оптической когерентной томографии мы можем заглянуть внутрь глаза и оценить состояние хрусталика и сетчатки. Лазерные системы помогают проводить операции, например, по удалению и замене хрусталика и не только.

Очень приятно, что в России разрабатывается собственное наукоемкое медицинское оборудование, связанное с теми технологиями, о которых мы говорим. Так, в МГУ под руководством молодого доктора физико-математических наук Е.А. Ширшина совместно с индустриальным партнером ООО «ВПГ Лазеруан» был создан умный лазер, позволяющий врачу при малоинвазивных операциях прицельно облучать камни в почках, превращая их в пыль и предотвращая воздействие лазера на ткань почки. Примечательно, что от рождения идеи до ее воплощения (получения медицинской регистрации на прибор) прошло всего около двух лет.

За последнее время оптика сделала невозможное. Ранее сдерживающим фактором в этой области был так называемый дифракционный предел, не позволяющий получать разрешение меньше половины длины волны. Но благодаря изобретению флуоресцентной микроскопии высокого разрешения этот предел был преодолен, а авторы научных исследований в этой сфере (Эрик Бетциг, Штефан Хелль и Эрик Мернер. – Примеч. ред.) в 2014 г. получили Нобелевскую премию по химии. Благодаря этой технологии у нас появилась возможность исследовать живые клетки с разрешением в десятки нанометров: так, например, мы можем визуализировать в них тубулиновые микротрубочки диаметром 25 нм, играющие роль «клеточной арматуры».

Еще один интересный пример из области фотонных технологий – конфокальный лазерный микроскоп, без которого нельзя представить современную биологическую лабораторию. Сегодня мы можем не просто визуализировать клетки, но и собирать количественную информацию о них. У нас появилась принципиально новая возможность: измерять проницаемость мембраны клетки.

И если раньше микроскопия использовалась скорее как качественный, а не количественный метод, то теперь мы можем выйти за пределы трех измерений: благодаря конфокальной микроскопии к привычным трем размерностям добавилась еще одна – время.

Это значит, что мы исследуем процессы, происходящие во времени. Кроме того, сюда можно добавить еще одну размерность – длину волны. Это стало возможным благодаря тому, что современные конфокальные микроскопы содержат перестраиваемый лазер. Современные методы фотоники предоставляют нам все больше новых интереснейших возможностей. 

– Дифракционный предел, как вы сказали, преодолен. А какие непокоренные вершины остались в биофотонике?

– Есть задача, которую мои коллеги в шутку сравнивают с проблемой создания вечного двигателя (они так и называют ее: perpetuum mobile). Речь идет о неинвазивном измерении уровня глюкозы в крови с необходимой для врачей точностью. Такой инструмент способен помочь очень большому количеству людей, прежде всего страдающим от диабета.

– Такие исследования проводятся?

– Да. Одна из интереснейших работ в этой области была выполнена учеными Мюнхенского технического университета и Мюнхенского центра Гельмгольца, с которыми мы также сотрудничали. Группа исследователей под руководством профессора Василиса Дзиахристоса представила оптоакустическое устройство для измерения концентрации глюкозы в организме. В эксперименте использовались два лазера: один из них позволяет определить, что вы попали туда, куда нужно (то есть в сосуд), а второй отвечает за измерение глюкозы в этом сосуде.

Суть оптоакустического метода в том, что, посылая к объекту импульс света, мы можем заставить его буквально звенеть: испытывая термоупругие деформации, он становится источником ультразвука.

– То есть с помощью света вы генерируете звук и затем анализируете его? В Сколтехе такие оптоакустические эксперименты тоже проводятся?

– Все верно. Представьте фужер из стекла. Когда вы ударяете по нему пальцем, он начинает звенеть. Только в нашем случае вместо пальца используется импульсное лазерное воздействие. Таким образом мы можем заставить звенеть отдельный эритроцит (и не только), при этом температура объекта меняется на очень небольшое значение, порядка сотых одного градуса. Оптоакустический эффект был открыт Александром Беллом в 1880 г., и первые телефоны изначально работали именно на этом принципе. Что касается второго вопроса, то да, в Сколтехе мы тоже проводим такие эксперименты – например, применяем оптоакустический метод для мониторинга технологических процессов.

Так, с помощью оптоакустики мы можем измерить скорость фронта кристаллизации кристаллов льда, которые мы используем, чтобы загнать наночастицы оксидов железа в поры субмикронных частиц. Этот метод называется «индуцированная кристаллизацией адсорбция». Он разработан в нашей лаборатории и используется многими научными группами в России и за рубежом.

На текущий момент вышло более 20 публикаций об исследованиях, в которых этот метод успешно применяется. Среди этих публикаций – статьи в самых высокорейтинговых журналах по данному направлению, например Advanced Materials.

Информация взята с портала «Научная Россия»