LAUREATE IN SCIENTIST OF THE YEAR CATEGORY

Биофотоникой называют научно-практическую дисциплину, которая занимается взаимодействием электромагнитного излучения — от ультрафиолета до миллиметровых радиоволн — с биологическими объектами: клетками, тканями и органами. В нее входит огромный набор методов и технологий применения света для диагностики и лечения — от микроскопии до лазерной хирургии.

Доктор физико-математических наук Валерий Тучин много лет работает в самых разных областях биофотоники: биомедицинской оптике, спектроскопии, визуализации и в сфере оптических измерений в медицине и фототерапии. Он, в частности, исследовал взаимодействие оптического и терагерцового излучения с биологическими объектами и разработал когерентно-оптические и спектральные методы диагностики заболеваний и лазерной терапии.

Для изучения структуры, функций, этапов развития и патологических изменений биологических тканей крайне желательно изучать не микроскопические образцы, а получать изображения ткани, органа или даже организма целиком. Однако возможности ультразвука, рентгена или МРТ ограничены, они не позволяют видеть многие мелкие детали, чьи размеры меньше миллиметра. Световой микроскоп позволяет их различать, но он не может заглянуть в глубину непрозрачных тканей. Ученые предложили выход — сделать ткани прозрачными.

Валерий Тучин и его коллеги разработали группу методов оптического просветления тканей. Биологические ткани непрозрачны из-за того, что свет в них преломляется и рассеивается, «наталкиваясь» на микроструктуры, преломляющие свет по-другому — не так, как вода, из которой по большей части состоит ткань.

Идея Тучина состояла в том, чтобы заместить воду в образце ткани на растворы, которые преломляют свет так же, как и эти микроструктуры. Таким образом, проходя границу между раствором и микроструктурой, свет не будет отклоняться и рассеиваться. И это сделает ткань или даже целый орган прозрачным. При правильном подборе просветляющего раствора глубину визуализации можно повысить в десятки и сотни раз, позволяя, например, визуализировать целый мозг крысы или развитие плода экспериментальных животных.

Еще одна область интересов лауреата — ранняя диагностика новообразований кожи. Если у пациента множество родинок или других кожных образований, даже опытный специалист не всегда может заметить признаки перерождения, а брать биопсию в десятке точек сразу невозможно. Тучин с коллегами выяснили, что оптическая когерентная томография в терагерцовом диапазоне с разными длинами волн позволяет уловить различия между здоровой и опухолевой тканью, причем это работает для разных степеней злокачественности. Если задействовать в обработке полученных изображений алгоритмы машинного обучения, можно дополнительно повысить точность диагностики.

Еще один пример — выявление злокачественных клеток прямо в крови. Тучин с соавторами предложили проводить его потоковой цитометрией оптоакустическим методом. Для этого на крупный кровеносный сосуд направляют лазерный источник излучения, безвредный для нормальных тканей. Лазерные импульсы взаимодействуют с пигментом, которого много в раковых клетках, заставляя молекулы пигмента колебаться с определенной частотой. Это колебание рождает ультразвуковые волны, которые можно детектировать, прикладывая к коже чувствительный микрофон.

Эти примеры — лишь малая часть работ Тучина и его сотрудников. Она включает также лазерную спекл-визуализацию микроциркуляции крови и лимфы, лазерную оптопорацию для доставки молекулярных конструктов в клетки, биосенсорику и бионаноплазмонику, изучение диффузии молекул и наночастиц в тканях.

Группа Тучина строит теорию распространения поляризованного света в биологических тканях с учетом подобной кристаллам упаковки волоконных и сферических белковых структур, разрабатывает методы решения обратных задач рассеяния, создает автоматизированные поляризационные измерители и микроскопы. Есть наработки и в области лечения, такие как фотодинамическая и фототермальная терапия опухолей с помощью золотых наночастиц и фотобиомодуляция лимфооттока в мозговых оболочках.

Свет в живом

Премия «Вызов» в номинации «Ученый года» присуждена Валерию Тучину из Саратовского национального исследовательского университета за выдающийся вклад в области наук о жизни, а также в новую междисциплинарную область знаний и технологий — биофотонику .

Биофотоника — новая наука, которая изучает, как электромагнитные волны (от ультрафиолета до радиоволн) взаимодействуют с живыми клетками и тканями. Она позволяет делать фундаментальные открытия и разрабатывать прикладные технологии. В биофотонике создают методы, использующие свет для диагностики и лечения заболеваний, например, с помощью микроскопии и лазерной хирургии. Сейчас ученые ищут способы отличать больные клетки от здоровых, что может повысить эффективность онкодиагностики и спасти жизни.

История биофотоники началась во второй половине XX века. В 1970–1980-х годах появились ключевые работы по оптике, оптоэлектронике и лазерной технике. Нобелевскую премию по физике за вклад в создание лазеров и мазеров в 1964 году вручили Чарльзу Таунсу, Николаю Басову и Александру Прохорову. К концу века ученые начали изучать взаимодействие лазеров с биологическими объектами, что дало импульс лазерной биомедицине. Появились исследования по новым подходам к оптической визуализации тканей, воздействию света на ткани для хирургии, фотодинамической и фототермической терапии, оптогенетике. С тех пор интерес к этой дисциплине только растет.

Ученые уже добились больших успехов в применении звуковых, электромагнитных и световых волн для медицинских целей. Эти технологии используют для визуализации, диагностики и терапии. Например, ультразвук активно применяют для мониторинга здоровья, а оптическую когерентную томографию — для детальных снимков тканей. Однако все еще важно улучшать разрешение изображений, делать процедуры менее инвазивными и разрабатывать новые методы для лучшего понимания клеточных процессов.

Валерий Тучин — один из основоположников и ключевых исследователей в биофотонике. Его книга ”Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnostics” является научным бестселлером и настольной книгой во многих лабораториях, занимающихся оптикой биотканей и биофотоникой. У Тучина богатый опыт в биомедицинской оптике, спектроскопии и визуализации, а также в оптических измерениях и фототерапии в медицине. Рассмотрим подробнее достижения, которые привели его к получению премии «Вызов».

Что может излучение?

Биофотоника фокусируется на ультрафиолетовых, видимых, инфракрасных и терагерцовых волнах с длинами от ста нанометров до трех миллиметров. В последнее время особенно интересны инфракрасный и терагерцовый диапазоны, поскольку они эффективно взаимодействуют с биологическими тканями, что помогает в диагностике и терапии. Принято считать, что первые имеют длины от 700 нанометров до 30 микрометров, а вторые — от 30 микрометров до 3 миллиметров, хотя граница между этими диапазонами весьма условна.

Оптическое просветление тканей

Существующие методы, такие как ультразвук, рентген и МРТ, ограничены в разрешении и не могут показать детали меньше миллиметра. В этом контексте видимое и инфракрасное излучение может быть полезным, так как оно может обеспечить большее разрешение (из-за меньшей длины волны), хоть и обладает весьма ограниченной глубиной проникновения в ткани по сравнению с отмеченными методами. Различные эффекты взаимодействия излучения с тканями позволяют неинвазивно мониторить состояние последних. Тем не менее для детального изучения строения тканей необходимо преодолеть сложности, связанные с ограниченной глубиной проникновения света в ткани. Тучин решил эту проблему, предложив способ сделать ткани прозрачными.

По мере увеличения глубины свет ослабляется в тканях из-за эффектов поглощения и рассеяния. Эти два эффекта — поглощение и рассеяние — действуют аддитивно, ограничивая глубину зондирования тканей светом. Пигменты в тканях поглощают часть излучения, снижая его интенсивность на глубине 1–2 миллиметра. Например, на такую глубину проникают в кожу ультрафиолетовые лучи (UVB, 280–320 нанометров), тогда как UVA-лучи (320–400 нанометров) углубляются на 3–4 миллиметра. Видимый свет проникает еще глубже, но его интенсивность значительно меньше на уровне дермы (глубже 1–2 миллиметров). Инфракрасное излучение может проникать от сотен микрометров до 5–10 миллиметров в зависимости от длины волны.

Рассеяние света происходит из-за неоднородности тканей: клеточные структуры, органеллы и микрофибриллы изменяют направление распространения волн случайным образом, что приводит к потере информации о структуре ткани. К примеру, каждый слой кожи — эпидермис, дерма, подкожная клетчатка — по-разному поглощает и рассеивает световые лучи. Эффективность рассеяния зависит от размеров рассеивателя (например, клетки) по сравнению с длиной волны света и разницы в показателях преломления между рассеивателем и окружающей средой.

Иммерсионное оптическое просветление тканей — метод повышения глубины зондирования тканей светом, разработанный профессором Тучиным. Этот метод повышает глубину проникновения света в ткани и улучшает качество изображений, заменяя часть тканевой жидкости (в основном — воды) на специальный агент для иммерсионного оптического просветления, в качестве которого зачастую выступает глицерин, поскольку он безопасен для тканей. За счет процессов диффузии этот агент проникает в ткань, вытесняя воду и позволяя управлять диэлектрическим контрастом между рассеивателями (структурными элементами тканей) и матрицей ткани, в которой эти элементы находятся.

Когда свет проходит через границу между двумя материалами с различными диэлектрическими свойствами, одна его часть отражается, а другая преломляется и проходит сквозь границу. Коэффициенты отражения и пропускания зависят от разницы в диэлектрических проницаемостях этих материалов. Чем больше диэлектрический контраст, тем сильнее будет отражение. Замена жидкостей на глицерин снижает этот контраст, создавая более однородную среду. В результате достигается оптическое просветление и повышается качество визуализации тканей.

Но даже с агентом достигнуть полной прозрачности невозможно. Рассеиватели в клетке разнообразны. Полностью скомпенсировать влияние всех рассеивателей невозможно. Поэтому эффект оптического просветления всегда конечен и глубина зондирования тканей до некоторой степени ограничена.

Однако недавние исследования показывают, что иммерсионное оптическое просветление действительно может улучшить визуализацию тканей. Так, исследователям удалось сделать мозг крысы размером около двух сантиметров полностью прозрачным. Это позволило им увидеть рисунок на клетчатой тетрадке, расположенной под мозгом.

В 2021 году ученики Тучина Кирилл и Ирина Ларины из Университета Хьюстона и Медицинской школы Бэйлора создали технологию, которая позволяет в реальном времени визуализировать развитие эмбрионов у беременных крыс. Исследование стало первым примером живой динамической визуализации. Ранее это было невозможно из-за больших размеров животных и ограничений традиционных методов. Однако иммерсионное оптическое просветление вместе с оптической когерентной томографией (ОКТ) позволили наблюдать этапы формирования эмбриона (с 10,5 до 11,5 дня после имплантации) прямо в теле живой крысы с частотой 50 герц.

Оптическая когерентная томография — это неинвазивный метод, который использует лазерный свет для создания высококачественных изображений внутренних тканей. Он работает на основе интерференции отраженного света, что позволяет получать детализированные 2D- и 3D-изображения. ОКТ широко применяется в офтальмологии и других медицинских областях для диагностики заболеваний.

Методика Doppler swept-source optical coherence tomography, которую применили ученые, использует интерференцию света для создания детальных 3D-изображений и измерения скорости кровотока.

Исследователи создали 3D-модели эмбрионов и с помощью динамического изображения понаблюдали за работой их сердца и сосудов. В режиме Доплера они измерили кровоток, что дало ценные данные о развитии эмбрионов на клеточном уровне. Это позволило визуализировать формирование сердечно-сосудистой системы и анализировать клеточные процессы, такие как дифференцировка и взаимодействие клеток. Эти методы помогают выявлять аномалии в кровообращении, что может указывать на потенциальные проблемы в развитии и открывает новые горизонты для диагностики и лечения врожденных дефектов.

Оптическое просветление с глицерином позволило Тучину развить еще одно перспективное направление. Вместе с исследователями из Китая профессор разработал неинвазивный метод анализа глюкозы в крови. В данном случае скорость диффузии агента для иммерсионного оптического просветления в ткани, измеряемая оптическими методами, выступает в качестве информативного признака для оценки состояния тканей. Эта работа открыла новые возможности в диагностике диабета.

Диагностика новообразований кожи

В диагностике кожных новообразований есть несколько ключевых проблем. Одна из главных — вовремя распознать болезнь, ведь многие кожные новообразования, включая меланому, важно выявить на ранних стадиях. Именно ранняя диагностика определяет дальнейшую тактику и эффективность лечения.

Дифференциальная диагностика тоже вызывает сложности: кожных заболеваний очень много, и порой трудно отличить злокачественные образования от доброкачественных. Вдобавок традиционные методы диагностики часто инвазивные и вызывают дискомфорт у пациентов. Среди них — визуальный осмотр дерматолога, дерматоскопия для выявления признаков злокачественности по увеличенному изображению кожи, а также биопсия для гистологического анализа. Наконец, иммуноцитохимия — чтобы исследовать образцы тканей на молекулярном уровне.

Когда у пациента много родинок или других кожных образований, даже опытному врачу трудно заметить их перерождение. А биопсия сразу в нескольких местах — задача не из легких. Профессор Тучин с коллегами обнаружил, что у здоровой и опухолевой тканей разные оптические свойства. Например, можно дифференцировать ткани с применением методов спектроскопии и визуализации в терагерцовом диапазоне.

Это работает не только с новообразованиями кожи. Сочетая методы различных спектральных диапазонов, скажем терагерцовую спектроскопию и ОКТ-системы, можно проводить эффективную интраоперационную (во время операции) диагностику глиом головного мозга человека различной степени злокачественности. Интраоперационное детектирование границ опухоли важно для обеспечения ее полной резекции с максимальным сохранением прилегающих интактных тканей. Полная резекция опухоли — важнейший фактор, определяющий эффективность лечения, продолжительность и качество жизни пациента.

Выявление злокачественных клеток в крови

Для выявления злокачественных клеток крови применяют несколько методик. Общий анализ крови позволяет выявить аномалии в количестве и типах клеток. Микроскопия дает возможность визуально определить аномалии в образцах. Иммунологические методы используют для выявления специфических маркеров на поверхности клеток. Молекулярные методы, такие как ПЦР и секвенирование, позволяют найти генетические мутации.

Тучин вместе с Владимиром Жаровым из Арканзасского института исследований рака разработал еще один уникальный метод, который называется « in vivo проточная цитометрия». Во время операции на пациента устанавливают оптоакустический датчик. Лазер в устройстве светит в крупный кровеносный сосуд. Клетки меланомы, хорошо поглощающие лазерное излучение, проходят через этот луч. Как только клетка оказывается в пучке, она нагревается и разрушается, испуская локальный звуковой сигнал. Микрофон фиксирует этот сигнал, и врачи получают информацию о наличии раковых клеток в крови пациента в реальном времени. Метод помогает рано диагностировать и следить за развитием и метастазированием опухоли. Кроме того, уничтожение раковых клеток лазером во время операции помогает улучшить исход вмешательства и снизить риск распространения рака. Этот подход лег в основу вспомогательной терапии меланомы.

Вклад Валерия Тучина в область биофотоники и оптики проявляется не только в его собственных исследованиях, но и в большом числе последователей и коллег по всему миру, которые создают научные группы, чтобы развивать методологию профессора. Его ученики занимают руководящие позиции в институтах и лабораториях как в России, так и за рубежом, а также составляют значительную часть участников международных конференций по биофотонике, продолжая улучшать подходы к управлению свойствами биотканей. Метод иммерсионного оптического просветления тканей, разработанный Тучиным, стал основой целого направления исследований в большом количестве стран, включая Китай, Европу и США, приумножив достижения экспериментальной онкологии.

Светлана Бозрова