Что происходит с фотоном при взаимодействии с человеческим телом? Какие уникальные способности демонстрируют диатомовые водоросли и каким образом свет и звук используются для диагностики заболеваний? Группа ученых под руководством профессора Дмитрия Александровича Горина из Сколтеха проводит исследования, посвященные изучению света и его применению в медицине и биологии. В беседе с корреспондентом «Научной России» химик поделился информацией о современных тенденциях в биофотонике, передовых разработках и ключевых задачах, которые необходимо решить в обозримом будущем.
Справка: Дмитрий Александрович Горин — доктор химических наук, руководитель лаборатории биофотоники Центра фотоники и фотонных технологий Сколковского института науки и технологий, профессор, руководитель гранта РНФ «Использование оптических методов для наблюдения за ростом диатомовых водорослей и оценкой их способности к поглощению углекислого газа» , руководитель проекта конкурсной программы «Клевер» «Фотоактивируемые нанокомпозитные системы для малоинвазивной терапии глиобластомы под контролем магнитно-резонансной томографии».
— В одном из своих выступлений я отмечал, что для изучения космоса доступно значительно больше инструментов, чем для исследования человеческого организма. Что объясняет такую разницу?
— Ранее определенные исторические обстоятельства обусловили наличие данного тренда, однако в настоящее время он трансформируется: люди стремятся к долголетию и качественной жизни. В связи с этим в последние годы уделяется повышенное внимание разработке методов ранней диагностики и более эффективного лечения заболеваний. Эта тенденция характерна для всего мира.
— Значит, интерес к наукам о жизни растет не меньше, чем интерес к исследованию космоса?
— В середине XX века, в период бурного развития космической отрасли, ученым предстояло решить задачи создания ядерного оружия и разработки систем его доставки. Космическая программа, по сути, являлась преобразованием военных разработок. В настоящее время изменились реалии и, соответственно, приоритеты научных исследований. Интерес к исследованию космоса, конечно, сохранился, и сегодня мы наблюдаем множество перспективных программ в этой области. Например, в настоящий момент на МКС российские космонавты проводят исследования микроциркуляции крови и окислительного метаболизма биологических тканей в условиях космического полета с использованием носимых оптических анализаторов, произведенных в России. 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?
— На мой взгляд, эти объекты схожи по уровню сложности. Основная сложность, когда речь идет о человеке, заключается в том, что он формируется из множества различных клеток. Биологи нередко шутят о том, как можно говорить о свободе, если мы являемся совокупностью клеток?
— К счастью, в отличие от растений, наши клетки не имеют жесткой клеточной оболочки…
— Действительно, все мы очень разные. В качестве примера можно привести кожу человека: она имеет слоистое строение, однако точные числовые значения толщины этих слоев нигде не найти, поскольку даже у одного и того же человека эти показатели могут различаться. Вероятно, именно эта сложность человеческого организма делает его таким увлекательным объектом для изучения.
— Различается ли чувствительность различных частей тела к воздействию света?
— Когда фотон проникает в кожу человека, он взаимодействует с клетками и испытывает не менее ста актов рассеяния до момента поглощения, что приводит к изменению его траектории. Уже после десяти таких событий фотон может значительно отклониться от первоначального направления, даже изменив его на противоположное. Благодаря этому рассеянию возможно размещение источника света и приемника с одной стороны. Биологические ткани обеспечивают путь для фотонов от источника к приемнику посредством рассеяния. При этом часть фотонов поглощается эндогенными хромофорами, такими как молекулы гема в гемоглобине. Окси- и дезоксигемоглобин обладают различной способностью к поглощению фотонов с одинаковой энергией, что позволяет оценивать насыщение ткани кислородом.
Для измерения пульса в смарт-часах и фитнес-браслетах применяется технология фотоплетизмографии. Многие из нас, посещая врача, сталкивались с подобным методом, когда на палец накладывается специальное устройство — 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.
— Возможно, в конечном итоге смартфоны получат приложения, которые будут постоянно мониторить наше самочувствие?
— Полагаю, именно так и следует поступить. На текущий момент умные часы и браслеты способны непрерывно фиксировать данные о частоте сердечных сокращений, уровне кислорода в крови и другие показатели. В дальнейшем эта тенденция охватит и другие параметры, позволяющие оценить состояние здоровья.
— Какие еще устройства, использующие свет, применяются в современной медицине?
— Я также хотел бы подчеркнуть важность офтальмологии и использования лазерных технологий. В современной медицине фотоника незаменима для проведения исследований и лечения в этой области. Еще совсем недавно, на протяжении нескольких десятилетий, лазерные технологии совершили настоящую революцию в офтальмологии. В настоящее время оптическая когерентная томография позволяет детально изучить внутреннее строение глаза, оценить состояние хрусталика и сетчатки. Лазерное оборудование используется для проведения различных хирургических вмешательств, включая удаление и замену хрусталика.
Радует, что в России ведется разработка собственных, передовых медицинских приборов, основанных на современных технологиях. Например, в МГУ под руководством молодого доктора физико-математических наук Е.А. Ширшина совместно с ООО «ВПГ Лазеруан» создан интеллектуальный лазер. Он позволяет врачам при проведении малоинвазивных операций точно направлять лазерный луч на камни в почках, разрушая их в пыль и минимизируя воздействие на окружающие ткани. Заметно, что от момента зарождения идеи до получения медицинской регистрации устройства прошло всего около двух лет.
За последнее время оптика совершила значительный прорыв. До недавнего времени дифракционный предел служил ограничением в этой области, препятствуя достижению разрешения, меньшего половины длины волны. Однако благодаря разработке флуоресцентной микроскопии высокого разрешения это ограничение было преодолено, а авторы научных исследований в этой сфере ( Эрик Бетциг, Штефан Хелль и Эрик Мернер. — Примеч. ред.) в 2014 году эту технологию удостоили Нобелевской премией по химии. Она позволила начать изучение живых клеток с разрешением до десятков нанометров, что позволяет, например, визуализировать тубулиновые микротрубочки диаметром 25 нм – структуры, выполняющие функцию «клеточной арматуры».
Конфокальный лазерный микроскоп – еще один яркий пример инноваций в фотонных технологиях, ставший незаменимым инструментом современной биологической лаборатории. В настоящее время он позволяет не только визуализировать клетки, но и получать количественные данные об их характеристиках. Это открывает принципиально новые возможности, в частности, позволяет измерять проницаемость клеточной мембраны.
Мы изучаем процессы, развивающиеся во времени. К тому же, можно включить в рассмотрение дополнительную 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 отметили, был преодолен. Какие же еще вызовы стоят перед биофотоникой?
— Есть задача, которую мои коллеги в шутку сравнивают с созданием вечного двигателя (они так и называют ее: perpetuum mobile). Это касается разработки технологии неинвазивного определения уровня глюкозы в крови, обеспечивающей необходимую врачам точность. Подобный инструмент может оказаться полезным для значительного числа людей, особенно для тех, кто страдает от диабета.
— Такие исследования проводятся?
— В этой области была проведена одна из наиболее значимых работ, в которой приняли участие ученые из Мюнхенского технического университета и Мюнхенского центра Гельмгольца, с которыми мы также сотрудничали. Исследованиями руководил профессор Василис Дзиахристос 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.
— То есть вы генерируете звук с помощью света и впоследствии анализируете его? Проводятся ли в Сколтехе подобные оптоакустические исследования?
— Представьте себе стеклянный фужер. Если ударить по нему пальцем, он издает звон. В нашем случае вместо пальца используется импульс лазерного излучения. Это позволяет вызвать колебания у отдельного эритроцита (и не только), при этом температура объекта изменяется незначительно, всего на сотые градуса Цельсия. Оптоакустический эффект был впервые описан Александром Беллом в 1880 году, и первые телефоны изначально работали на этом принципе. Что касается второго вопроса, то и в Сколтехе мы проводим подобные исследования, например, используем оптоакустический метод для контроля технологических процессов.
В настоящее время опубликовано свыше 20 научных работ, демонстрирующих успешное применение данного метода. В их числе — статьи, размещенные в ведущих специализированных журналах, например Advanced Materials.
— Почему необходимо стремиться к неинвазивным методам при измерении уровня глюкозы в крови, если эта процедура не представляет серьезной опасности.
— Я подтверждаю, что эта процедура безопасна, однако главное преимущество заключается в ее неинвазивности. Она позволит не только проводить анализ в определенные моменты, но и осуществлять непрерывный мониторинг уровня глюкозы. Это особенно важно для пациентов с диабетом. На основе данных такого мониторинга человек сможет корректировать свою физическую активность, прием лекарственных препаратов и другие аспекты образа жизни. В идеале, полученная информация должна автоматически передаваться лечащему врачу. Регулярный сбор таких данных необходим для прогнозирования потенциальных рисков развития осложнений.
Волосяной фолликул может выступать в качестве одного из таких хранилищ. Разработка технологии трансдермальной доставки осуществлялась с использованием этой технологии занимается научная группа под руководством кандидата физико-математических наук Юлии Игоревны Свенской в Саратовском государственном университете.
— Вероятно, именно способность предвидеть последствия даже на начальных этапах работы и отличает ученого от других людей.
— Ученым необходим достаточно широкий горизонт планирования. Существуют тактические и стратегические задачи, и долгосрочное планирование относится ко второй категории. Сегодня ученые редко работают в одиночку: проекты реализуются совместно с командой коллег. В нашем случае это коллектив лаборатории, включающий 30 специалистов – от студентов до профессоров. Эта работа – это длительный марафон, не имеющий завершения в момент ухода из жизни. Мы передаем свои знания следующим поколениям. Вспоминаются слова Л.Н. Толстого: «Часто слышишь, что молодежь говорит: я не хочу жить чужим умом, я сам обдумаю. Зачем же тебе обдумывать обдуманное? Бери готовое и иди дальше. В этом сила человечества». Поэтому важно понимать, чем занимаются ваши коллеги, и сотрудничать с ними.
Один из пионеров биофотоники в России, лауреат премии «Вызов» в номинации «Ученый года» за 2024 год, Валерий Викторович Тучин, профессор Саратовского государственного университета, посвятил свою карьеру изучению биофотоники и является признанным мировым лидером в области, занимающейся исследованием свечения биологических тканей. Мой первый контакт с ним произошел на дне открытых дверей физического факультета СГУ, где его энтузиазм и увлекательное описание научного направления определили мой выбор будущей профессии. Валерий Викторович преподавал мне оптику и принимал экзамены, а впоследствии мы совместно работали над несколькими научными проектами, в результате чего у нас имеется более 30 совместных публикаций. Я извлек из этого бесценный опыт и продолжаю учиться у него с большим удовольствием. На протяжении более чем 20 лет В.В. Тучин и его коллеги организуют международный научный форум в Саратове.
— Сегодня все говорят о биомиметических технологиях. В природе действительно можно найти аналоги оптоакустики, которую мы ранее обсуждали. В качестве примера сразу вспоминаются летучие мыши, способные улавливать шаги насекомых при помощи эхолокации. Однако в этом процессе не используется свет.
— Мне сложно сразу привести конкретные примеры. Возможно, нам еще предстоит узнать больше, и когда-нибудь мы обнаружим этот эффект в природе. Тем не менее, вопрос представляется интересным с точки зрения изучения биологических объектов в целом. Мы работаем не только для врачей, но и для биологов. Одно из направлений наших исследований связано с диатомовыми водорослями — довольно древними одноклеточными организмами, живущими на планете около 130 млн лет. Их скелет, состоящий из оксида кремния (фрустула), обладает упорядоченной и очень красивой структурой. Фрустула диатомовых водорослей пропускает свет, относящийся к определенному спектральному диапазону. При этом интенсивность света меняется в несколько раз в пространстве между фрустулами.
В нашей лаборатории мы используем оптические методы для изучения процессов роста и состояния диатомовых водорослей. Эти организмы, распространенные в прудах, реках, морях и океанах, играют ключевую роль в производстве кислорода, обеспечивая около 20% его глобального объема.
Я ранее отвечал на ваш вопрос о сложности человеческого организма, однако сейчас мы говорим о водоросли, которая, на первый взгляд, кажется простой. Тем не менее, даже о ней у нас пока недостаточно знаний. Наш исследовательский проект, посвященный этим организмам, требует значительного времени, и мы сотрудничаем с коллегами из России и других стран. Я надеюсь, что в будущем наша работа позволит получить новые, интересные и практически значимые результаты.
Интервью было осуществлено при содействии Министерства науки и высшего образования РФ