В клиниках и диагностических центрах то и дело появляются новые приборы, которые могут быстро и точно определить характер болезни, что ее вызвало и как она протекает. Все бы хорошо, но у пациентов новинка не всегда вызывает доверие. Закрадывается сомнение (порой оправданное) в безвредности того, что обеспечивает чудодейственность аппарата, — различного рода лучей, волн. Ученые лаборатории биофотоники Института прикладной физики (ИПФ) РАН (Нижний Новгород) гарантируют: диагностическим установкам, которые они разрабатывают, можно будет довериться полностью. В их основе лежит один из самых безопасных и перспективных методов обследования — оптический. О его уникальных возможностях и достоинствах, о достижениях в развитии нового направления нашему корреспонденту рассказывает руководитель научного коллектива кандидат физико-математических наук Илья ТУРЧИН.
— Наша исследовательская группа разрабатывает такие методы оптических исследований внутренней структуры биологических тканей, как флуоресцентная и акусто-оптическая визуализация, а также оптическая диффузионная спектроскопия, — объясняет Илья Викторович. — Эти методы могут применяться для решения многих биомедицинских задач и при рациональном использовании обладают массой достоинств. Главное — они неинвазивны, то есть не оказывают повреждающего действия на живые ткани. Немаловажно и то, что благодаря им можно достичь высокого контраста изучаемой структуры тканей. Есть возможность создать и дополнительный контраст с помощью флуоресцентных, биолюминесцентных или селективно поглощающих оптическое излучение меток. Именно такая особенность позволяет видеть небольшие новообразования и даже проводить их дифференциацию, определять компонентный состав биотканей, что недоступно стандартным методам диагностики — компьютерной и магнитно-резонансной томографии, УЗИ.
Но оптическая диагностика пока не слишком широко распространена в биомедицине. Связано это, прежде всего, с тем, что при распространении в биотканях световой пучок сильно размывается. Свет способен проникать в ткани достаточно глубоко, на 8-10 сантиметров, но в отличие от традиционных методов визуализации его использование не позволяет достичь на таких глубинах приемлемого пространственного разрешения — способности прибора различать объекты, расположенные на минимальном расстоянии один от другого. Попытки найти выход осложняются тем, что законы распространения света в биотканях очень непросты. А для того чтобы решать важную для исследований обратную томографическую задачу (восстанавливать структуру внутренних тканей по проведенным измерениям), необходимо иметь довольно точные методы расчета светового поля внутри объекта. Поэтому чаще всего ограничиваются либо поверхностной, либо просветной проекционной визуализацией.
— По какому пути пошли вы?
— В разработанном нами приборе, оптическом маммографе (на основе оптической диффузионной спектроскопии), для диагностики заболеваний молочной железы используется проекционный метод. Как в рентгене, молочная железа просвечивается насквозь оптическим лазерным излучением на нескольких длинах волн. По полученным данным можно восстановить концентрации тканевых компонентов, наиболее сильно поглощающих оптическое излучение, — окси- и дезоксигемоглобина, воды, жира, которые особенно важны для планирования лечения онкологических заболеваний. Концентрация и количественное соотношение этих компонентов в опухоли — значимые диагностические критерии: по изменению их содержания в процессе лечения можно определять эффективность проводимой терапии. В данной области мы сотрудничаем с Нижегородским областным онкологическим диспансером. Сейчас в мире этому направлению уделяется большое внимание. Существуют несколько исследовательских групп, занимающихся развитием перспективного метода. Создаются и проходят испытания в клинических условиях ручные сканеры (этим занимается, например, группа Брюса Тромберга из Университета Калифорнии) и оптические маммографы, позволяющие визуализировать молочную железу целиком.
— Насколько широко используются в медицине такие приборы?
— Как ни парадоксально, но, несмотря на то что метод развивается уже около 20 лет, до сих пор нет коммерческих установок, которые широко использовались бы в клинической практике. Этому препятствуют плохо развитая элементная база, а также отсутствие результатов мультицентровых исследований, которые, в свою очередь, возможны лишь с появлением мелкой серии приборов. Хочется надеяться, что, когда появятся первые коммерчески доступные маммографы или сканеры, перспективное направление начнет развиваться гораздо быстрее, так как производители будут вкладывать определенные суммы денег в новые разработки.
Произойдет это, думаю, довольно скоро, но, боюсь, не в нашей стране, так как в России размеры государственных инвестиций в такое направление оставляют желать лучшего. Не спешат вкладывать финансы в серьезные, но высокорисковые проекты и отечественные инвесторы.
— Несмотря на это, вы, как я понимаю, не сидите сложа руки?
— Нет, конечно. Сейчас мы заняты разработкой систем флуоресцентной визуализации. Такого рода системы особенно востребованы в экспериментальной онкологии. С помощью флуоресцентных белков, гены которых встраиваются в опухолевые клетки, можно изучать рост, метастазирование и регресс опухоли на лабораторных животных in vivo. Поэтому животных, необходимых для изучения действия противоопухолевого препарата, требуется гораздо меньше, чем в стандартных методах исследования. Контраст опухоли, содержащей флуоресцентные белки, очень высок, благодаря чему в живом организме можно увидеть не только флуоресцирующую опухоль, но и метастазы. Если такая опухоль находится на поверхности тела животного, то оценить ее размеры можно относительно легко — наблюдая флуоресценцию в отраженном свете. Но для глубоко расположенных новообразований, а также для получения полной трехмерной информации о флуоресцирующем объекте требуются специальные томографические методики.
Решить задачу, которая носит название “диффузионная флуоресцентная томография”, очень сложно из-за сильного рассеяния света тканями. Технологии восстановления, используемые в рентгеновской томографии, для таких задач не подходят. Но наши математики разработали специализированный алгоритм, по своим характеристикам превосходящий все другие, применяемые в этих случаях. Кроме того, мы создали метод, который позволяет определить флуоресцентный источник по регистрируемому спектру: при распространении в слоях биоткани исходный спектр флуоресценции меняется вследствие того, что биоткани по-разному поглощают свет на разных длинах волн.
Мы разработали серию приборов для флуоресцентного и биолюминесцентного имиджинга лабораторных животных, которые успешно применяются коллективами ученых под руководством профессора А.Савицкого (Институт биохимии им. А.Н.Баха РАН), Е.Загайновой совместно с академиком С.Лукьяновым (Нижегородская государственная медицинская академия, Институт биомедицинских технологий), И.Балалаевой совместно с членом-корреспондентом РАН С.Деевым (Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского), Е.Высоцкого (Институт биофизики СО РАН). С помощью этих приборов проводили мониторинг роста опухоли (меченной флуоресцентными белками), доклинические исследования фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии и флуоресцентной диагностики, исследовали новые флуоресцентные агенты (красители, квантовые точки).
Стоит отметить, что в подавляющем большинстве исследования ограничиваются поверхностной флуоресцентной визуализаций, так как трехмерная реконструкция еще далека от совершенства. В этом случае требуется, чтобы сигнал многократно превышал шум, время сканирования может быть длительным и составлять около часа, что неудобно для исследователей.
Сильного рассеяния света, не позволяющего достичь приемлемого пространственного разрешения на больших глубинах, можно избежать, если сочетать оптические методы с другими. Например, с оптико-акустическим, при котором биоткань облучается коротким, составляющим несколько наносекунд, световым импульсом с высокой энергией. При поглощении этого импульса тканями излучается звуковая волна, которая улавливается ультразвуковым датчиком на поверхности объекта. Получается, что можно формировать изображения внутренней структуры тканей с высоким контрастом, характерным для оптических методов, и высоким пространственным разрешением, характерным для методов УЗИ. В последние несколько лет этому методу уделяется очень большое внимание. Об этом свидетельствует рост публикаций и количество докладов на престижных научных конференциях. Некоторым исследовательским группам (Университет Вашингтона в Сент-Луисе, Институт биомедицинской оптики в Мюнхене) удалось получить качественные изображения в режиме реального времени (несколько кадров в секунду). Кроме того, появились первые коммерческие приборы (Visual Sonics, Канада), которые пока еще применяются только для исследований на животных и сильно уступают по своим характеристикам приборам, создаваемым в научных лабораториях. Наша исследовательская группа работает над созданием устройства, которое может применяться в клиниках, в частности, для диагностики меланомных опухолей. Однако для его реализации потребуется немало вложений.
На данный момент на собранном нами экспериментальном стенде получены первые трехмерные оптико-акустические изображения экспериментальных опухолей с помощью одного сфокусированного ультразвукового датчика. При анализе таких изображений наш сотрудник Павел Субочев обнаружил, что за оптико-акустическим сигналом следует ультразвуковой. Оказалось, что отраженный от объекта свет попадает в датчик и нагревает его, вследствие чего тот испускает ультразвуковую волну, которая зондирует исследуемый объект и может использоваться для одновременного получения ультразвукового изображения той же исследуемой области. То есть оптическое излучение может давать не только оптико-акустические, но и ультразвуковые изображения тканей.
Несмотря на привлекательность оптики для биомедицинских задач, остается множество проблем, которые могут быть решены только при совместных усилиях физиков, инженеров, врачей и биологов. И мы движемся в этом направлении.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено И.Турчиным
Нет комментариев