Несмотря на обилие способов заглянуть вглубь человека, не травмируя его, медицинская диагностика по-прежнему остается пространством догадок и интуиции. Байки о чудовищных диагностических промахах циркулируют с прежней силой. Да что там — снимают целые меддетективы об одержимых, но гениальных докторах, бросающихся на этическую амбразуру ради того, чтобы сложитьразгадать «диагностический пазл». 

Все дело в пресловутой физике — даже самый чувствительный оптический томограф не в состоянии изменить законы оптики. Наталкиваясь на неоднородные волокна и органеллы клеток, излучение рано или поздно рассеивается, затрудняя визуализацию. Но что, если попробовать радикально другой подход — изменить свойства самих живых тканей? Например, сделать их временно и обратимо прозрачными?

В своем тексте рассказываем, как эту идею с нотками уэллсовской фантастики реализовал Валерий Тучин, патриарх мировой биофотоники и «Ученый года» по версии Национальной премии в области будущих технологий «Вызов». 

Читайте другие статьи нашего цикла о лауреатах «Вызова»: тут — новые экспериментальные аккумуляторы от Антипова и Абакумова, тут — Никос Логотетис с его новым подходом к исследованиям мозга, а здесь —  Сергей Таскаев и его компактный ускоритель частиц для лечения рака. 

Фотоны для биолога

Для начала пара слов о биофотонике — активно развивающейся мультидисциплинарной науке (мультидисциплинарность — мировой научный тренд, Логотетис тому пример). Новая история этой науки берет начало в 60-х годах прошлого века, когда Александр Прохоров, Николай Басов и Чарльз Таунс получили Нобелевку за вклад в создание лазеров и мазеров. С тех пор ученые активно исследуют влияние разных типов излучения на биологические ткани, используя методы физики, химии и математики.

Биофотоника изучает взаимодействие света (фотонов) с биологическими объектами — для диагностики и терапии в медицине, а также для фундаментальных научных целей. К биофотонике относятся многочисленные оптические методы исследования живых объектов, в том числе флуоресцентная визуализация, лазерная хирургия и оптическая манипуляция. Поп-пример — оптический пинцет, за который в 2018 году дали Нобелевку Артуру Эшкину.

Когда ученые хотят захватить два конца одной молекулы ДНК и растянуть ее, как нитку, они к концам молекулы прицепляют полистирольные бусинки и используют два именно таких пинцета для манипуляции бусинками и, соответственно, молекулой ДНК.

Метод оптического просветления

Но вернемся к вопросам прозрачности. Еще одно крупное направление биофотоники, идеологом которого является как раз Валерий Тучин, — это иммерсионное оптическое просветление тканей. По сути, это разработка веществ (оптических агентов), временно уменьшающих рассеяние световых волн в тканях, что позволяет заглянуть в живые тела без разрезов, и технология их применения на живых объектах. Это открывает огромные перспективы: от обнаружения глубоко залегающих опухолей до исследований мозга.

Принцип, разработанный Тучиным, базируется на относительно простом приеме — выравнивании коэффициента преломления света для разных клеточных структур. Возьмем любимый пример самого Тучина — лист бумаги, сквозь который вы пытаетесь рассмотреть знак на другом таком же листе. Если пропитать первый лист маслом, он станет полупрозрачным, и можно будет увидеть знак на втором листе. Это происходит потому, что масло, проникая между волокнами и клетками, заменяет собой воздух, который имеет низкий показатель преломления (≈1,0), на среду с показателем, более близким к клеточным структурам (≈1,4). В результате свет меньше рассеивается, и лист становится прозрачнее.

Все структуры живого тела, кроме роговицы глаза, тоже рассеивают свет. В этом случае убрать неоднородность помогает совместимый и нетоксичный жидкий агент с показателем преломления выше, чем у воды, заполняющей ткани. Показатель преломления воды — самый низкий из всех структур ткани и составляет примерно 1,33, то есть свет замедляется в ней в 1,33 раза. А рассеивают свет в основном белковые и липидные структуры, органеллы и мембраны, показатель преломления которых — 1,39−1,47. Если пропитать ткани агентом со схожим показателем преломления (например, на базе глицерина или пропиленгликоля), то показатель преломления получившегося раствора приблизится к показателям рассеивателей. Результат тот же — ткань станет более прозрачной и позволит более детально разглядеть, что происходит в организме. В том числе — в высоком разрешении и с минимальной инвазивностью воссоздать 3D-микроструктуры таких труднодоступных тканей, как, скажем, головной мозг. 

Прозрачный мозг и другая жизнь

Первым (правда, постмортальным) экспериментом с использованием метода Тучина стала визуализация мозга крысы: его сделали настолько прозрачным, что можно было рассмотреть сквозь мозг клеточки на бумажном листе. Для того чтобы дойти до внутренних органов, включая мозг, необходимо сделать прозрачной кожу.

Затем ученики Тучина — Кирилл и Ирина Ларины из Университета Хьюстона — применили методику профессора для наблюдения за развитием эмбрионов крыс в реальном времени. Работа стала первым в мире примером живой динамической визуализации. Ученые использовали оптическую когерентную томографию с допплеровским эффектом для анализа формирования сердечно-сосудистой системы — кровотока, дифференциации клеток. В перспективе это может помочь выявлять на ранней стадии аномалии сердца и сосудов, пороки или задержки развития.

Исследования команды Тучина и лаборатории А. П. Савицкого ФИЦ Биотехнологии РАН помогли достичь более высокой — в 3–5 раз — яркости флуоресцентного сигнала раковых клеток, чем без просветления. Это одно из самых простых и ярких применений технологии. Эти исследования обозначили перспективу мультимодальной диагностики при использовании МРТ контрастных веществ в качестве оптических просветляющих агентов. 

В тандеме с Владимиром Жаровым из Арканзасского института исследований рака Тучин разработал «проточную цитометрию in vivo» — метод, который позволяет находить, а затем уничтожать раковые клетки прямо в кровеносных сосудах пациента. Во время исследования на теле пациента устанавливают оптоакустический датчик с лазером, который дает пучок света в виде линии, перекрывая сосуд. Клетки меланомы, хорошо поглощающие лазерное излучение, проходя через этот световой «шлагбаум», быстро нагреваются и испускают звуковой сигнал (как на разогретой сковородке), тем самым обнаруживая себя. На пути следования этой клетки, буквально сразу за световым «шлагбаумом», включается другой, более мощный лазер, который ее уничтожает.

Наработки Тучина в области измерения скорости диффузии агентов в различных тканях привели к созданию относительно простой технологии и дали ценный материал для других экспериментов. Недавно Neurotherapeutics опубликовала статью, в которой авторы, используя данные команды Тучина, рассчитали протокол подкармливания глюкозой пересаженных нейронов в мозге живой мыши. А вместе с коллегами из Хуачжунского университета науки и технологий (Ухань) Тучин и его сотрудники выяснили, что решение можно использовать для оценки уровня гликированности биологических тканей. Так, поведение агента в коже или слизистой оболочке рта покажет, как далеко зашли диабетические изменения в сердце и мозге. Также метод полезен для диагностики рака — он помогает быстро исследовать материал биопсии и точно определять границы опухолей. 

Футуристическое

Где еще могли бы быть полезны наработки Тучина? Вот несколько интересных примеров.

Трансплантология. Большинство агентов для просветления являются криогенными жидкостями, в которых хранят трансплантируемые органы. Органы содержатся в них долго, что делает их оптически прозрачными. А это теоретически позволяет детально отслеживать их состояние.

Использование свечения Вавилова — Черенкова. Пациенту вводят радиоактивную метку, накапливающуюся в опухоли. Эта метка испускает высокоэнергетические частицы, которые выбивают из окружающих атомов электроны, летящие в ткани со скоростью, превышающей скорость света, и испускающие черенковское свечение. Оно возбуждает молекулы-маркеры и заставляет их люминесцировать — то есть излучать свет, указывающий на местоположение опухоли. Просветление помогло бы значительно усилить сигнал.

Квантовая биофотоника, использующая запутанные фотоны (связанные между собой парные частицы) для изучения живых тканей. Использование здесь методов просветления помогло бы восстанавливать изображения даже при высоком рассеянии света.

Нанобиосенсоры — применение наночастиц и нанокомпозитов, селективно помечающих опухолевые клетки при лазерной терапии. Просветление тканей помогает усилить сигнал от сенсоров.

Интерес к работам Тучина и его учеников продолжает расти — как со стороны исследовательских центров, так и со стороны бизнеса. Команда ученого сотрудничала с берлинской клиникой Шарите и университетом Оулу в Финляндии, внедрила метод в США, Ирландии, Китае и Великобритании. Сейчас методики Валерия Тучина осваивают Португалия, Франция, Германия, Китай, Венгрия, Ирак и Иран. 

О герое этого текста

Валерий Тучин — один из ведущих мировых специалистов в области биофотоники, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией лазерной диагностики технических и живых систем ИПТМУ ФИЦ «Саратовский научный центр РАН», заведующий кафедрой оптики и биофотоники СГУ, заведующий лабораторией биофотоники ТГУ, член-корреспондент РАН. 

В 2007 году ученый был удостоен Международной премии в области образования по биомедицинской оптике, в 2014 году — премии Chime Bell Prize of Hubei Province, в 2016 году — премии Джозефа У. Гудмана, а в 2019 году — премии Майкла С. Фельда за новаторские исследования по биофотонике.

Книга Тучина «Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnostics» стала научным бестселлером.