Оптическая диагностика — новое направление в медицине
В настоящее время существует множество методов медицинской диагностики, и среди них очень важными являются методы интроскопии — визуализации внутренней структуры тканей. Классическими методами интроскопии являются УЗИ, рентгеновская (или компьютерная) томография и МРТ. Каждый из этих методов основан на определенном физическом принципе построения изображения и широко применяется для выявления тех или иных болезней. — Наряду с этими методами активно развиваются оптические методы визуализации биотканей, преимущество которых заключается в высоком молекулярном контрасте, то есть чувствительности к тем или иным химическим компонентам, компактности и неинвазивности, — рассказывает Илья Турчин. — Слово «оптические» говорит о том, что в них в качестве зондирующего излучения применяется свет видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длины волн. Именно в этом диапазоне поглощение света в ткани не так велико, как, например, в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, и, значит, свет может проникать в ткань на значительную глубину. Чтобы разобраться, на каких принципах работают оптические методы интроскопии, нужно понимать, как свет взаимодействует с биотканями. Существуют три основных вида неинвазивного взаимодействия (классификация не совсем корректна, но достаточно наглядна): 1) рассеяние света — отклонение направления распространения фотона из-за микронеоднородностей показателя преломления тканей. В основном рассеяние происходит на различных клеточных структурах — ядрах, митохондриях и клеточных мембранах; 2) поглощение света, вследствие которого выделяется тепло; 3) флуо- ресценция — тоже поглощение кванта света, вследствие которого переизлучается квант света другой длины вол- ны. Каждое из этих явлений может использоваться для построения внутренней структуры тканей. Например, современные методы микроскопии широко используют флуоресценцию при однофотонном и многофотонном поглощении света. Флуоресценция позволяет иссле- довать клеточную структуру с рекордным контрастом, сравнимым лишь с контрастом позитронно-эмиссион- ной томографии. При этом разные части клетки могут быть окрашены флуорофорами с различными спек- тральными характеристиками, что позволяет одновре- менно исследовать эти структуры в реальном времени. Пространственное разрешение флуоресцентной микро- скопии очень велико и составляет около 0,5 микрона. — Долгие годы это значение считалось непреодоли- мым вследствие его фундаментальности — дифракци- онного предела: нельзя сфокусировать оптический луч в пятно размером меньше половины длины волны,— поясняет Илья Турчин. — Однако в последние годы был разработан ряд так называемых методов наноскопии (или методов сверхразрешения), позволяющих визуали- зировать биообъекты с разрешением в несколько нанометров. За разработку этих методов (STORM, STED, PALM) в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по химии. К сожалению, методы наноскопии пока далеки от клинической диагностики и используются только в биологических исследованиях. Зато методы многофотонной микроскопии уже начинают внедряться в клинике. Немецкой компании JenLab удалось создать компактную систему, в которой располагаются и фемтосекундный лазер, и система сканирования лазерным лучом. Первые клинические исследования показали, что такая система способна диагностировать кожные заболевания, в т.ч. онкологические, на ранней стадии, можно также ис- пользовать ее для тканевой инженерии и тестирования новых косметических препаратов. Таких приборов в РосМикроскопия сверхразрешения. Деление клетки Илья Турчин, заведующий отделом радиофизических методов в медицине, заведующий лабораторией биофотоники ИПФ РАН, к. ф.–м. н. МЕДИЦИНА «Поиск-НН» № 2 (212), 2018 29 сии всего два, и один из них находится в Нижегородской медакадемии. Другое направление развития оптической интроско- пии — оптическая когерентная томография (ОКТ), осно- ванная на низкокогерентной интерферометрии и позво- ляющая получать изображения тканей с разрешением в единицы микронов на глубину до 1–2 мм. Принцип дей- ствия ОКТ близок к УЗИ, только зондирование происхо- дит оптическим пучком подсветки, а не ультразвуковой волной, с последующей регистрацией обратно рассе- янного микронеоднородностями тканей света. Каждый слой ткани по-разному рассеивает оптическое излуче- ние, что позволяет определять их на ОКТ-изображении. Классическим применением ОКТ стало исследование внутренней структуры сетчатки глаза. — С момента изобретения данного метода (примерно 1991 год) до момента коммерциализации первого ОКТ-прибора для офтальмологии прошло рекордно малое время, около 7 лет, — говорит И. В. Турчин. — Однако другие применения ОКТ –исследование слизистых оболочек различных органов и интраваскулярное исследование — не так быстро коммерциализируются. Здесь нужно отметить и достижения нижегородских ученых, впервые в мире разработавших ОКТ-зонд для эндоскопического применения, за что, в частности, им в 1999 году была присуждена Государственная премия. Еще один метод оптической медицинской диагностики — оптическая диффузионная спектроскопия (ОДС), которая в отличие от микроскопии и ОКТ работает на гораздо больших глубинах — до нескольких сантиметров. Слово «диффузионный» означает, что регистрируются многократно рассеянные, диффузные, фотоны (в микроскопии и ОКТ регистрируются так называемые баллистические и снейковские фотоны). Классическим прибором, использующим принцип ОДС, является пульсоксиметр: компактное устройство надевается на палец и позволяет измерять пульс и степень оксигенации крови. — Принцип действия данного метода заключается в особенностях спектров поглощения окси-и дезоксигемоглобина. Используя светодиоды различных длин волн, на которых поглощение окси- и дезоксигемоглобина сильно отличаются (например, 690 и 900 нм), можно измерить соотношение концентраций данных компонент крови, — отмечает Турчин. — Существуют также и другие применения ОДС, например для функциональной диагностики головного мозга, диагностики гематом у новорождённых и оптической маммографии. Однако эти приложения пока не так широко распространены в клинической практике, поскольку сильно проигрывают в пространственном разрешении классическим методам интроскопии. Тем не менее ни рентген, ни МРТ, ни УЗИ не позволяют получать данные о концентрации основных хромофоров тканей — окси- дезоксигемоглобина, воды, жира и коллагена, которые можно получить с помощью ОДС. Сильное рассеяние света биотканями не позволяет достичь высокого пространственного разрешения на глубинах более 1 мм исключительно оптическими ме- тодами. Однако это ограничение можно преодолеть с применением гибридного подхода. В частности, соче- тание оптики и ультразвука — оптоакустика позволяет получать изображения биотканей с высоким молеку- лярным контрастом на глубины до 1 см с высоким (уль- тразвуковым) пространственным разрешением. Прин- цип действия оптоакустики заключается в том, что при поглощении хромофорами тканей короткого лазерного импульса происходит их термоупругое расширение и излучение из места нагрева звуковой волны, которая ло- цируется ультразвуковым датчиком. Нашей исследова- тельской группе в ИПФ РАН при финансовой поддержке Российского научного фонда удалось разработать датчи- ки для оптоакустики с рекордными на сегодняшний день параметрами. Я полагаю, что возможности данного метода еще предстоит оценить клиницистам, однако продвижение данного метода в клинику происходит не так быстро, как хотелось бы, вследствие сложности и громоздкости лазеров с требуемыми техническими характеристиками. Поэтому пока этот метод применяется в основном в предклинических исследованиях. Тем не менее первые клинические приборы (правда, пока не прошедшие FDA) для диагностики кожных заболеваний, интраваскулярной диагностики и диагностики молочной железы уже появились на рынке. Что надо запомнить из этой лекции? Во-первых, виды взаимодействия света с биотканями: рассеяние, поглощение и флуоресценция. Во-вторых, что на основе этих эффектов ученые и инженеры разрабатывают новые приборы для медицинской диагностики, используя флуоресцентную микроскопию, оптическую когерентную томографию, светодиффузионную спектроскопию и томографию, оптоакустику. Особенностью этих методов по сравнению с классическими является высокий молекулярный контраст. Масштаб исследования оптических приборов различный — от нескольких нанометров (субклеточное разрешение и даже разрешение одиночных молекул) до тканей и органов.
