Наверное, многие читали роман Герберта Уэллса “Человек-невидимка”, в котором главный герой — ученый-физик изобрел вещество, делавшее тело человека абсолютно прозрачным, а потому невидимым. Более 20 лет саратовские исследователи пытаются сделать эту выдумку реальностью и уже добились заметных результатов, на развитие которых получили федеральный грант.
— Мы изучаем оптические свойства биологических тканей и крови, — рассказывает заведующий кафедрой оптики и биофотоники Национального исследовательского Саратовского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского, руководитель лаборатории лазерной диагностики технических и живых систем Института проблем точной механики и управления РАН, доктор физико-математических наук, профессор Валерий Тучин. — Пытаемся понять, каким образом через них проходит свет, как он при этом поглощается и рассеивается.
— А разве свет может пройти сквозь человеческое тело?
— Судите сами. — Валерий Викторович закрывает лазерную указку своим пальцем и затем включает ее. Палец окрашивается в красный цвет. — Теперь я возьму зеленый лазер, что вы видите?
— Эффект гораздо слабее: ноготь приобрел едва заметный зеленый оттенок.
— Правильно. Чем меньше длина волны света, тем хуже его проникающая способность. Одна из основных задач нашего проекта, на который выделен федеральный грант по поддержке ведущих научных школ, — разработать методы “просветления” живых тканей, что позволит сделать их более прозрачными и таким образом открыть доступ свету в глубь человеческого тела. Вот, в общих чертах, как мы это делаем.
Возьмем лист бумаги. Она очень плохо пропускает свет. Но если смочить ее маслом, то, видите — лист стал прозрачным. Масло, заполнив пустоты внутри бумаги, уменьшило разброс в величинах показателя преломления. В результате путь света стал более прямолинейным. Мы пытаемся сделать нечто подобное — ввести внутрь живой ткани некий реагент, который пробудет в ней минут 20-30, а затем покинет организм, не причинив ему вреда. За то время, пока ткань будет прозрачной, можно будет успеть выполнить диагностику, терапию или лазерную хирургию, в зависимости от поставленной цели.
Например, требуется сделать операцию на глазу с использованием лазера. Вещество склеры очень сильно рассеивает свет, и поэтому лазер не способен его разрезать, а может только нагреть и сжечь. Если же с помощью специального реагента просветлить глазной белок на некоторое время, то, используя медицинский лазер, можно будет сделать в нем очень тонкий разрез шириной 5-10 микрон и глубиной несколько миллиметров.
— Какие вещества применяются для просветления?
— Раствор сахара, глюкоза, фруктоза, спирт, глицерин и многие другие соединения, в том числе и используемые в косметологии. Например, смесь из воды, спирта и глицерина — что-то вроде обычного ликера. Как он действует? Глицерин просветляет ткань, а спирт делает ее более проницаемой для глицерина и воды. Пациент выпивает нужную дозу такого напитка, и ткани его желудка просветляются на определенную глубину. Благодаря этому врач с помощью эндоскопа может просмотреть их в проблемном месте.
Сейчас во всем мире широко используется оптическая когерентная томография, предназначенная для получения изображений кожи, стенок сосуда, элементов глаза и многого другого с точностью до десятка микрон, то есть на клеточном уровне. Но есть одна проблема: этот метод не позволяет проникнуть в исследуемую ткань глубже, чем на 1-2 миллиметра. Просветлив ткань, мы можем значительно улучшить проникающую способность когерентной томографии.
Надо сказать, что многие виды рака зарождаются в тканях кожи. Если ее просветлить, то можно заметить изменения на клеточном уровне и обнаружить опасное заболевание на самой ранней стадии.
— Как вы просветляете кожу?
— Мы используем уже известные методы доставки лекарств под кожу: электрофорез, различные мази и т.п. Только вместо лекарства (а иногда и вместе с ним) вводим туда просветляющее вещество. Кстати, кожа самый трудный объект для просветления. А самый легкий — склера. Достаточно капнуть на нее несколько капель глицерина, разведенного в воде, как она тут же становится прозрачной. А скажем, для просветления кости требуется несколько часов. Другое наше ноу-хау — это так называемая лазерная абляция. Суть ее в том, что лучом лазера в ткани прожигается несколько сотен очень маленьких неглубоких дырочек. Они настолько тонкие, что через два-три часа заживают. Но за это время через них в ткань впрыскивается просветляющее вещество, иногда вместе с лекарством.
Приведу конкретный пример, как работает наш метод. Предположим, нужно сделать лазерную операцию на мозге. Хирурги умеют “открывать” и “закрывать” череп, они также могут просверлить маленькое отверстие в нем в нужном месте. Но сам мозг, кроме черепной коробки, закрыт еще несколькими оболочками. Одна из них (твердая мозговая оболочка) напоминает склеру — такое же белковое вещество, только еще более плотное. Она состоит из прочных коллагеновых волокон, плохо пропускающих свет. Но если мы возьмем несколько капель просветляющего агента, то в течение трех — пяти минут оболочка становится полностью прозрачной. И хирург, не вскрывая ее, может сделать лазерную операцию на мозге, например, удалить небольшую опухоль. Мы первыми в мире предложили проводить эту процедуру и уже опробовали ее на животных.
— А когда вы поняли, что ткани можно и нужно просветлять?
— Первая работа на эту тему появилась еще в 1987 году. В ней мы предложили просветлять склеру с целью диагностики и последующего лечения. У меня был очень талантливый аспирант Шубочкин Лев Петрович, к сожалению, рано умерший. Именно он первым предложил двигаться в новом направлении: разрабатывать методы просветления живых тканей в медицинских целях. Для решения этих задач мы организовали специальную группу ученых, привлекли к работе теоретиков. В последние лет десять наступил наконец перелом во взглядах научного сообщества на эту проблему, и стала ясна перспективность подобных исследований.
Дело в том, что во всем мире активно используются спектроскопические приборы для измерения рамановского (комбинационного) рассеяния. Они позволяют исследовать ткани на молекулярном уровне. Но не могут проникнуть глубоко. И вот недавно, правда, уже не мы, а американские ученые, просветлив кожу, получили рамановский спектр кости. Вы, наверное, знаете, что есть такое широко распространенное заболевание, как остеопороз, и о трудностях, связанных с его ранней диагностикой. Теперь его можно выявить на самой ранней стадии. Просветляется кожа, скажем, в области голеностопной кости, чтобы лазерный свет мог проникнуть к ней. И по полученному рамановскому спектру делается однозначный вывод, есть или нет угроза остеопороза.
А вот пример просветления из совершенно другой области. Допустим, в каком-то хозяйстве часть свиней заражена сальмонеллой и нужно отделить больных от здоровых. Известно, что сальмонелла и продукты ее жизнедеятельности флуоресцируют. У каждого животного просветляется кожа, после чего оно обследуется лазером. Сальмонелла обнаруживает себя хорошо заметным специфичным флуоресцентным излучением.
Подобным образом можно решать и другие проблемы. Известно, что любое соединение обладает индивидуальной флуоресцирующей особенностью. Зная эти особенности, нетрудно обнаружить в организме то, что влияет на его развитие, вызывает заболевание. Мы уже освоили технологию поиска отдельных раковых клеток. Научились выявлять их, отслеживать перемещение и затем убивать.
Стоит отметить, что новыми технологиями интересуются не только биологи, врачи, но и специалисты в области оптической техники. Недавно я получил письмо от сотрудников известной японской компании “Олимпус”. Они хотят использовать наши достижения в своем производстве — планируют оснащать каждый выпускаемый ими микроскоп комплектом различных реагентов по просветлению не только живых, но и неживых тканей.
Беседовал
Василий ЯНЧИЛИН
Нет комментариев