Одна из перспективных разработок, в которой участвуют учёные СГУ, не имеет аналогов в мире и может стать настоящим прорывом в терапии и хирургии опухолей.
Саратовский университет вошёл в состав семи вузов - участников Сетевого национального центра трансфера медицинских и фармацевтических технологий Сеченовского Университета. Первый результат работы этого центра – каталог технологических предложений, который включает в себя свыше 50 уникальных предложений для медицинской индустрии, был презентован на Startup Village в Сколково 25-26 мая.
Многие из инновационных медицинских технологий, которые представлены и разрабатываются в СГУ им. Н.Г. Чернышевского, в своей основе используют современные достижения биофотоники. Учёные Научного медицинского центра, который возглавляет заведующий кафедрой оптики и биофотоники Института физики, профессор, член-корреспондент РАН В.В. Тучин, постоянно выступают ньюсмейкерами громких научных событий. Расскажем о некоторых из них.
Оптические технологии для медицины
Профессор В.В. Тучин объяснил, как биофотоника становится одним из драйверов современной медицины: «Биофотоника помогает получать информацию о том или ином заболевании: передача этой информация в виде сигнала или изображения осуществляется с помощью света. Часть разработок используют свет не только для диагностики и мониторинга патологий, но и для самого лечения.
В ряде случаев это происходит в рамках единой технологии и одного и того же устройства, когда с помощью низкоинтенсивного света производят диагностику, например, локализацию раковой опухоли, и тем же светом, но повышенной мощности, разрушают опухоль. Используют свет не только лазеров, который обладает уникальными характеристиками по сверхкороткой длительности импульсов, мощности и когерентности, но также и существенно более дешевых и легких в управлении светодиодов. Недорогие полупроводниковые лазеры и светодиоды имеют огромную нишу для медицинских применений. Мировой рынок изделий биофотоники огромен и практически не насыщен. В этом смысле есть перспектива для его наполнения.
Такие проекты СГУ, как «Аналитическая система мониторинга концентраций низкомолекулярных веществ, биомаркеров и фармацевтических препаратов», «Детектирование и сортировка объектов в кровотоке», «Фотоакустическая технология для ранней диагностики и лечения опасных для жизни заболеваний», «Адресная доставка дистанционно управляемых микроносителей с пролонгированным высвобождением лекарственных средств», «Применение фототерапии для лечения и профилактики стоматологических и вирусных заболеваний», «Разработка технологии создания «оптических окон» в тканях головы» и «Методы, устройства и математические модели для анализа степени взаимодействия контуров вегетативной регуляции кровообращения», в той или иной степени используют оптические технологии. Они обеспечивают неинвазивность, высокую скорость сбора информации, локальность и селективность воздействия на патологию и дают преимущества для создания не только лабораторных и клинических технологий и устройств, но и медицинских приборов для домашнего использования.
На основе кристаллов сапфира
Одна из перспективных разработок, в которой участвуют учёные СГУ, – создание медицинских инструментов на основе профилированных кристаллов сапфира. На сайте Российской академии наук опубликован обзор результатов фундаментальных научных исследований академических институтов, полученных в 2019-22 годах, и готовых к практическому применению. В частности, речь идёт о новейших разработках учёных по теме «Сапфировые игловые капиллярные облучатели для внутритканевой доставки лазерного излучения в терапии и хирургии опухолей». Эти исследования – совместный труд многих научных групп.
Научным консультантом проекта по вопросам взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями является профессор Валерий Викторович Тучин. По нашей просьбе он рассказал о ключевых результатах исследования, их практической значимости и применимости.
Прекрасен наш… мультидисциплинарный союз
Уже традиционно кафедра оптики и биофотоники СГУ в сотрудничестве с лабораторией профилированных кристаллов ИФТТ РАН (Черноголовка), лабораторией широкополосной диэлектрической спектроскопии ИОФ РАН (Москва) и Институтом кластерной онкологии Сеченовского университета (Москва) проводит исследования в различных областях науки и техники, включая терагерцовую оптику, оптоэлектронику и биофотонику, оптическую когерентную томографию, создание мультимодальных устройств для медицинской диагностики и терапии злокачественных новообразований на базе профилированных кристаллов сапфира. Совместные проекты поддерживаются различными научными фондами, включая РФФИ и РНФ. В их реализации принимают участие как опытные специалисты, так и молодые учёные, студенты и аспиранты всех партнёров.
Точно в цель
Среди разработок коллектива можно особо отметить лазерные технологии, которые имеют широкие перспективы для применения в медицине. В частности, такие технологии используют локальный нагрев тканей организма или запуск фотохимической реакции с помощью лазерного источника, что приводит, в зависимости от величины температуры, продукции химически активных молекул и длительности воздействия, к определенным изменениям в месте облучения, вплоть до разрушения патологической ткани. Этот принцип лежит в основе лазерной прецизионной хирургии, термотерапии и фотодинамической терапии, применяемыми в онкологии для локальной деструкции новообразований.
Помимо выбора типа и параметров лазерного источника, необходимо также обеспечить точную доставку лазерного излучения к месту воздействия. Для этого используется оптическое волокно в сочетании со специальными насадками, позволяющими вводить его внутрь мягких тканей без хирургического разреза. Традиционные насадки для лазерной терапии изготавливаются из кварца, что, к сожалению, не позволяет применять их многократно – они повреждаются в процессе фототерапии, не выдерживают жестких условий стерилизации и не позволяют фокусировать достаточно мощное излучение в пятно микронного размера вблизи конца волокна.
В то же время, тонкие капиллярные иглы из искусственного сапфира не имеют этих недостатков. Сапфир как материал очень привлекателен для биомедицинских приложений за счет уникального сочетания его физических и оптических свойств, способности к работе в агрессивных средах, включая нагрев до высоких температур, охлаждение и циклические температурные нагрузки, химическую инертность и биосовместимость, возможность применения различных методов стерилизации.
Кристаллические иглы
Из-за высокой твёрдости сапфира его крайне трудно обрабатывать традиционными механическими методами и практически невозможно придать монолитной заготовке сложную форму сечения, например, сделать внутренние каналы. Тем не менее разработанные и реализованные под руководством заведующего лабораторией профилированных кристаллов ИФТТ РАН доктора технических наук Владимира Николаевича Курлова методики роста профилированных кристаллов позволяют выращивать кристаллы со сложной и даже переменной геометрией сечения, с высоким оптическим качеством в объеме и на поверхности – напрямую, из расплава Al2O3, без применения трудоёмкой механической обработки.
Можно получать кристаллы в форме игл с внешним диаметром не более – 1,5-3,0 мм и тонким (~0,5 мм) полым капиллярным каналом внутри. Этот канал может быть закрыт со стороны наконечника сапфировой иглы, причем, наконечнику можно придать разную форму в процессе роста или последующей механической доводки. Если в канале расположить оптическое волокно, то благодаря высокой прозрачности сапфира для оптического излучения такая игла может использоваться для лазерной терапии, позволяя доставить излучение к труднодоступным тканям и обеспечить нужное пространственное распределение лазерной засветки.
Поскольку внутренний канал закрыт со стороны наконечника, такая игла защищает волокно от прямого контакта с биологическими тканями и жидкостями. Поверхность сапфировой иглы не подвержена образованию каких-либо дефектов в процессе работы и очистки, это снижает возможные негативные последствия, связанные с неконтролируемым перегревом ткани, и позволяет использовать иглу многократно.
Скальпель с подсветкой
Сапфировая игла может использоваться не только для терапии и удаления новообразований, но и для их оптической диагностики, например, с помощью методов флуоресцентной спектроскопии. При этом игла с помощью оптических волокон, расположенных также во внутреннем канале, соединяется с источником возбуждающего излучения и со спектрометром, анализирующим отклик ткани на это возбуждение. Как известно, здоровые ткани и новообразования по-разному флуоресцируют, это и позволяет локально оценить состояние рассматриваемого участка при введении в него сапфировой иглы.
Такой же принцип диагностики реализован и в многофункциональном сапфировом скальпеле, в котором сразу несколько внутренних капиллярных каналов используются для подсветки в месте разреза, регистрации флуоресцентного отклика ткани и диффузно рассеянного излучения, а также для возможной коагуляции отдельных участков при рассечении. Интересна также игла для микрофокусировки, форма которой позволяет концентрировать излучение в очень малое пятно. Она может использоваться не только для лазерной терапии, но и для осуществления оптической стимуляции определённых участков организма.
Аппликаторы для криохирургии
Отметим также сапфировые аппликаторы, разработанные для криохирургии с оптической диагностикой состояния ткани при её заморозке. В основе криохирургии лежит быстрая заморозка участка ткани организма до температур ниже , в результате которой происходит некроз. Методы криохирургии наиболее распространены в онкологии, хотя их широкое применение пока сдерживается низкой эффективностью визуализации и контроля процесса заморозки. Контроль изменения размеров замораживаемой области имеет большое значение, поскольку необходимо предотвратить гибель окружающих здоровых тканей, а также обеспечить полное замораживание области новообразования. Используя принципы анализа диффузно рассеянного излучения, сапфировые аппликаторы позволяют оценивать глубину промерзания ткани непосредственно в месте контакта.
Все эти медицинские инструменты на основе профилированных кристаллов сапфира в настоящее время не имеют аналогов. Помимо очевидного потенциала для клинического применения, они также позволяют совмещать несколько диагностических и терапевтических функций в одном инструменте. Так, например, можно изучать изменения оптических свойств тканей в процессе локального воздействия высоких и низких температур, лазерного излучения.
В апреле анонс статьи о результатах исследований российских учёных, связанных с созданием новых медицинских инструментов, американские коллеги поставили на обложку журнала «Лазеры в хирургии и медицине» в знак признания наших пионерских исследований.
ОПТИЧЕСКОЕ ПРОСВЕТЛЕНИЕ
Следует отметить ещё две опубликованные в этом году работы, выполненные под руководством профессора кафедры оптики и биофотоники СГУ Элины Алексеевны Гениной и заведующего этой кафедрой В.В. Тучина, в которых используются волоконные световоды и в которых получили дальнейшее развитие идеи оптического просветления биотканей в приложении к конкретным задачам медицинской диагностики и терапии.
Мультимодальное спектроскопическое устройство с пространственным разрешением для исследования двухслойной «гибридной» модели, состоящей из кожи и флуоресцентного геля, было разработано в содружестве с сотрудниками университета Лотарингии в рамках программы Посольства Франции в Москве двойных дипломов для аспирантов РФ. Аспирант СГУ Сергей Зайцев стал основным исполнителем этого проекта.
В работе впервые разработана технология оптического просветления абдоминальной жировой ткани in vivo с использованием гиперосмотических оптических просветляющих агентов с максимальным просветлением до 65%. Эта работа была выполнена коллективом СГУ совместно с отделением наук о жизни японской компании «Олимпус». Цель этого исследования заключалась в разработке технологии оптического просветления жировой ткани, которая окружает все внутренние органы и сильно мешает проведению хирургических операций на этих органах, так как врач или робот не видят скрытые за жировой тканью кровеносные сосуды и могут их повредить.
Физики СГУ недавно подвели итоги своих исследований в области биофотоники в коллективной монографии, которая вышла в свет в феврале этого года в издательстве CRC Press под редакцией профессоров СГУ В.В. Тучина, Е.А. Гениной и профессора Хуачжунского университета науки и технологии Dan Zhu.
В монографии обсуждаются актуальные вопросы оптики биологических тканей и излагаются биофизические основы и области применения нового метода оптического просветления биотканей, перспективного для лазерной диагностики, терапии и хирургии. 22 главы написаны сотрудниками СГУ в соавторстве с учёными России и других стран, включая Китай, США, Германию, Францию, Японию, Португалию и Иран. Свои независимые исследования представили также учёные Китая, США, Японии, Польши, Бразилии и Канады. Всего в монографии собрано 37 глав.
Наконечники сапфировых игл
Сапфировая капиллярная игла для микрофокусировки излучения
Лезвие сапфирового диагностического скальпеля
Подготовила Тамара Корнева, фото Виктории Викторовой
