Реклама
Российский ученый Валерий Тучин разработал метод оптического просветления биологических тканей
«Невидимость позволяла многого достигнуть, но не позволяла мне пользоваться достигнутым». Так говорил герой известного романа Герберта Уэллса, студент Гриффин. Моего сегодняшнего собеседника, мирового лидера в области биофотоники, члена-корреспондента РАН Валерия Тучина можно назвать в какой-то мере воплощением Гриффина – ведь он наяву создал метод оптического просветления человеческих тканей! Правда, в отличие от героя фантастического произведения, он весьма оптимистичен и вполне успешно развивает метод «невидимости» для… исцеления больных.
Справка «МК». Валерий Викторович Тучин – член-корреспондент РАН, профессор, заведующий кафедрой оптики и биофотоники Саратовского университета, заведующий лабораторией лазерной диагностики технических и живых систем Института проблем точной механики и управления ФИЦ «Саратовский научный центр РАН». Удостоен множества международных премий за новаторские исследования по биофотонике, включая российский аналог Нобелевской премии – Национальной премии в области будущих технологий «Вызов».
— Валерий Викторович, прежде чем мы перейдем к самому интересному – просветлению тканей, объясните, что представляет собой та область, в рамках которой ваша методика создается. Вы же являетесь одним из основателей биофотоники?
– Именно «одним из»… Биофотоника в какое-то время начала активно развиваться во всем мире, ну и я внес свою лепту. Это научная дисциплина, изучающая взаимодействия биологических объектов и фотонов, то есть, света. Поскольку свет дуален (кроме фотонов, его можно также представить в виде электромагнитных волн), мы описываем различные явления, связанные со светом при помощи классической и квантовой теорий.
– Поскольку мы пишем для очень широкой аудитории, не мешало бы объяснить, что такое квантовая теория.
– Если классическое электромагнитное излучение в виде света рассматривается как волна, то квантовая теория рассматривает то же излучение в виде потока отдельных квантов (корпускул или частиц, – как хотите). Мы можем рассматривать свет сразу в двух ипостасях – как волну, которая имеет свои вершины и впадины, и квантов, которые всегда имеют разную плотность в зависимости от того, расположены они на вершине волны или во впадине. В рамках квантовой теории мы также рассматриваем взаимодействие отдельных корпускул света, обладающих определенной энергией, которая связана с цветом излучения, с различными веществами, на которые падает свет. Эта теория дает нам новые понятия о свойствах света и всех веществ, включая живые организмы, которые, в свою очередь тоже состоят из тех же квантовых составляющих – молекул и атомов (или корпускул).
Красный свет — признак… слабой энергии
– Приведите пример волновой и квантовой теории света в приложении к живым существам.
– Вокруг нас много источников света: природный – Солнце и искусственные – всевозможные лампы, лазеры. Они по-разному могут воздействовать на нас. Одна из важнейших функций света в том, что мы способны видеть. Свет мы можем рассматривать как волны или фотоны. Вот я вас вижу только потому, что солнечный свет отражается от вашей кожи и попадает мне в глаз. Дальше он проходит роговицу, хрусталик, стекловидное тело и попадает на чувствительную оболочку — сетчатку, которая состоит из колбочек и палочек. Они позволяют нам различать свет. И там, в области сетчатки, чтобы разобраться с дальнейшим поведением света, мы уже применяем теорию квантовых взаимодействий, представляя волну в виде фотонов. Если квантовый выход фоточувствительных молекул сетчатки высокий, то почти на каждый фотон будет вылетать электрон. Эти электроны будут создавать электрический импульс, который пойдет в мозг.
– То есть, если он упадет на нужную колбочку или палочку, я увижу свет, а если нет – то не увижу? От чего это зависит?
– От свойства самого фотона. Наш глаз – это тот же фотоаппарат, в котором есть много пикселей. Причем, как и в фотоаппарате их можно представить в трех видах: красный, зелёный и синий (RGB). Если мы говорим про технический прибор – фото или видеокамеру, они могут работать от ультрафиолета до инфракрасной области. Что касается человеческого глаза, он теряет чувствительность в инфракрасной области за счет так называемой красной границы фотоэффекта. Это значит, что если на ваш глаз воздействует фотон, эквивалентный инфракрасному свету с самой большой длиной волны, то такой фотон не рождает электрон, потому что у него недостаточно для этого энергии, и вы просто его не увидите. Глаз достаточно хорошо защищен от ультрафиолетового света, фотоны которого, наоборот, обладают высокой энергией, легко выбивает фотоэлектроны, и если бы в нашем глазе не было бы защиты от таких коротких волн, мы могли бы легко ослепнуть.
– Что является такой защитой?
– Биологическая ткань нашего глаза, белки-коллагены, которые организованы в виде волокнистой структуры и поэтому сильно рассеивают ультрафиолет и поглощают его. Поэтому мы видим только от 400 до 780 нанометров (между длинами волн синих и красных фотонов). Зеленый оказывается в середине этой шкалы, и на него у нас приходится максимум чувствительности.
– Можно ли расширять эти границы?
– Теоретически, если уходить в инфракрасную область, мы могли бы… Есть такие люди-феномены, которые, как животные, видят в этом диапазоне гораздо лучше среднестатистического человека. Граница их восприятия красного спектра может находится не на уровне 780 нанометров, как у нас с вами, а доходить, к примеру, до 800 нм, то есть, они лучше видят в темноте тепловое излучение от теплых предметов и людей. С ультрафиолетом сложнее. Его можно увидеть, но скорее человек больше ощутит дискомфорт от него, чем увидит что-то в этом диапазоне. На различных вечеринках иногда используются такие яркие, неприятные световые воздействия для глаз, там много ультрафиолета, который все-таки пробивается через все защиты.
– Для чего их используют? Может ультрафиолет способен возбуждать нервную систему?
– В медицине ультрафиолетовое излучение используется достаточно широко, можно вспомнить бактерицидные лампы, которые используются для обеззараживания помещений. Но при этом нельзя находиться в этом помещении при работе ламп, так как может быть ожог сетчатки и кожи. Хорошо известна так называемая ПУФА терапия, где используется ультрафиолет А-диапазона (УФА) для лечения псориаза и витилиго. Это фотохимиотерапия, где поглотителем фотонов являются молекулы псоралена (П), которые вводят в кожу в виде крема и далее запускается фотохимическая реакция, которая тормозит бесконтрольное деление клеток кожи. Может ли ультрафиолет возбуждать нервную систему? Да, конечно, при больших дозах у человека может возникать нервное возбуждение, головная боль утомляемость. Но в малых дозах ультрафиолет полезен для выработки витамина D.
– А если бы наш глаз не рассеивал ультрафиолет, что мы могли бы увидеть?
– Если потоки фотонов небольшие и нет повреждений сетчатки, то как и для любой оптической системы, чем короче длина волны, тем большее пространственное разрешение может обеспечить оптическая система глаза, то есть можно будет разглядеть мелкие детали объектов.
Фотоника как раз занимаемся созданием новых ярких источников и чувствительных приемников излучения в широком диапазоне длин волн – от глубокого ультрафиолета до инфракрасного или даже терагерцового диапазона, которые используются не только в технических устройствах, но и в медицине.
Кожа – это наши «входные ворота»
– Уже давно существуют тепловизоры, на основе которых создаются приборы ночного видения…
– Да, эти приборы «видят» и передают на монитор изображения от зарегистрированных камерой тепловых инфракрасных фотонов, которые идут от поверхности тела с участием передачи тепла от внутренних органов. Благодаря им мы можем видеть контуры человека или животного в кромешной тьме или регистрировать патологические участки на теле человека с повышенной температурой.
Но наша работа больше нацелена на изучение того, как фотоны взаимодействуют с биологическими тканями. Глаз мы обсудили детально, есть еще кожа — это наши «входные ворота». И мы можем легко пройти сквозь нее, и заглянуть внутрь организма. К примеру, мы можем запустить фотоны с одного виска и принять на выходе из другого, то есть, «пройти» при помощи них через мозг. Конечно, будет сильное ослабление потока фотонов, – понадобятся очень чувствительные приемники, которые могут это принять.
– И что вы увидите в мозге при помощи фотонов?
– Если свет идет достаточно хорошо, то человек здоров, а если там опухоль, свет будет рассеивается и поглощаться дополнительно, и уже увидим затемнение.
– Но есть же МРТ, рентген…
– Да, но они не безвредны, – МРТ за счёт сильного магнитного поля, рентгеном нельзя просвечивать организм слишком часто (а иногда врачам это требуется), а диагностический свет абсолютно безопасен, главное, не давать его много, чтобы не нагреть поверхность органа. Для терапии, можно немного прибавить, кратковременный нагрев допустим, даже часто полезен, но так чтобы кожа не сгорела. Но с другой стороны, если я хочу с помощью лазера сделать тонкую хирургическую операцию, то здесь можно дать большую мощность, поскольку здесь буквально тонкий лазерный пучок используется как скальпель. На этом основана лазерная коррекция зрения или удаление меланомы.
– Можно ли при помощи луча света делать операции на внутренних органах?
– Это очень хороший вопрос. Обычно для этого используются эндоскопы и лапароскопы, а опухоль подкрашивают специальным красителем, поглощающим свет определенной длины волны. Предположим, слабым лучом света хирург обнаружил опухоль в органе за счет ее свечения (флуоресценции). Сама опухоль свет поглощает, и дойдя до нее, специалист тут же повышает мощность излучения этого же лазера и опухоль либо выпаривается, либо на нее оказывается терапевтическое воздействие в виде так называемой фотодинамической терапии. Все зависит от стратегии лечения. Возможностей сегодня много.
– Можно ли это делать, не повреждая наши «входные ворота»?
– Да можно, но в каких-то пределах. Это искусство, на самом деле, и именно на этом строится сейчас наша работа. Надо построить модель, изучить все явления, оптические свойства органов и тканей. А для того, чтобы терапевтический или хирургический луч лучше проходил через кожу, мы делаем ее более прозрачной.
Изобретение невидимости
– Вот, наконец, мы и подошли к сути вашего открытия! Расскажите, в чем оно заключается?
– Мы внедряем в кожу определённые просветляющие агенты, которые делают её более прозрачной.
– За счет чего же она делается прозрачной?
– Начну с самого начала, – с того, как пришла в голову сама идея. В 1980-х годах мы проводили исследования в лазерном центре офтальмологической клиники Саратовского медицинского университета, и у медиков в пробирках стояло много кусочков склеры (белой оболочки глаза), которую хранили в глицерине для последующей имплантации. В нашем коллективе физиков и медиков изучали рассеивающие свойства роговицы и склеры глаза. И вот однажды оба явления соединились в наших умах, что глицерин, и не только он, может уменьшить рассеяние света и сделать склеру почти такой же прозрачной, как и роговица. Хотя этот эффект должны были замечать все, просто никто не придавал ему значения. Дело в том, что глицерин является веществом с высоким показателем преломления (как и вода, кстати, по сравнению с воздухом), и если им пропитывать какую-то ткань, то она станет оптически более однородной, то есть заполненные водой участки ткани будут иметь показатель преломления, близкий к белковым структурам, и свет будет идти без сильного рассеяния – прямолинейно. Приведу вам простой пример создания эффекта просветления. Мне для этого понадобится цветная клеенка, бумажная салфетка и немного воды. Если мы капнем воду на часть салфетки и прижмем ее к клеенке, что вы видите?
– Мокрая часть стала настолько прозрачной, что через нее виден узор клеенки.
– Представляете, как просто мы сейчас сделали часть салфетки прозрачной (или невидимой)! По такому же принципу мы сейчас делаем невидимыми кожные покровы. Только, конечно, используем не воду, а специальные составы, после пропитки которыми кожа перестает отражать свет.
– По такому же принципу создаются метаматериалы, или «плащи-невидимки», за которыми скрывают самолеты-разведчики?
– Да, точно по такому же принципу, только те «плащи-невидимки» – искусственно созданы, а наши ткани являются природным метаматериалом.
– За какое время кожа становится абсолютно прозрачной в ваших экспериментах?
– Абсолютно прозрачного ничего не бывает, но хорошую прозрачность на уровне 80-90% можно реализовать за 5-20 минут в зависимости от толщины кожи. Есть много химических и физических методов, ускоряющих просветление.
– Тот же глицерин, который делает ткани невидимыми, входит в состав многих косметических кремов…
– Да, и в определенной степени всегда делает нашу кожу чуть более прозрачной. Но этот процесс не заходит слишком далеко, не затрагивает более глубокие ткани. Нам же нужна большая прозрачность покровов, чтобы вложить через это прозрачное «окошко» больше фотонов для воздействия на какую-то опухоль, которая находится внутри. Мы уже упоминали фотодинамическую терапию, но теперь, при просветлении, ее можно будет провести более эффективно. Для того, чтобы помочь лучу света справиться с опухолью, мы должны ее дополнительно подкрасить специальными красителями, которые хороши тем, что лучше поглощают свет, чем окружающие ткани. В результате фотохимической реакции с участием кислорода вырабатывается большое количество радикалов, которые убивают клетки опухоли. То есть мы светом возбуждаем молекулы красителя, молекулы красителя из обычного кислорода делают кислород реактивным и тогда реакция окисления целенаправленно убивает опухоль.
– А чем вводятся красители в опухоль?
– Для внутренних органов их вводят системно, то есть внутривенно, красители имеют свойство больше накапливаться в быстрорастущих клетках опухоли, есть специальные системы целевой доставки препаратов с помощью наночастиц или капсул, которые захватываются раковыми клетками. Это очень большая область знаний и технологий. Если опухоль на поверхности, то можно доставить по тому же принципу, что и просветляющие агенты, а можно просто их смешать вместе и наложить на поверхность кожи или доступной слизистой оболочки, это так называемое местное введение.
– Подобные фотодинамические воздействия делаются красным светом, проникающим в глубину ткани?
– Да, потому что ультрафиолет, как мы говорили с вами, не проникает на большие глубины, хотя хорошо возбуждает многие красители. Сейчас мы переходим от красного в инфракрасный диапазон, чтобы повысить глубину проникновения света, но там тоже есть свои ограничения, которые мы частично преодолеваем за счет просветления. Но главное, что есть принципиальное ограничение по набору красителей, которые могли бы эффективно генерировать радикалы на таких длинах волн, их надо специально разрабатывать.
– А какие красители относятся к инфракрасной области?
– В инфракрасной области перспективны красители цианинового ряда, к самым известным из которых принадлежит индоцианиновый зеленый (ICG). Кстати наша статья с финнами по применению индоцианинового зеленого для визуализации опухолей в хирургии имеет рекорд по цитируемости и загрузкам
Шлем, заменяющий Солнце
– И все же мне больше понравился метод «хирургического», но в то же время абсолютно не инвазивного вмешательства. Уже сейчас что-то поддается лечению светом, например, мозг?
– Свет воздействует на наш мозг, даже когда мы просто находимся на улице, под солнечным лучами. Дело в том, что череп достаточно прозрачный, и хотя кожа частично задерживает свет, это не мешает ему попадать внутрь. Сложность заключается в том, чтобы обеспечить подвод необходимой терапевтической дозы красного или инфракрасного излучения в определенные зоны. Поисковые работы для этого идут непрерывно. Недавно мы экспериментально и теоретически доказали, что можно в два раза и даже больше увеличить плотность мощности в глубине мозга только за счет просветления кожи на голове. Это открывает путь к многочисленным исследованиям в мире и у нас в СГУ, когда человек надевает шлем, в котором много десятков пар источников света — светодиодов с определёнными длинами волн, и приемников излучения, вышедшего из головного мозга. Вы можете их включать и ходить с ними весь день. Они могут подавать сигналы о функционировании вашего мозга, но могут и улучшать самочувствие, это можно делать даже во сне для очистки сосудов головного мозга.
– А как это работает?
– Ночью начинают работать лимфатические сосуды и сбрасывать все вредные вещества, которые накопились за день. Действие света усиливает этот процесс. Эти опыты наши биологи из СГУ проводят на мышах, мы им помогаем использовать различные оптические технологии, чтобы доказать, как отработанные вещества из головного мозга попадают в лимфатические узлы. Оптическое просветление очень хорошо помогает наблюдать за процессами в лимфатических узлах. Это одно из наших давнишних достижений.
– Как действует шлем днем?
– Вообще один из механизмов действия света на живые организмы – это усиление скорости микроциркуляции крови. Есть большой класс работ, когда при облучении головы ребенка светом эффективно корректируют аутизм. Поэтому, как в ночное, так и в дневное время свет воздействует не только на лимфатические сосуды, но и на кровеносные, расширяя их, улучшая микроциркуляцию крови. Различия в дневном и ночном воздействии света на мозг еще предстоит изучить. Это хорошая тема.
– Действие шлема можно как-то сопоставить с солнечным светом? Вообще гулять под солнцем полезно для мозга или не очень?
– Все полезно в меру. Но если сравнивать с теми плотностями мощности, что используются на практике в медицине, то та радиация, что мы получаем от солнца примерно такая же, а именно от солнца в яркий солнечный день мы имеем примерно 150 мВт на квадратный сантиметр. Это ощущение тепла на коже. Но этот свет занимает широкий диапазон длин волн, а за счет поглощения водой в атмосфере не содержит ряда инфракрасных длин волн. Поэтому солнечный свет, без сомнения должен действовать на мозг, но с точки зрения лечения он не так эффективно, как искусственные источники света, которые настроены на определенную наиболее эффективную длину волны, имеют регулируемую выходную мощность и меньше могут нагревать, а больше селективно воздействовать на биологические молекулы.
– Помнится, в детстве мама иногда грела мне больное ухо синей лампой, и боль проходила. Это может быть как-то связана с биофотоникой?
– Такие лампы с рефлектором, насколько я знаю, и сейчас можно купить в магазинах. На самом деле «синяя лампа» испускает не синий свет, а инфракрасный, видимый свет отфильтровывается синим стеклом лампы. Это лечение теплом, которое генерируется глубоко в ткани за счет проникновения света. Конечно, это имеет отношение к биофотонике. Метод был предложен задолго до формирования биофотоники как науки. Сейчас биофотоника – это количественная наука, в основе которой физика, математика, химия и биология.
Можно лечить и синим светом для этого сейчас служат светодиоды на длинах волн от 405 и до 470 нанометров, которые обладают мягким бактерицидным действием и помогают при неглубоких воспалительных процессах, например, при лечение угревой сыпи. От синего света биологический эффект всегда больше, только, как мы уже говорили, он не может проникать на большие глубины, как красный.
– Принято также выращивать цветы под красными лампами. Это чем объясняется?
– Фотосинтез тоже зависит от длины волны. Вообще свет в диапазоне 400-700 нм может запускать фотосинтез. Красный и дальний красный наиболее эффективны для запуска и поддержания фотосинтеза. Здесь важен баланс цветов. Появилась новая наука, которая называется агрофотоникой, как часть биофотоники, которая занимается разработкой световых технологий для управления ростом растений их плодоношением с помощью выстраивания светового режима как по яркости, так и длинам волн.
Красный и инфракрасный свет используют при выращивании цыплят, что увеличивает для них световой день и дает хороший прогрев.
Источник: www.mk.ru