Можно ли сделать человека прозрачным? Оптическое просветление биотканей: интервью с создателем технологии В.В. Тучиным

Ученые прошлого мечтали заглянуть внутрь живого человека, сделав его ткани прозрачными, а писатели-фантасты грезили о полной невидимости. Сегодня наука приблизилась к тому, что когда-то казалось невозможным: в распоряжении специалистов появились новые технологии  и простые доступные вещества — от глицерина до пищевого красителя, — которые временно выравнивают показатель преломления света внутри тканей, делая их прозрачными. Подробнее об этом рассказал создатель технологии — лидер российской школы биофотоники и основатель научного направления «оптическое просветление биологических тканей» Валерий Викторович Тучин.

Справка: Валерий Викторович Тучин — доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН; заведующий кафедрой оптики и биофотоники Института физики и руководитель Научного медицинского центра СГУ им. Н.Г. Чернышевского, заведующий лабораторией лазерной диагностики технических и живых систем Института проблем точной механики и управления ФИЦ «Саратовский научный центр Российской академии наук», заведующий лабораторией биофотоники ТГУ; лауреат премии «ВЫЗОВ» (2024); самый цитируемый в мире ученый в области биофотоники.

— Валерий Викторович, вы лидер в области оптического просветления биологических тканей. Что представляет собой эта технология?

— На самом деле она очень проста и потому особенно привлекательна. Объясню ее суть на бытовом примере: вы можете сделать более прозрачной мутную бумажку, плохо пропускающую свет, если капнете на нее масло или даже воду. Тогда растительные клетки, создающие неоднородность, станут более однородными, то есть прозрачность обеспечивается за счет того, что пространство между клетками и внутри них заполняется неким веществом со сравнимым показателем преломления. То же самое происходит с животными тканями. Кроме того, в живых тканях много воды, поэтому можно пойти и другим путем: не заменять воду, а частично убрать ее из ткани. Люди знали это еще в древности, когда делали окна из высушенных бычьих пузырей. Мы используем те же принципы, применяя специальные агенты (вещества), которые можно нанести на кожу или, допустим, капнуть в глаз. Так, например, склера (белочная оболочка) глаза у человека абсолютно мутная: через нее нельзя получить изображение; если за склерой (толщина которой около 1 мм) находится меланома, мы просто не можем ее увидеть. Но если капнуть на склеру вещество с показателем преломления выше, чем у воды, она станет однородной и прозрачной, и тогда оптическая диагностика станет возможной.

— На какую глубину реально заглянуть с помощью оптического просветления: только в поверхностные слои или можно добраться до внутренних органов?

— Разумеется, у каждой технологии есть свои ограничения. Но нам помогает эндоскопия: до внутренних органов мы добираемся с помощью эндоскопов, а дальше включаем просветление и идем еще глубже. Помимо эндоскопии, есть и более дорогие методы, например конфокальная микроскопия (стоимостью около $1 млн), позволяющая видеть клетки на глубине 300–500 мкм. Просветление, в свою очередь, увеличивает эту глубину вдвое, причем обходится это в сущие копейки.

Для ранней диагностики, когда опухоль еще маленькая, оптическое просветление имеет большое значение, ведь оно позволяет работать на уровне отдельных клеток.

— Правда ли, что с помощью оптического просветления можно сделать прозрачным даже мозг?

— Да. Есть отдельное научное направление, работающее с целым мозгом посмертно. Это так называемая наука о нейронных связях, или коннектомика. Мозг мыши толщиной около 7 мм можно сделать прозрачным за несколько суток, пропитывая его специальными агентами. Здесь работает та же диффузия, как при вымачивании мяса.

— Это, кстати, было мечтой И.П. Павлова: он фантазировал о возможности сделать черепную коробку прозрачной и пронаблюдать когнитивную деятельность в мозге.

— Что ж, сегодня это уже становится реальностью. В нашей недавней работе мы временно убирали лоскут кожи и просветляли черепную коробку. Таким образом мы могли видеть сосуды головного мозга. Кость пористая, и есть рецептура (мы сейчас как раз патентуем наш специальный «коктейль»), работающая как на оптику, так и на ультразвук: она просветляет биоткань и согласовывает акустическое сопротивление для ультразвука.

Год назад в журнале Science вышла статья: ее авторы использовали желтый пищевой краситель, который покрасил кожу мыши в желтый цвет, но в инфракрасной области ткань стала прозрачной. Позднее в передовых журналах появились десятки работ на эту тему. Мы, в свою очередь, написали пять. Не все знают, что еще в 2004 г. мы предлагали ту же технологию, но с гемоглобином.

Гемоглобин — это тоже краситель, только метаболический. Он сложнее, и его оптический эффект слабее, зато он представляет собой естественное вещество.

Американская команда позже сделала красивый эксперимент, сославшись на нашу разработку: ученые проткнули эритроцит, оттуда вытек гемоглобин, и часть эритроцита перестала быть видимой, став более однородной. Это открыло путь для новых интересных исследований.

— Когда я слушала ваши лекции, готовясь к интервью, у меня сложилось впечатление, что просветляющим агентом на самом деле может быть вообще что угодно. Вы говорили, что просветляющие вещества содержатся, например, в обычных шампунях и даже в вейпах. И это только одни из немногих примеров.

— Действительно, линейка доступных нам веществ, которые могут быть просветляющими агентами, очень большая. Глицерин, например, давно известен как традиционный смягчающий компонент, но на самом деле это еще и отличный оптический просветлитель. Он абсолютно прозрачен практически во всем нужном нам диапазоне длин волн, не дает поглощения и позволяет проводить вглубь тканей ультрафиолетовое излучение. Именно таким образом мы лечили детей со стоматитом: с помощью глицерина делали ткань прозрачной и облучали ультрафиолетом. 120 детей успешно прошли такое лечение.

— Можно ли с помощью света лечить не только воспаления, но, скажем, психические расстройства?

— Есть эксперименты и клинические исследования, показывающие, что светом можно мягко корректировать поведение детей с расстройствами аутистического спектра и улучшать их общее состояние. 

— А куда подают свет при таком лечении?

— На голову, в уши и ноздри, глаза при этом тоже работают. Вообще, наше настроение сильно зависит от освещения: синий, зеленый, красный свет по-разному влияют на мозг через зрение. Это очень перспективная область исследований.

— Существуют ли заболевания, при которых ткани сами по себе, без постороннего вмешательства становятся более прозрачными?

— Да. Более того, мы и сами пытаемся генерировать такие просветляющие агенты внутри самого организма человека в наших исследованиях. Отвечая на ваш вопрос: у пациентов с сахарным диабетом, например, повышен уровень глюкозы, а глюкоза — просветляющий агент.

Поэтому у пациентов с диабетом все ткани примерно на 20% прозрачнее, чем у остальных людей. Увидеть это можно только инструментально, для невооруженного глаза такая прозрачность, конечно, незаметна. Это очень интересный феномен.

— Если ткани становятся прозрачнее, не будут ли они более уязвимыми для бактерий и вирусов?

— Скорее наоборот. Многие агенты обладают еще и бактерицидными свойствами. У пациентов с диабетом ткань гликирована: она плотнее, и молекулы в нее проникают хуже. С другой стороны, у таких людей со временем могут появляться язвы, а это уже ворота для инфекции. Вообще, то, что у пациентов с диабетом ткани прозрачнее, чем в норме, само по себе выступает неким диагностическим маркером: изменение прозрачности сигнализирует о патологическом процессе.

Кстати, глюкоза, о которой мы говорили ранее в связи с диабетом, не единственный пример эндогенного (внутреннего) просветляющего агента. Просветляющими свойствами обладают и свободные жирные кислоты.

Если лазером «растопить» жировую прослойку вокруг органов (а органы находятся в такой прослойке), то выделятся жирные кислоты, которые тоже сделают ткани более прозрачными. Это было доказано в наших экспериментах. И в этом случае изменение прозрачности — опять же маркер того, что в организме что-то происходит.

— Есть ли другие примеры, помимо сахарного диабета, когда сама патология создает эффект просветления?

— Да, например гематома мозга. Казалось бы, это плохо для прохождения света. Но если выбрать не те длины волн, которые поглощаются гематомой, а инфракрасные, то за гематомой можно увидеть даже больше, чем без нее. Она становится своего рода проводником света, но только инфракрасного, что создает возможность заглянуть за гематому. Это очень интересная область исследования, а для врача подобное может оказаться полезным инструментом: когда он не знает, какова глубина гематомы, правильный выбор длины волны света позволяет это увидеть.

— Просветление — это точечное воздействие? Если пофантазировать: можно ли, скажем, сделать прозрачной всю руку?

— Не обязательно точечное. Можно сделать прозрачной кожу даже половины руки. Я видел работы, где руку просто опускали в просветляющий агент — и кожа становилась достаточно прозрачной, чтобы проводить диагностику или терапию. Более того, мы можем пропустить не только видимый или инфракрасный свет, но и терагерцевое излучение. Оно еще более длинноволновое, чем инфракрасное, но вода его очень сильно поглощает. Если на время убрать воду и сделать ткань более плотной, глубина проникновения увеличится примерно вдвое. А это открывает возможности для диагностики и терапии.

Если говорить об условном «человеке-невидимке», то живого человека лучше просветлять по частям, именно в той области тела или органа, где это реально необходимо и хорошо вписывается в традиционные медицинские тесты.

Хорошо известен, например, пероральный глюкозотолерантный тест, когда пациент потребляет 75 г глюкозы единовременно, через 10–15 мин все его органы становятся немного прозрачнее, чего может быть достаточно, чтобы зарегистрировать флуоресценцию от раковой клетки, которую раньше нельзя было увидеть. Пищевой глицерин при концентрации 30% прописывают принимать внутрь для снижения внутричерепного или внутриглазного давления. Одновременно он также сделает более прозрачными все внутренние органы.

— Давайте поговорим о вашей работе над книгами. Один из ваших учеников рассказал мне, что по вашим учебникам биофотонику изучает весь мир! Это правда?

— Возможно, с моей стороны будет нескромно согласиться, но это действительно так. А началось все с того, что в свое время меня пригласили читать курс лекций на конференции SPIE Photonics West в США. Я занимался этим более десяти лет (с 1996 по 2009 г.). Моими слушателями были инженеры, медики и научные сотрудники со всего мира, в том числе ведущие специалисты в области биофотоники. Однажды они спросили меня: «Валерий Викторович, а почему бы вам не написать книгу?» Так в 2000 г. вышел мой учебник по оптике биологических тканей Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis (SPIE Tutorial Texts in Optical Engineering Vol. TT38) Второе издание этого учебника вышло в 2007 г. уже в виде объемной монографии, а третье, существенно переработанное и дополненное, — в 2015 г. Оно и стало основным моим учебником, который был переведен на русский язык и появился на три года раньше третьего английского издания «Оптика биологических тканей» (Тучин В.В. Оптика биологических тканей: методы рассеяния света в медицинской диагностике / пер. с англ. В.Л. Дербова; под ред. В.В. Тучина, М.: Физматлит, 2012). На него ссылались более 3 тыс. раз, а количество его загрузок из интернета гораздо больше, и не сосчитать. По нему учатся в университетах по всему миру. Позже мы издали словарь терминов по биофотонике на 600 страниц, затем — двухтомник по оптической диагностике на русском, а недавно — трехтомник «Биофотоника» с сотнями авторов со всего мира и фундаментальный труд ведущих научных групп мира по оптическому просветлению биологических тканей. Сейчас готовим книгу по фотодинамической терапии с коллегами из стран БРИКС.

— Валерий Викторович, о чем вы мечтаете? Что еще предстоит сделать в вашей области?

— Я не хочу покидать поле оптического просветления — далеко не все сделано. Меня увлекают и другие темы: например, печать органов с помощью лазеров (аддитивные технологии) или исследование рака на сфероидах — клеточных моделях опухоли. Мы изучаем, как осмотическое давление просветляющих агентов влияет на рост клеток: агенты сжимают ткань, клетки растут, разжимаются, эти две волны давления взаимодействуют, и мы можем управлять ростом опухоли механически, не только убивая ее светом. Еще одно перспективное направление — имплантаты. Наши просветляющие агенты — это, по сути, криогенные жидкости для хранения имплантатов. Пока имплантат в криостате, он прозрачен, и оптическими методами можно оценить, насколько хорошо он приживется.

И самое главное, что мне хотелось бы отметить, — оптические технологии стоят дешево. Наша задача — вписать их в уже существующие дорогие методы (МРТ, КТ, ультразвук), чтобы получать новые дополнительные данные.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ