Что происходит с фотоном, когда он сталкивается с человеком? Что необычного умеют делать диатомовые водоросли и как свет и звук помогают диагностировать заболевания? Группа ученых под руководством профессора Сколтеха Дмитрия Александровича Горина занимается изучением света и его применением в медицине и биологии. В интервью корреспонденту «Научной России» химик рассказал о трендах в биофотонике, передовых исследованиях и главных задачах, которые предстоит решить в ближайшие годы.
Справка: Дмитрий Александрович Горин — доктор химических наук, руководитель лаборатории биофотоники Центра фотоники и фотонных технологий Сколковского института науки и технологий, профессор, руководитель гранта РНФ «Оптические методы для мониторинга роста диатомовых водорослей и их активности в связывании диоксида углерода», руководитель проекта конкурсной программы «Клевер» «Фотоактивируемые нанокомпозитные системы для малоинвазивной терапии глиобластомы под контролем магнитно-резонансной томографии».
— В одном из своих выступлений вы говорили, что для изучения космоса существует гораздо больше инструментов, чем для исследования человеческого организма. С чем это связано?
— В силу определенных исторических событий такой тренд действительно существовал, но сейчас он меняется: люди хотят жить дольше и жить качественно, поэтому в последние годы очень большое внимание уделяется разработке методов, которые помогают диагностировать заболевания как можно раньше и лечить их эффективнее. Такая тенденция наблюдается во всем мире.
— То есть науки о жизни становятся не менее популярными, чем изучение космоса?
— Да. Дело в том, что в середине XX в., когда бурно развивалась космическая отрасль, перед учеными стояла задача создать ядерное оружие и средства его доставки, и космическая программа, по сути, была конверсией военных программ. Сейчас реалии изменились, а вместе с ними и приоритеты научных исследований. Разумеется, интерес к исследованию космоса никуда не исчез, и сегодня мы видим много интересных программ в этой области. Так, например, прямо сейчас на МКС российские космонавты проводят исследования микроциркуляции крови и окислительного метаболизма биотканей в условиях космического полета с помощью носимых оптических анализаторов российского производства. Этот эксперимент — результат сотрудничества ученых НТЦ биомедицинской фотоники ОГУ им. И.С. Тургенева (руководитель А.В. Дунаев) совместно с Центром подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина и Институтом медико-биологических проблем РАН.
— Человеческий организм сложнее, чем космос?
— Мне кажется, они сопоставимы по сложности. В случае с человеком главная трудность в том, что мы состоим из огромного количества разных клеток. Биологи часто шутят: как мы можем быть свободны, если состоим из клеток?
— Но повезло, что у нас нет твердых клеточных стенок, как у растений…
— Конечно. Сложность еще в том, что все мы очень разные. Взять для примера хотя бы кожу человека. Как известно, она имеет слоистое строение, но вы нигде не найдете точного численного значения толщин этих слоев, потому что даже у одного и того же человека эти показатели различаются. Наверное, из-за этой сложности человеческого организма его так интересно изучать.
— Каждая часть тела человека по-разному реагирует на свет?
— Да. Фотон, попадая в кожу человека, испытывает не менее 100 актов рассеяния до акта поглощения, то есть из-за взаимодействия с нашими клетками он изменяет свое направление. Удивительно, что спустя даже десять таких событий фотон уже может забыть свое первоначальное направление, то есть изменить направление движения на противоположное. Это дает возможность располагать источник излучения и приемник с одной стороны. Биологическая ткань позволяет за счет рассеяния обеспечить путь фотонов от источника к приемнику. Часть фотонов будет поглощаться эндогенными хромофорами нашего организма, например молекулами гема в гемоглобине. Окси- и дезоксигемоглобин по-разному поглощают фотоны с одной и той же энергией, что позволяет измерять насыщение ткани кислородом.
Поскольку при сердечных сокращениях пульсируют кровеносные сосуды, количество поглощенных фотонов будет меняться периодически. Анализируя фотоны с помощью фотоприемника, можно измерять пульс человека.
В умных часах и браслетах для этого используют так называемый метод фотоплетизмографии. А если вы вспомните свои походы к врачу, то наверняка сможете рассказать о специальной прищепке на палец — пульсоксиметре. Он дает информацию о нашем пульсе и насыщении крови кислородом и работает на просвет: с одной стороны прищепки находится источник света, а с другой — приемник. Мы получаем нужную информацию, анализируя фотоны, которые многократно рассеиваются (те самые акты изменения направления) и поглощаются. Это один из множества примеров того, как фотоника реально помогает врачу. Причем все это происходит неинвазивно, то есть без прокалывания кожи на пальце, как мы это делаем в случае измерения глюкозы в крови.
Пульсоксиметры уже давно работают в операционных, контролируя пульс и насыщение крови кислородом пациента во время операции. Я бы даже сказал, что сегодня это тренд — мониторинг параметров, оценивающих наше здоровье в непрерывном режиме.
— Наверное, все идет к тому, что рано или поздно в смартфонах будут работать программы, непрерывно отслеживающие наше состояние?
— Думаю, в идеале так и должно быть. Уже сейчас умные часы и браслеты умеют непрерывно собирать информацию о нашем пульсе, насыщении тканей кислородом и не только. Этот тренд в будущем распространится на другие параметры, которые позволяют характеризовать состояние здоровья человека.
— Какие еще приборы, связанные с использованием света, применяются сегодня в медицине?
— Помимо уже сказанного, я бы отметил офтальмологию и применение лазерных технологий. В этой области медицины без фотоники сегодня невозможно провести ни одно исследование или лечение. Несколько десятилетий назад, буквально на наших глазах, благодаря лазерным технологиям в офтальмологии произошла настоящая революция. И сейчас с помощью оптической когерентной томографии мы можем заглянуть внутрь глаза и оценить состояние хрусталика и сетчатки. Лазерные системы помогают проводить операции, например, по удалению и замене хрусталика и не только.
Очень приятно, что в России разрабатывается собственное наукоемкое медицинское оборудование, связанное с теми технологиями, о которых мы говорим. Так, в МГУ под руководством молодого доктора физико-математических наук Е.А. Ширшина совместно с индустриальным партнером ООО «ВПГ Лазеруан» был создан умный лазер, позволяющий врачу при малоинвазивных операциях прицельно облучать камни в почках, превращая их в пыль и предотвращая воздействие лазера на ткань почки. Примечательно, что от рождения идеи до ее воплощения (получения медицинской регистрации на прибор) прошло всего около двух лет.
За последнее время оптика сделала невозможное. Ранее сдерживающим фактором в этой области был так называемый дифракционный предел, не позволяющий получать разрешение меньше половины длины волны. Но благодаря изобретению флуоресцентной микроскопии высокого разрешения этот предел был преодолен, а авторы научных исследований в этой сфере (Эрик Бетциг, Штефан Хелль и Эрик Мернер. — Примеч. ред.) в 2014 г. получили Нобелевскую премию по химии. Благодаря этой технологии у нас появилась возможность исследовать живые клетки с разрешением в десятки нанометров: так, например, мы можем визуализировать в них тубулиновые микротрубочки диаметром 25 нм, играющие роль «клеточной арматуры».
Еще один интересный пример из области фотонных технологий — конфокальный лазерный микроскоп, без которого нельзя представить современную биологическую лабораторию. Сегодня мы можем не просто визуализировать клетки, но и собирать количественную информацию о них. У нас появилась принципиально новая возможность: измерять проницаемость мембраны клетки.
И если раньше микроскопия использовалась скорее как качественный, а не количественный метод, то теперь мы можем выйти за пределы трех измерений: благодаря конфокальной микроскопии к привычным трем размерностям добавилась еще одна — время.
Это значит, что мы исследуем процессы, происходящие во времени. Кроме того, сюда можно добавить еще одну размерность — длину волны. Это стало возможным благодаря тому, что современные конфокальные микроскопы содержат перестраиваемый лазер. Современные методы фотоники предоставляют нам все больше новых интереснейших возможностей.
Дмитрий Александрович Горин в Сколтехе. Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
— Дифракционный предел, как вы сказали, преодолен. А какие непокоренные вершины остались в биофотонике?
— Есть задача, которую мои коллеги в шутку сравнивают с проблемой создания вечного двигателя (они так и называют ее: perpetuum mobile). Речь идет о неинвазивном измерении уровня глюкозы в крови с необходимой для врачей точностью. Такой инструмент способен помочь очень большому количеству людей, прежде всего страдающим от диабета.
— Такие исследования проводятся?
— Да. Одна из интереснейших работ в этой области была выполнена учеными Мюнхенского технического университета и Мюнхенского центра Гельмгольца, с которыми мы также сотрудничали. Группа исследователей под руководством профессора Василиса Дзиахристоса представила оптоакустическое устройство для измерения концентрации глюкозы в организме. В эксперименте использовались два лазера: один из них позволяет определить, что вы попали туда, куда нужно (то есть в сосуд), а второй отвечает за измерение глюкозы в этом сосуде.
Суть оптоакустического метода в том, что, посылая к объекту импульс света, мы можем заставить его буквально звенеть: испытывая термоупругие деформации, он становится источником ультразвука.
— То есть с помощью света вы генерируете звук и затем анализируете его? В Сколтехе такие оптоакустические эксперименты тоже проводятся?
— Все верно. Представьте фужер из стекла. Когда вы ударяете по нему пальцем, он начинает звенеть. Только в нашем случае вместо пальца используется импульсное лазерное воздействие. Таким образом мы можем заставить звенеть отдельный эритроцит (и не только), при этом температура объекта меняется на очень небольшое значение, порядка сотых одного градуса. Оптоакустический эффект был открыт Александром Беллом в 1880 г., и первые телефоны изначально работали именно на этом принципе. Что касается второго вопроса, то да, в Сколтехе мы тоже проводим такие эксперименты — например, применяем оптоакустический метод для мониторинга технологических процессов.
Так, с помощью оптоакустики мы можем измерить скорость фронта кристаллизации кристаллов льда, которые мы используем, чтобы загнать наночастицы оксидов железа в поры субмикронных частиц. Этот метод называется «индуцированная кристаллизацией адсорбция». Он разработан в нашей лаборатории и используется многими научными группами в России и за рубежом.
На текущий момент вышло более 20 публикаций об исследованиях, в которых этот метод успешно применяется. Среди этих публикаций — статьи в самых высокорейтинговых журналах по данному направлению, например Advanced Materials.
Принцип оптоакустической визуализации. Из презентации Д.А. Горина
— А почему так важно уйти от инвазивности, если мы говорим об измерении уровня глюкозы в крови? Это ведь совсем не опасная процедура.
— Я согласен, эта процедура безопасна, но суть в том, что неинвазивность позволит не просто проводить анализ в какие-то определенные отрезки времени, а мониторить уровень глюкозы непрерывно. Это имеет большое значение для пациентов с диабетом. Исходя из показателей такого мониторинга, человек мог бы регулировать свою физическую нагрузку, прием лекарств и другие виды активности. В идеале эта информация должна отправляться в автоматическом режиме лечащему врачу. Непрерывный сбор таких сведений нужен для прогнозирования рисков возникновения патологий.
Если смотреть в будущее, то на основе этих данных будет приниматься решение о высвобождении из депо в организме ранее введенных туда лекарств; мы могли бы попытаться предотвратить критические ситуации и сохранить качество жизни, а может и саму жизнь человека.
Одним из таких депо может служить волосяной фолликул. Разработкой технологии трансдермальной доставки с использованной этой технологией занимается научная группа под руководством кандидата физико-математических наук Юлии Игоревны Свенской в Саратовском государственном университете.
— Наверное, это во многом и отличает ученого от других людей: даже на небольшом отрезке пути вы сразу смотрите на много шагов вперед.
— Конечно, у ученого должен быть достаточно большой горизонт планирования. Есть тактические задачи, а есть стратегические, и долгосрочное планирование как раз попадает в последнюю категорию. Реальность такова, что ученые больше не работают поодиночке: все реализуется вместе с командой единомышленников. В нашем случае это коллектив лаборатории, где трудятся 30 человек: от студентов до профессоров. Эта работа — длинный марафон, который не заканчивается с уходом из жизни. Мы передаем свои знания последующим поколениям. Здесь вспоминаются слова Л.Н. Толстого: «Часто слышишь, что молодежь говорит: я не хочу жить чужим умом, я сам обдумаю. Зачем же тебе обдумывать обдуманное? Бери готовое и иди дальше. В этом сила человечества». Поэтому очень важно знать, что делают твои коллеги, и взаимодействовать с ними.
Наш объект изучения настолько сложен и специфичен, что мы, по сути, даже не конкурируем друг с другом, а, напротив, помогаем. В России сформирована очень сильная научная школа по биофотонике, причем в ней много молодых специалистов. Она одновременно опытная и молодая и при этом не сконцентрирована только в Москве или Санкт-Петербурге. Есть очень много сильных школ в других городах страны: Нижнем Новгороде, Орле, Самаре, Саратове и др. Российская биофотоника находится на очень высоком уровне в мире.
Один из основателей биофотоники в России, обладатель премии «Вызов» в номинации «Ученый года» за 2024 г. Валерий Викторович Тучин из Саратовского государственного университета посвятил свою научную карьеру биофотонике и считается мировым лидером в области, связанной с просветлением биологической ткани. Я впервые увидел его на дне открытых дверей физического факультета СГУ, и его энтузиазм и интересный рассказ о научном направлении предопределили мой выбор профессионального пути. Валерий Викторович читал мне лекции по оптике и принимал экзамен, а позднее мы вместе работали над несколькими научными проектами, у нас более 30 совместных публикаций. Я очень многому научился у него и продолжаю делать это с большим удовольствием. На протяжении более 20 лет В.В. Тучин и его коллеги организуют международный научный форум в Саратове.
— Сегодня у всех на слуху природоподобные технологии. В природе можно найти аналоги оптоакустики, о которой мы говорили выше? Я сразу вспомнила летучих мышей, которые могут буквально слышать шаги насекомых благодаря эхолокации. Но свет там не задействуется.
— Не могу навскидку вспомнить такие примеры. Может быть, мы еще чего-то не знаем и когда-то откроем этот эффект в природе. Но вопрос интересен с точки зрения рассмотрения биологических объектов в принципе. Дело в том, что мы работаем не только для клиницистов, но и для биологов. Одно из направлений наших исследований связано с диатомовыми водорослями — довольно древними одноклеточными животными, живущими на планете около 130 млн лет. Их скелет из оксида кремния (фрустула) имеет упорядоченную и очень красивую структуру. Фрустула диатомовых водорослей пропускает свет, причем определенного спектрального диапазона. При этом интенсивность света меняется в несколько раз в пространстве между фрустулами.
Существует гипотеза, что хлоропласты — органеллы клеток, отвечающие за фотосинтез, то есть за прием излучения, — могут передвигаться внутри этих створок и искать области либо с более высокой, либо с более низкой интенсивностью света. Более того, они могут еще разворачиваться, например, когда света слишком много. Удивительно, что эта одноклеточная водоросль так специфично реагирует на свет!
Изображения диатомовых водорослей при разной солености, полученные с помощью флуоресцентной время-разрешенной микроскопии. Источник: Дмитрий Горин / Сколтех
В нашей лаборатории с помощью оптических методов мы стараемся понять, как диатомовые водоросли растут и в каком состоянии находятся. Эти организмы, обитающие в прудах, реках, морях и океанах, очень важны с точки зрения выработки кислорода: они дают нашей планете 20% этого газа.
В нашей лаборатории в рамках проекта РНФ был создан биореактор, позволяющий выращивать диатомовые водоросли. Таким образом, с помощью света мы следим за их ростом в лабораторных условиях. Это очень интересная и перспективная технология с точки зрения биотехнологий и экологии.
Ранее вы спрашивали меня о том, насколько сложен человеческий организм, а здесь речь идет о, казалось бы, простой водоросли, но даже о ней мы пока еще многого не знаем. Наш проект по изучению этих существ очень длительный, мы работаем в кооперации с коллегами из России и других стран, и я надеюсь, что в будущем нам удастся получить много новых интересных и полезных с точки зрения практического использования результатов.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
