ЛАУРЕАТ В НОМИНАЦИИ «УЧЁНЫЙ ГОДА»

Биофотоникой называют научно-практическую дисциплину, которая занимается взаимодействием электромагнитного излучения — от ультрафиолета до миллиметровых радиоволн — с биологическими объектами: клетками, тканями и органами. В нее входит огромный набор методов и технологий применения света для диагностики и лечения — от микроскопии до лазерной хирургии.

Доктор физико-математических наук Валерий Тучин много лет работает в самых разных областях биофотоники: биомедицинской оптике, спектроскопии, визуализации и в сфере оптических измерений в медицине и фототерапии. Он, в частности, исследовал взаимодействие оптического и терагерцового излучения с биологическими объектами и разработал когерентно-оптические и спектральные методы диагностики заболеваний и лазерной терапии.

Для изучения структуры, функций, этапов развития и патологических изменений биологических тканей крайне желательно изучать не микроскопические образцы, а получать изображения ткани, органа или даже организма целиком. Однако возможности ультразвука, рентгена или МРТ ограничены, они не позволяют видеть многие мелкие детали, чьи размеры меньше миллиметра. Световой микроскоп позволяет их различать, но он не может заглянуть в глубину непрозрачных тканей. Ученые предложили выход — сделать ткани прозрачными.

Валерий Тучин и его коллеги разработали группу методов оптического просветления тканей. Биологические ткани непрозрачны из-за того, что свет в них преломляется и рассеивается, «наталкиваясь» на микроструктуры, преломляющие свет по-другому — не так, как вода, из которой по большей части состоит ткань.

Идея Тучина состояла в том, чтобы заместить воду в образце ткани на растворы, которые преломляют свет так же, как и эти микроструктуры. Таким образом, проходя границу между раствором и микроструктурой, свет не будет отклоняться и рассеиваться. И это сделает ткань или даже целый орган прозрачным. При правильном подборе просветляющего раствора глубину визуализации можно повысить в десятки и сотни раз, позволяя, например, визуализировать целый мозг крысы или развитие плода экспериментальных животных.

Еще одна область интересов лауреата — ранняя диагностика новообразований кожи. Если у пациента множество родинок или других кожных образований, даже опытный специалист не всегда может заметить признаки перерождения, а брать биопсию в десятке точек сразу невозможно. Тучин с коллегами выяснили, что оптическая когерентная томография в терагерцовом диапазоне с разными длинами волн позволяет уловить различия между здоровой и опухолевой тканью, причем это работает для разных степеней злокачественности. Если задействовать в обработке полученных изображений алгоритмы машинного обучения, можно дополнительно повысить точность диагностики.

Еще один пример — выявление злокачественных клеток прямо в крови. Тучин с соавторами предложили проводить его потоковой цитометрией оптоакустическим методом. Для этого на крупный кровеносный сосуд направляют лазерный источник излучения, безвредный для нормальных тканей. Лазерные импульсы взаимодействуют с пигментом, которого много в раковых клетках, заставляя молекулы пигмента колебаться с определенной частотой. Это колебание рождает ультразвуковые волны, которые можно детектировать, прикладывая к коже чувствительный микрофон.

Эти примеры — лишь малая часть работ Тучина и его сотрудников. Она включает также лазерную спекл-визуализацию микроциркуляции крови и лимфы, лазерную оптопорацию для доставки молекулярных конструктов в клетки, биосенсорику и бионаноплазмонику, изучение диффузии молекул и наночастиц в тканях.

Группа Тучина строит теорию распространения поляризованного света в биологических тканях с учетом подобной кристаллам упаковки волоконных и сферических белковых структур, разрабатывает методы решения обратных задач рассеяния, создает автоматизированные поляризационные измерители и микроскопы. Есть наработки и в области лечения, такие как фотодинамическая и фототермальная терапия опухолей с помощью золотых наночастиц и фотобиомодуляция лимфооттока в мозговых оболочках.