Cаратовскими учёными успешно протестирована технология ранней экспресс-диагностики крови, при которой методы лечения онкологических заболеваний наиболее эффективны.
МУЛЬТИДИСЦИПЛИНАРНАЯ КОМАНДА
Экспериментальный образец многофункциональной диагностической тест-системы на базе платформы спектральной микроскопии, созданный молодыми учёными Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского, может позволить обнаруживать опухолевые клетки на самой ранней стадии заболевания. Все дело в «магическом», «волшебном» или просто инновационном просветлении крови. Исследования проводятся в Лаборатории биомедицинской фотоакустики СГУ на средства Министерства науки и высшего образования РФ в рамках национального проекта «Наука».
Известно, что большинство летальных исходов (до 90%) обусловлено распространением онкологических клеток из первичной опухоли через кровеносную систему в различные органы, где они формируют вторичные опухоли, называемые метастазами. Ученые показали, что методы спектроскопии в сочетании с оптическим просветлением позволяют «видеть» редкие патологические клетки, в частности клетки меланомы, в цельной крови, без её продолжительной подготовки, которая обычно требуется в традиционных методах. Для стандартизации и повышения точности жидкостной биопсии были разработаны уникальные фантомы клеток крови, позволяющие осуществлять калибровку диагностического оборудования в 
режиме реального времени. Разработанные методики могут также применяться для ранней диагностики других заболеваний, включающих образование тромбов, ведущих к инсультам.
Научные сотрудники лаборатории занимаются развитием прорывного подхода к ранней диагностике и лечению онкологических заболеваний с 2018 года. Над проектом работает молодая, «мультидисциплинарная», как они сами себя называют, команда – более 30 человек, среди которых 7 докторов и 12 кандидатов наук, 4 медицинских работника, аспиранты. В лаборатории объединены около пяти основных направлений, над которыми работают физики, инженеры, биологи, химики, медики. Средний возраст исследователей – 30 лет. Исследования, рассчитанные на три года, были продлены ещё на два года по решению комиссии в рамках проекта «Наука». Учитывались актуальность разработки, весомые научные публикации и успешная экспериментальная демонстрация различных подходов к решению важных медицинских проблем. Целью проекта является борьба с раковыми метастазами с помощью лазерных технологий, интегрированных с инновационным просветлением биотканей и, особенно, крови.
ПРОРЫВНЫЕ ИДЕИ ПРОСВЕТЛЕНИЯ БИОТКАНЕЙ
Предложенная коллективом уникальная интеграция оптических методов позволяет обнаруживать различные патологические образования в тканях и крови, включая микрометастазы, а в перспективе – тромбы и возбудители инфекционных болезней.
Эти прорывные идеи возникли не на пустом месте. Основой стали многолетние исследования учёных СГУ, в том числе члена-корреспондента РАН, доктора физико-математических наук, профессора Валерия Викторовича Тучина в содружестве с другим известным российским учёным Владимиром Павловичем Жаровым, который в настоящее время является профессором Арканзасского университета медицинских наук в США. Ещё в 2006 году они опубликовали совместную пионерскую работу, в которой одними из первых продемонстрировали интеграцию методов флуоресцентной и фотоакустической спектроскопии с оптическим просветлением биотканей. В настоящее время профессор Тучин является научным руководителем созданного в СГУ Научного медицинского центра, в который входит данная лаборатория.
Заведующий лабораторией, доцент кафедры инноватики Института физики Даниил Браташов, занимающийся технической стороной проекта, совместно с коллективом молодых инженеров (оптиков, специалистов по электронике и анализу сигналов) занимается разработкой уникальных подходов для биомедицинской диагностики. Установки на основе лазеров со спектральным сканированием создаются практически с нуля молодыми сотрудниками лаборатории, которые ещё вчера были аспирантами.
Чем же отличаются эти приборы от широко применяемых в медицине микроскопов и цитометров – приборов, позволяющих увидеть отдельные раковые клетки на стекле или в потоке крови? Учёным СГУ удалось создать приборы, которые не только позволяют диагностировать цельную кровь пациента (взятую путём стандартного забора из вены) без дополнительной обработки в движущихся потоках крови в трубочках, но также в перспективе измерять её непосредственно в кровеносных сосудах, расположенных у поверхности кожи. Для этого используются методы спектральной микроскопии и цитометрии как с обычными оптическими источниками, так и с лазерными. Ранние исследования крови, проводимые группой под руководством Полины Дьяченко, молодого учёного из группы В.В. Тучина, были направлены на поиск и изучение свойств меланомных клеток в этой крови.
ЛАЗЕР В МИРНЫХ ЦЕЛЯХ
Как пояснили разработчики нового метода, при работе с человеком надо найти крупные сосуды, которые выходят достаточно близко к поверхности кожи, чтобы лазерный свет мог дойти до них. Взаимодействие света с маркерами различных заболеваний приводит к различным физическим эффектам, включая рассеяние, флуоресценцию и нагрев. В частности, когда исследуемый объект нагревается, он расширяется, что порождает звук. Если мы будем использовать лазер для резки металла, объект может буквально пищать, что слышно иногда даже невооруженным ухом. Если мы работаем с человеком, настолько большую мощность использовать, конечно же, нельзя, этот звук нужно услышать с помощью чувствительных микрофонов. Такие менее мощные лазеры уже используются в медицине и смежных отраслях, например в косметологии для удаления пигментных пятен или обесцвечивания татуировок.
«Один из вариантов такого лазера используется и в наших установках, – рассказывает Даниил Браташов. – Нам надо выбрать ту область биоткани, где находится интересующий нас объект, например опухолевые клетки, которые по размерам составляют сотую долю миллиметра. Поскольку свет сильно рассеивается биотканью, он уходит от того направления, куда мы хотим его направить или собрать, в разные стороны, из-за этого нам трудно обнаружить слабый сигнал от нужного 
маркера из относительно большой области, которую освещает лазер в глубине ткани. Для уменьшения фоновой засветки мы и применяем инновационные методы оптического просветления, позволяющие уменьшить доли нежелательного рассеяния. Отмечу, что рассеяние собственно от маркера может быть использовано и в «мирных» целях, то есть для диагностики. В принципе, под воздействием лазера сигналы создаются во многих здоровых клетках, и в области засветки их несколько тысяч, задачей является идентификация только патологических образований, например, опухолевых клеток, по их специфическим оптическим и динамическим свойствам.
В образцах биотканей или в крови эти клетки тоже могут присутствовать, но их иногда мало, особенно на ранней стадии заболевания. Они остаются настолько редкими, что при стандартном заборе образцов тканей или крови их можно пропустить. Мы надеемся, что медики, которые будут пользоваться нашим подходом и методом просветления крови, не пропустят ракового пациента. Для этого мы разрабатываем новые технологии измерения, записи и анализа больших объёмов сигнала.
Мы работаем с агрессивными видами рака, когда опухоль может развиться за полгода и стать неоперабельной. Чисто технически нам проще всего работать с рядом хорошо пигментированных типов опухолей, в частности с меланомой. Это заболевание на стадии массивного метастазирования лечить очень сложно, а иногда, к сожалению, уже и поздно».
Учёные надеются, что с помощью этих подходов можно не только диагностировать опухолевые клетки, но и наблюдать сам процесс лечения: стало меньше клеток, значит, назначаемый препарат работает. А главное, помимо того, что исследователи учатся видеть эти клетки, они задались целью также их возможного уничтожения. Если пошла стадия рассеивания клеток по организму, то есть стадия метастазирования, желательно остановить этот процесс до того, как они где-то осядут и начнут давать вторичную опухоль. Здесь приходит на помощь другой подход. Бывали случаи, когда клетка, попадая в луч лазера, перегревается и разрывается на части. Это называется лазерной абляцией. Таким образом, в зависимости от мощности лазера можно либо увидеть плохую клетку, либо убить ее. Учёные нацелены создать единую платформу не только для обнаружения, но и для уничтожения опухолевых клеток.
ПИЛОТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Руководитель Лаборатории биомедицинской фотоакустики кандидат наук Ольга Иноземцева прекрасно понимает, что период апробации любого медицинского прибора – до того как он реально начинает помогать пациентам на практике – примерно 10 лет.
«Наши клеточные исследования мы проводим в лаборатории, которую создали сами, – рассказывает Ольга Александровна. – Первый год строили лабораторию именно под этот проект. Ко второму году мы уже собрали установку и начали исследования. Любая исследовательская установка должна пройти очень сложную стадию проверок. Сначала – доклинические испытания, когда её тестируют на фантомах (искусственных объектах, похожих по своим физическим свойствам на живые), затем на клеточных культурах, затем на лабораторных животных. Мы «гоняли» в трубочке клеточки меланомы мыши, потом мышкам прививали опухоль и смотрели, как она развивается, на какой стадии мы начинаем видеть клетки.
Регуляторика, связанная с допуском пациентов к эксперименту, в России является одной из самых строгих и сложных. И это правильно. После того как мы получили разрешение Совета по этике на исследования со здоровыми людьми – участниками проекта – как контрольной группы, они тут же нашлись. Многие из нас, участвуя в таких исследованиях, теперь знают, что здоровы. Так что пилотные испытания новых методов оптической диагностики в сочетании с оптическим просветлением биологических тканей на добровольцах прошли успешно.
Радует тот факт, что в СГУ есть возможность проводить полный цикл подобных исследований – работать с культуральными клетками и животными, для чего были проведены работы по улучшению вивария. Мы также работаем в тандеме с другими лабораториями СГУ, в нашем случае это «Дистанционно управляемые системы для тераностики».
Текст: Тамара Корнева
Фото: Геннадий Савкин
