Оптофотоника (биофотоника) в онкологии
Хотя рак считается довольно неплохо изученным убийцей, однако накопленных знаний пока недостаточно для победы на ним. Большие перспективы для ранней диагностики и лечения рака сегодня открываются благодаря инновациям в области оптики и фотоники. Например, наноконструкции на основе золота способны селективно инфильтрировать злокачественные клетки и подсвечивают пораженные ткани с помощью различных модальностей визуализации, таких как оптическая молекулярная визуализация (optical molecular imaging). Некоторые наночастицы обеспечивают фототермический эффект не только для выявления, но и для уничтожения раковых клеток. Для этого используются такие методы, как квартово-каскадный лазерной абсорбционной спектроскопии (quantum-cascade laser-based absorption spectroscopy). Данные метод способен обеспечить засветку ткани мощными спектром достаточной плотности, чтобы распознать различные формы рака или предраковых состояний, так как объективность спектроскопии выше субъективности при осмотре даже опытным врачом.
На клеточном уровне
С этого года в США на коммерческой основе для исследовательских целей стала доступна платформа Cell-CT от компании VisionGate (Seattle, WA), которая может анализировать любую биологическую жидкость тела (слюну, мокроту, слезу, мочу, крови) на клеточный состав с реконструкцией трехмерной (3-D) внутренней структуры клеток на основе протравки плотности поглощения, маркерной окраски, а также одновременной опциональной флуоресценции или какого-либо варианта контрастной микроскопии. Клетки инъецируются через микрокапиллярную трубочку, которая ротирована для обеспечения развертки изображения на 360°. Трехмерная визуализация окрашенных (гематоксилин) клеточных и других абсорбирующих структур (цитоплазма, нуклеоплазма и нуклеолы) внутри клеток на субмикронном разрешении предоставляет техническую возможность томографической реконструкции с помощью инновационной технологии VisionGate по принципу псевдо-проекции.
Для сборки псевдо-проекционных изображений используется стандартный микроскоп Olympus IX71, оснащенного объективом с иммерсионной числовой апертурой 100X 1.3, соединенного объективом Piezosystem Jena с моторизированным Z-сканом и 2-х мегапиксельной камерой Prosilica GE1650 CCD. Подсветка осуществляется 50-ти нанометровым источником света в зеленом спектре, который усиливает контраст специфически окрашенных клеточных и субклеточных структур. Камера, ротационный механизм и сканирующие линзы синхронизированы для сбора до 500 псевдо-проекционных изображений на каждую клетку с ротацией на 360° и частотой 5 кадров в секунду (fps, frames per second). Система Cell-CT с 3-D реконструкцией позволяет врачам возможность обнаруживать и дифференцировать от здоровых клетки рака у пациентов высокого риска на ранней стадии, а также оценить структурные особенности раковых клеток. В одном недавнем эксперименте Cell-CT обнаружил клетки плоскоклеточного ороговевающего рака в 75% образов мокроты у пациентов с раком легких.
Сегодня методы тканей и клеточной прикладной оптофотоники представлены большим арсеналом методик: лазерной резонансной, рамановской спектроскопии.
В каких областях онкологии сегодня используется биофотоника?
- раннее обнаружение рака
- повышение информативности биопсий
- уточнение стадии и границ рака до операции
- обнаружение остаточных очагов опухоли после лечения
- обнаружение и мониторинг рецидива опухоли
Направление in vivo
Технологии in vitro (в пробирке) занимаются анализом образцов, полученных из тела и чаще всего обнаруживают злокачественные опухоли на поздних или осложненных стадиях, при наличии системной метастатической диссеминации. Следующим логическим шагом является попытка диагностики рака in vivo (в теле) с использованием оптического фиброскопа и эндоскопических микросенсоров. Еще в 2009 году ученые Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems (IPMS; Dresden, Germany) разработали эндоскопический сенсор, который ускоряет обнаружение опухоли. Устройство представляет собой микроэлектромеахническую систему (MEMS, microelectromechanical system) c микроскопом внутри, 8 мм в диаметре, который может обнаружить клетки размером от 30 до 50 мкм в диаметре. Система эндомикроскопии доставляет лазерный луч 532 нм мощностью 20мВатт через одномодовое оптическое волокно к зеркалу MEMS на его острие. Лазерный луч преломляется в тканях и отраженные потоки собираются для создания изображения и последующей его интерпретации опытного эксперта о наличии или отсутствия раковых клеток в объекте исследования. Размер устройства позволяет успешно использовать его в диагностике карцином желудка и верхних дыхательных путей.
Поглощение видимого или близкого к инфракрасному (NIR, near infra-red) спектру света гемоглобином или другими натуральными хромофорами создает возможность для оптической томографии выяснять степень оксигенации тканей, гемодинамики, метаболизма. Дискриминация между тканям основана на их особенностях оптического рассеивания. Пространственные карты специфики тканевых оптических поглощений и рассеивания создаются и совершенствуются на базе алгоритмов реконструкции нелинейных изображений.
Направление in vivo
Другим очень объективным методом диагностики рака и последующей адресной доставки различных агентов является применение наночастиц, красителей и хромофоров, которые проникают или прилипают к клеткам рака и «подсвечивают» их.
В мире современных нанотехнологий прорывные исследования напоминают взрывную волну, достаточно открыть профильный сайт www.nano.cancer.gov. Чего там только нет – и натотрубочки, и липосомы, и другие наноконструкции. Например, привлекает внимание многоцветные квантовые точки (QDs, multicolored quantum dots), конъюгированные с антителами для молекулярного или клеточного картирования клеточной гетерогенности образцов рака предстательной железы. Наноконструкции QDs всего 4–8 нм в диаметре, флуоресцирующий в длине волны между 500 и 700 нм были обнаружены в биопсиях карцином с помощью спектрального микроскопа Nuance (CRi, Cambridge Research & Instrumentation, США). Технология настолько точная, что стало возможным продемонстрировать как рак разрастается из одной злокачественной клетки на границе люминального и базального слоев предстательной железы.
На рисунке с помощью спектрального микроскопа видно, как антитела с QDs высвечивают (синим цветом) клетку рака, в то время как остальные клетки вполне здоровы (белый, зеленый, красный цвет).
Так, компанией ART Photonics (Германия) https://artphotonics.com/ разрабатываются большой арсенал микрооптических зондов, использующих различные методы оптической (прямой, отраженной, рамановской, флуоресцентной, мультиканальной) спектрометрии.
Обсуждается возможность в будущем «оптической биопсии», точность и доступность которой непрерывно совершенствуется. Но нам кажется, что мультимодальный принцип является приоритетным вектором развития в биомедицине в целом, и в тераностике, в частности.