Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ИМ. А.В. РЖАНОВА
Сибирского отделения Российской академии наук
НОВОСТИ
08.08.16
Новосибирские физики помогают биологам диагностировать раковые заболевания

Учёные из сектора оптических методов исследования наноструктурированных материалов Аналитико-технологического инновационного центра (АТИЦ) «Высокие технологии и новые материалы» НГУ, Института физики полупроводников (ИФП) СО РАН, Института цитологии и генетики (ИЦиГ) СО РАН и НИИ терапии и профилактической медицины работают над методикой диагностирования раковых заболеваний с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света. На данный момент идёт набор статистики, но уже понятно, что методика идеально подходит для разработки и внедрения системы экспресс-анализа рака.

Методика, разрабатываемая новосибирскими физиками, биологами и врачами, основана на исследовании спектров комбинационного рассеяния света в плазме крови, растворе гемоглобина. Учёные с помощью этого метода выяснили, что плазма крови здоровых людей и людей, больных раком, а также пациентов с диффузной патологией печени, различается по уровню содержания некоторых белков, каротинов (предшественников витамина А), которые дают соответствующие пики в спектрах комбинационного рассеяния света. Сейчас исследователи ведут набор материала для того, чтобы «закрепить» метод.

Комбинационное, неупругое, или рамановское рассеяние света — рассеяние света в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся изменением его частоты. Было открыто в 1928 году советскими физиками Ландсбергом и Мандельштамом при исследовании рассеяния света в кристаллах и одновременно Раманом и Кришнаном при исследовании того же явления в жидкостях. В зарубежной литературе неупругое рассеяние света обычно называется эффектом Рамана (рамановским).

Заведующий сектором оптических методов исследования наноструктурированных материалов АТИЦ НГУ, старший научный сотрудник ИФП СО РАН, доцент кафедры общей физики НГУ Владимир Володин, рассказывает, в чем заключается суть эффекта комбинационного рассеяния света:

— Обычно квант света (фотон) при взаимодействии с твердым телом, жидкостью или газом испытывает упругое (рэлеевское) рассеяние. Солнечные лучи отражаются от зеркала — они меняют свое направление, но при этом частицы света (фотоны) не меняют свою энергию: красный свет остается красным, синий — синим. Либо свет просто поглощается, что, в конечном счете, приводит к нагреву объекта. Комбинационное или неупругое рассеяние — это когда фотон не поглощается, и не просто упруго отражается, а частично теряет (стоксов процесс), либо приобретает (антистоксов процесс) энергию. Есть маленькая, но ненулевая, вероятность, что фотон может родить или поглотить другую частицу в твердом теле — например фонон, квант колебания решетки твердого тела либо квант колебания отдельной молекулы. И уже после этого рассеяться, полететь в другую сторону, но с другой частотой, а значит, с другой энергией.

Установка спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) позволяет наблюдать спектральные линии, положение которых определяется молекулярным строением вещества. С тех пор, как появились мощные лазеры и чувствительные детекторы света, которые могут регистрировать единичные фотоны, явление неупругого рассеяния света превратилось в универсальную методику исследования вещества. Такая спектроскопия применяется и в физике полупроводников, и в физике конденсированного состояния, и в химии, и в геологии. Например, каждый минерал обладает своим спектром комбинационного рассеяния света, так же как человек — индивидуальным рисунком отпечатков пальцев. Эта методика приносит пользу и медицине: с ее помощью можно анализировать состав биологических объектов, в том числе жидкостей.

К физикам из сектора оптических методов исследования наноструктурированных материалов АТИЦ НГУ обратились специалисты из ИЦиГ с задачей исследовать на установке спектроскопии плазму крови. Тогда учёные обратили внимание на то, что спектр комбинационного рассеяния света в плазме крови здоровых людей и тех, кто болен раком, различаются — у больных раком отсутствуют, либо наблюдаются очень слабые «пики» от некоторых белков и каротинов.

На сегодняшний день проанализировано уже более пятидесяти образцов плазмы крови больных колоректальным раком в сравнении с образцами плазмы здоровых доноров крови.

Исследования выполняются совместно НГУ, ИФП СО РАН, ИЦиГ СО РАН и НИИ терапии и профилактической медицины. По словам научного сотрудника ИФП СО РАН Владимира Кручинина, который также работает над проектом, данная методика диагностирования раковых заболеваний имеет ряд преимуществ:

— Во-первых, это малоинвазивный метод, неразрушающий, не требующий каких-либо вмешательств, кроме забора крови. Во-вторых, для анализа необходимо очень малое количество плазмы, а сама диагностика длится не более двух-трех минут.

Владимир Кручинин подчеркивает, что физики работают именно над методом экспресс-анализа, который покажет, есть ли в организме обширный воспалительный процесс. После проведения первичного скрининга для определения типа рака пациентам обязательно надо будет делать биохимический анализ.

Метод рамановской спектроскопии также используется и в других областях медицины — для исследования резистентной артериальной гипертензии путем анализа растворов гемоглобина:

— Мы нашли отличия у пациентов с резистентной артериальной гипертензией (у которых при лечении не удается снизить артериальное давление) от здоровых и больных с контролируемой артериальной гипертензией. Смысл найденных различий в том, что при резистентной артериальной гипертензии резко снижен уровень соединения гемоглобина с оксидом азота. А оксид азота при отделении от гемоглобина позволяет расширяться сосудам, что обеспечивает снижение артериального давления. Таким образом, появляется новая «цель» при лечении резистентной артериальной гипертензии, — отмечает ведущий научный сотрудник лаборатории гастроэнтерологии НИИ терапии и профилактической медицины, д.м.н. Маргарита Кручинина.

Внедрение метода диагностики рака с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света требует проектирования и разработки подходящих портативных приборов — ведь обычно установки для научных исследований, одна из которых находится в НГУ, слишком массивны, дорогостоящи и требуют квалифицированного обслуживания. Но наработки для производства более простых и недорогих спектрометров есть, в том числе и у новосибирских компаний. Одна из них («Симекс») давно производит компактные Фурье-спектрометры (прим. — оптические приборы для количественного и качественного анализа содержания веществ в газовой пробе) для исследования инфракрасного поглощения, и эти наработки можно использовать для создания компактного Фурье-КРС-спектрометра, другая («ВМК-Оптоэлектроника») уже делает компактные дифракционные спектрометры.

Если российским разработчикам удастся сделать компактный и недорогой спектрометр, тогда экспресс-анализ рака вполне можно будет сделать в районной поликлинике.





Анастасия Аникина, www.nsu.ru