Татьяна Савельева: «Мы соединяем оптоволокно с хирургическими инструментами»

Вот уже много лет в МИФИ идут научно-исследовательские работы, связанные с применением оптоволоконных лазерных технологий в медицинских целях. Сегодня уже почти рутинной медицинской практикой стало использование оптоволоконных зондов для того, чтобы доставлять лазерное излучение через инструментальный канал к каким-то внутренним органам человека. О развитии этих технологий мы беседуем с доцентом кафедры № 87 лазерных микро-, нано- и биотехнологий , н.с. лаборатории бионанофотоники ИФИБ НИЯУ МИФИ, с.н.с. лаборатории лазерной биоспектроскопии ИОФ РАН Татьяной Савельевой.

Интервью взято для рубрики «Голос науки».

Какие исследования вы сейчас проводите?

Сейчас довольно большой пул наших исследований в рамках Госзадания в НИЯУ МИФИ связан с применением анализа оксигенации гемоглобина в той зоне, где происходит сшивание тканей после операции, для того, чтобы предсказать риск несостоятельности хирургического шва. Особенно это важно, например, когда при лечении рака кишечника вырезают кусок ткани и края сшивают. Естественно, если шов разойдется после операции, это приведет к очень тяжелым осложнениям. При этом мы используем оптоволоконные технологии как для регистрации спектров рассеянного тканями света через оптоволокно, введенное в инструментальный канал эндоскопа, так и для доставки излучения внутрь просвета кишечника для того, чтобы оценивать насыщение крови кислородом по всей толщине стенки органа в данной зоне. Научные исследования, в том числе наши, показали, что уровень оксигенации в районе шва высоко коррелирует с риском несостоятельности анастомоза.

Применяются ли такие технологии для других задач?

Да. конечно. Одним из интересных результатов сопряжения спектроскопических методов исследования тканей с хирургическими инструментами является метод интраоперационной спектроскопической навигации, разработанный в рамках многолетнего сотрудничества ИОФ РАН (на базе лаборатории лазерной биоспектроскопии которого была основана кафедра № 87 НИЯУ МИФИ) с НМИЦ нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко. Мы с ними вместе решали разные задачи, в основном по флуоресцентной навигации во время операции: у диффузно-растущих глиальных опухолей сложно найти края, тут помогает подсвечивание флуорофорами, которые накапливаются селективно в опухолевых клетках. Но некоторые опухоли не накапливают флуоресцентный маркер, тогда мы добавляем другие спектральные методы для того, чтобы анализировать, где опухолевые клетки, а где нормальные. При операциях на мозге это особенно важно, в мозге нет ничего лишнего, любая здоровая часть мозга совершенно точно пригодится человеку. Поэтому очень важно дифференцировать ткани мозга, и для этого мы используем также спектроскопию диффузного отражения и спектроскопию комбинационного рассеяния.

Соединяете спектрометр со скальпелем хирурга?

Мозг по своей консистенции мягкий и в нейрохирургии часто используют не скальпели, а аспираторы, вроде тех, которые используются в стоматологии. Аспиратор «высасывает» опухоль, а мы предлагаем способ контролировать этот процесс с помощью измерения уровня флуоресценции ткани. И удобнее просто вставить оптоволокно в специально разработанный наконечник нейрохирургического аспиратора, чтобы он давал обратную связь, какая ткань под ним – опухоль или норма.

Таким образом, на хирургическом инструменте будет некий датчик, который будет оценивать параметры мозга и корректировать работу хирурга?

Да, пока у нас там звуковая сигнализация, а в перспективе аспиратор будет просто отключаться, когда встретит здоровую ткань.

Подведение лазерного излучения к внутренним органам человека позволяет проводить только диагностику?

Не только диагностику, но и терапию. Наша кафедра, как я уже упомянула, является базовой, что позволяет студентам вести НИР в реальных условиях — на базе лаборатории лазерной биоспектроскопии ИОФ РАН под руководством Виктора Борисовича Лощенова. Метод, который активно развивается в нашей лаборатории — фотодинамическая терапия. Если упрощать, то он основан на взаимодействии трех основных компонентов. Во-первых, лазерное излучение. Во-вторых, специальный молекулярный агент, или наночастицы, который повышает чувствительность биологических тканей к лазерному свету, этот агент называется фотосенсибилизатором. И, в третьих – кислород.

Между ними возникает взаимодействие?

Да. Фотосенсибилизатор возбуждается лазерным излучением и передает эту энергию молекулам кислорода. Они в основном состоянии триплетные, а в возбужденном - синглетные. Синглетный кислород очень токсичен, но у него короткое время жизни, и он оказывает локальное воздействие: там, где накопился фотосенсибилизатор и передал возбуждение кислороду, в небольшом объеме происходит нарушение механизмов жизнедеятельности клеток, приводящее к их разрушению. Одна из моих текущих исследовательских работ как раз и связана с планированием этого фотодинамического воздействия.

Автоматизация требует компьютерной обработки данных?

Да, легко измерять оптические свойства тканей в лабораторных условиях, но трансляция этой технологии в клинику, в неудобные условия измерения, требует, так скажем, алгоритмических фокусов для того, чтобы в таких условиях все-таки определять оптические свойства и рассчитывать поглощенную дозу лазерного излучения.

А задача системы контроля заключается в том, чтобы быть «предохранителем» и вовремя выключить лазер?

Скорее, чтобы показывать где нужно продолжить облучение, если там поглощенная доза оказалась слишком мала для достижения терапевтического эффекта.

Этот метод применяют на практике?

За прошедшие лет 30 он уже для многих нозологий нашел практическое применение. Однако, очень многие медики при применении методов фотодинамической терапии не используют методы контроля этой процедуры. А там есть, что контролировать. У нас три компонента — лазер, фотосенсибилизатор и кислород. Но может случиться так, что кислород закончился и мы зря продолжаем освещение, может быть так, что фотосенсибилизатор выгорел и тоже мы зря светим. Все это мы можем учитывать во время процедуры и сейчас в рамках гранта РНФ в ИОФ РАН мы занимаемся разработкой системы автоматического планирования и контроля ФДТ.

Во-первых, нужно рассчитывать поглощенную дозу света фотосенсибилизаторами. Для этого мы должны определить, сколько препарата находится в тканях, а также оценить оптические свойства тканей, то есть их способность поглощать и рассеивать свет. Этим мы и занимаемся, разрабатываем методы, которые могут определять эти оптические свойства прямо во время операции, конкретно для данного пациента и именно в точке воздействия. Ну и контроль оксигенации гемоглобина тоже очень важен, это один из основных компонентов фотодинамической терапии, и мы должны точно знать, что в том месте, куда мы светим, есть кислород.  Определяем мы это с помощью спектроскопии, и тем самым делаем шаг к автоматизации всей процедуры. Врачи чаще всего не используют такие методы контроля именно потому, что они сложные, но если мы это автоматизируем, доведем до того, что останется буквально нажать кнопку, то эти методы контроля также войдут в клиническую практику.

Измерение флуоресценции тканей мозга требует фотосенсибилизаторов?

В целом требует. Хотя опухоли и так проявляют повышенную аутофлуоресценцию за счет тех же порфиринов. Но если ввести еще метаболический предшественник порфирина, то контраст между опухолью и нормой будет гораздо выше. Поэтому, например, в нейрохирургии часто используют 5-аминолевулиновую кислоту (метаболический предшественник протопорфирина IX), также очень популярны хлориновые фотосенсибилизаторы, а одним из наиболее интересных направлений является разработка наносистем для фототераностики, но об этом уже лучше расскажут мои коллеги.

А вот когда мы используем спектроскопию комбинационного рассеяния, то введение специальных веществ в организм не требуется, но спектр мы получаем очень сложный, с большим количеством пиков. Поэтому мы сейчас перешли к использованию методов машинного обучения для дифференциации тканей по таким спектрам.

На какой стадии находятся ваши исследования?

По-разному. Аспиратор с флуоресцентным контролем уже использовался in vivo, но мы его пока еще не ввели в широкую клиническую практику, потому что с сертификацией еще много работы. Спектроскопию на основе  комбинационного рассеяния мы уже предоставили для использования в лаборатории криоконсервации НМИЦ нейрохирургии имени ак. Н.Н. Бурденко, это технология измерений на свежих образцах, ex vivo, не внутри пациента. Система контроля состоятельности хирургических швов по оксигенации ткани уже четвертый год используется во время операций в Университетской клинической больнице № 1 Клинического центра ПМГМУ под руководством проф. В.В. Левкина и проф. С.С. Харнаса.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ