Биофизики ТГУ в кооперации с индийскими и тайваньскими коллегами разработали новые подходы для исследования биологических тканей пациентов с тяжёлыми заболеваниями, такими как сахарный диабет, онкопатологии и другими. В качестве инструмента ученые используют методы нелинейной оптической микроскопии, которая даёт большой объём новых данных об изменениях, происходящих в тканях пациентов. Эти данные помогут создавать эффективные методы лечения и выявлять, например, причины плохого заживления ран. Результаты исследований изложены в высокретийнговом журнале Journal of Applied Physics (Q2), издаваемом Американским институтом физики с 1931 года. Статья выбрана центральной темой номера и размещена на его обложке.
– В диагностике заболеваний, проводимой на основе анализа биотканей, важны два момента: информация о структуре и молекулярном составе, т.е. составе и количестве белков и других веществ, – объясняет один из авторов статьи, заведующий лабораторией биофотоники ФФ ТГУ, исполнительный директор Института биомедицины ТГУ Юрий Кистенёв. – Традиционная микроскопия в большинстве случае даёт информацию только о структуре тканей. Но появление мощных фемтосекундных лазеров привело к появлению методов нелинейной микроскопии, позволяющих исследовать тонкие эффекты в биологической материи.
С помощью этих методов можно увидеть распределение различных белков (эластина, коллагена и других), оценить метаболизм внутри клетки (например, энергетический обмен) и другие параметры. В статье авторы описывают широкие диагностические возможности, которые открывает использование отдельных методов нелинейной микроскопии и их комбинации.
В качестве одного из примеров учёные ТГУ приводят результаты исследований, связанных с ранозаживлением у пациентов с лимфедемой – тяжелой патологией, которая часто развивается после радикального лечения ряда онкологических заболеваний.
– Когда речь идёт о здоровых тканях, проблем с заживлением ран нет. Но при наличии тяжёлых патологий, например, сахарного диабета, процесс регенерации имеет свои особенности и нередко затягивается, протекает с осложнениями, – говорит Юрий Кистенёв. – Чтобы понимать, как эффективно решать подобные проблемы, нужно знать, какие отклонения от нормы развиваются в тканях таких пациентов. Выявить их могут методы нелинейной микроскопии.
Так, в случае с лимфедемой в эксперименте, смоделированном на крысах, биофизики ТГУ выявили дезорганизацию распределения коллагена и другие нарушения молекулярного состава, которые могут быть причиной плохого заживления ран.
Результаты исследований, изложенные в статье «Label-free multimodal nonlinear optical microscopy for biomedical applications», помогут другим учёным, занимающимся медицинской физикой, создавать новые технологии для диагностики заболеваний. Данные, полученные с помощью методов биофотоники, станут основой для новых лечебных подходов.
Важность исследовательской работы группы учёных из России, Индии и Тайваня отметила и редакция Journal of Applied Physics, выбрав публикацию для обложки номера. В письме авторам редакция благодарит их за выбор журнала для публикации результатов исследования и выражает надежду вскоре увидеть ещё одну новую статью.
Добавим, что биомедицина является одним из приоритетных научных направлений, успешно развиваемых в Томском госуниверситете. Среди последних разработок учёных – несколько новых технологий диагностики, сочетающих методы биофотоники и искусственного интеллекта. Например, в рамках большого междисциплинарного проекта создан новый подход к диагностике опухолей щитовидной железы, основанный на анализе крови; совместно с сотрудниками НИИ микрохирурги и разработан инструмент для ранней диагностики лимфедемы.
Сейчас учёные ТГУ вместе с коллегами МГУ, ВШЭ, СГУ, СибГМУ и ИПЛИТ РАН реализуют масштабный проект, который позволит получить новые фундаментальные данные о коронавирусе. В ходе исследований специалисты выяснят факторы, обуславливающие высокую способность вируса к передаче от одного человека другому.
Помимо этого исследователи получили мегагрант Правительства РФ на разработку трёх новых подходов к неинвазивной диагностике вирусных и бактериальных инфекций. Главными инструментами в новых технологиях выступят современные методы оптической спектроскопии и машинного обучения. Инновационные подходы позволят уменьшить время, необходимое на выявление патогенов, с нескольких дней до нескольких минут.