«Развитие и улучшение методов биовизуализации имеет большое значение в аспекте ранней диагностики различных заболеваний, в особенности онкологических. Обеспечить высокую чувствительность диагностики, на уровне отдельных клеток, можно только при помощи оптических методов. Однако они ограничены глубиной проникновения света внутрь ткани, — рассказывает Дарья Поминова, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, сотрудник Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН. — В связи с этим поиск и исследование новых люминесцирующих веществ для визуализации в инфракрасном диапазоне, а также разработка и оптимизация диагностических методов имеют большое социальное значение».
Биовизуализация — один из самых информативных инструментов современной диагностической медицины. Он позволяет получать детальное изображение тканей человека и животных, расположенных глубоко под поверхностью кожи. Для биовизуализации перспективно использовать люминесцирующие наночастицы, свечение которых возбуждается лазером в инфракрасном диапазоне длин волн. Для такого излучения характерна максимальная глубина проникновения в биологические ткани, поскольку его поглощение и рассеяние существенно ниже, чем в видимой части спектра. Кроме того, некоторые части тканей, например компоненты дыхательного цикла клетки, способны светиться под воздействием ультрафиолета или видимого света, что может мешать обнаружению наночастиц.
Использование инфракрасных лазеров позволяет получать изображения с высоким разрешением и чувствительностью, а также незначительными фоновыми шумами, которые ухудшают качество изображения. Однако главная проблема этого метода до сих пор остается: возбуждающее излучение может нагревать биологические ткани до такой степени, что они повреждаются.
Исследованные учеными наночастицы содержали редкоземельные ионы, такие как иттербий и тулий, и представляли собой конверторы, которые благодаря одновременному поглощению двух фотонов небольших энергий могут преобразовывать возбуждающее инфракрасное излучение в свечение ближнего инфракрасного диапазона.
Таким образом, появляется возможность использовать для возбуждения лазеры меньшей энергии, но проблема нагрева тканей все равно остается актуальной. Для ее решения ученые оптимизировали режимы лазерного излучения. Они провели исследования на образцах тканей, взятых у мертвых животных, с различными рассеивающими и поглощающими свойствами. При этом анализировалось влияние оптических параметров на глубину и контрастность изображений, полученных при разных режимах освещения. Ученые установили, что увеличение длины волны возбуждающего света значительно повышает качество изображения, а кроме того позволяет увеличить глубину зондирования ткани, так как уменьшается рассеяние.
Картинка: изображения полимерной трубки (диаметр 2 мм), содержащей светящиеся наночастицы, полученные через слой биологической ткани (куриная грудка) толщиной 4 мм при использовании разных длин волн в инфракрасном диапазоне. Верхний ряд - монохромное люминесцентное изображение, регистрируемое специальной камерой. Программная обработка и использование псевдоцвета (нижний ряд) помогают наглядно оценить уровень шумов и качество получаемых изображений. Источник: Дарья Поминова
Перспективным подходом для снижения нагрева образцов оказалось использование импульсно-периодического режима возбуждения вместо непрерывного освещения, причем частота повторения вспышек практически не оказывала влияния на температуру, нагрев определялся процентным отношением длительности вспышки и паузы.
