Лазерная биофотоникана кафедре общей физики и волновых процессов

Биофотоника — это быстро развивающаяся междисциплинарная область знаний и технологий, относящихся к проблеме взаимодействия электромагнитного излучения с биологическими объектами разных уровней организации. Она включает в себя такие вопросы, как поглощение, генерацию, передачу, рассеяние, усиление и детектирование света с использованием лазеров и других источников света, оптических волокон, электро-оптических устройств, различных микроэлектромеханических систем и наносистем для медицинских применений. Не удивительно, что в настоящее время биофотоникой в той или иной степени занимаются многие научные группы не только на разных кафедрах физического факультета и других факультетов МГУ имени М.В. Ломоносова, но и во многих лабораториях других научных центров в нашей стране и в других странах мира.

На кафедре ОФиВП исследования по биофотонике ведутся по крайней мере в четырёх научных группах. Это:

— группа фотоники и нелинейной спектроскопии (руководитель д.ф.-м.н., профессор А.М. Желтиков) ведет научную работу в области нелинейной оптики и лазерной физики, нелинейно оптической микроскопии и спектроскопии, волоконной оптики и их применениям, в частности, в биофотонике;

— группа лазерной диагностики биомолекул и методов фотоники в исследовании объектов культурного наследия (руководитель д.ф.-м.н., профессор А.Ю. Чикишев) занимается лазерной диагностикой биомолекул;

— группа терагерцевой оптоэлектроники и спектроскопии (руководительд.ф.-м.н., член-корр. РАН, профессор А.П. Шкуринов) занимается созданием уникальных устройств терагерцовой фотоники и оптоэлектроники на основе нано-организованных структур и графеновых технологий XXI века и их применениям, в частности, для исследования биологических объектов;

— группа лазерной биомедицинской фотоники (руководитель к.ф.-м.н., доцент А.В. Приезжев) — занимается разработкой новых лазерно-оптических методов биомедицинской тераностики, проблемами оптики биотканей, биомедицинской диагностики, физики взаимодействия света с биологическими структурами, биореологии, гемореологии, микроциркуляции крови и пр.

Рассказ о работе каждой из этих групп заслуживает отдельной публикации. В данной заметке мы ограничимся рассказом только об одной из них, а именно — о группе лазерной биомедицинской фотоники (ЛБМФ).

Исследования в области применения лазеров в биофизике на кафедре имеют долгую историю. В 1976 году вскоре после объединения кафедры общей физики для мехмата и части кафедры волновых процессов заведующий новой объединённой кафедрой профессор Сергей Александрович Ахманов поставил перед доцентом Ю.М. Романовским, в то время руководителем группы математической биофизики, и м.н.с. А.В. Приезжевым, молодым сотрудником, только что защитившим кандидатскую диссертацию по другой тематике, задачу о возможности измерения с помощью лазера сверхмалых скоростей течения цитоплазмы в живых клетках. Для обоих исполнителей это было абсолютно новое поле деятельности, но они взялись за дело, и уже в 1978 году в журнале «Биофизика» была опубликована их первая статья на эту тему, ставшая началом большой серии публикаций по новому научному направлению на кафедре — лазерной и математической биофизике. С учётом большого интереса к этому направлению со стороны студентов Ю.М. Романовский и А.В. Приезжев начали читать спецкурс с таким же названием. Ограничиваясь только двумя примерами достижений того времени, упомяну лишь разработку и создание одного из первых лазерных доплеровских микроскопов для исследования внутриклеточной подвижности (1988 год) и создание автоволновой теории внутриклеточной гидродинамики по большей части на основе наших экспериментальных результатов по изучению немышечной подвижности (1987 год). Важно отметить, что в становлении этого научного направления сыграло большую роль наше тесное сотрудничество с лабораторией оптических методов исследования потоков кафедры физики МЭИ (руководитель Б.С. Ринкевичюс) и с лабораторией биофизики немышечной подвижности Института теоретической и экспериментальной биофизики АН СССР в г. Пущино (руководитель В.В. Леднев).

Начиная с середины 1980-х годов научные исследования начали ориентироваться на биомедицинские применения лазеров. По инициативе С.А. Ахманова начались работы по исследованию избирательного воздействия лазерного излучения на раковые клетки и механизмов фотодинамической терапии рака. В те же годы начались исследования по физике крови с акцентом на лазерные методы измерения её микрореологических параметров, включая обратимую агрегацию и деформируемость эритроцитов. Оба эти свойства красных клеток крови играют определяющую роль в регуляции её текучести и микроциркуляции. В становлении этого направления наших исследований, которые развиваются и продолжаются по сей день, сыграло большую роль наше тесное сотрудничество с лабораторией реологии крови 2-го Московского медицинского института (руководитель Н.Н. Фирсов) и с лабораторией биореологии Института механики МГУ (руководитель С.А. Регирер).

Не останавливаясь на исторических подробностях, отмечу, что в настоящее время работа группы ЛБМФ ведётся в рамках приоритетного научного направления физического факультета «Живые системы» в области оптики биотканей и клеток, новых лазерно-оптических методов исследования живых систем, физики крови, нанобиофотоникии пр. Исследования проводятся при тесном сотрудничестве с другими научными группами физического факультета, а также факультета фундаментальной медицины (ФФМ) и Медицинского научно-образовательного центра МГУ (МНОЦ). Так, в течение ряда лет мы исследовали проблемы влияния наночастиц, перспективных для использования в диагностике и адресной доставке лекарств, на микрореологию крови человека и животных совместно с кафедрой физиологии и общей патологии ФФМ (руководитель В.Б. Кошелев) в рамках совместных проектов, финансируемых РФФИ. Мы уже несколько лет работаем по общей программе с отделением кардиологии МНОЦ (руководитель Л.И. Дячук), исследуя особенности изменений микрореологии и микроциркуляции крови при таких социально важных заболеваниях, как гипертензия и сахарный диабет. В последнее время эти исследования ведутся под эгидой университетской школы «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» в рамках рабочей группы по проблемам крови (координатор Е.А. Ширшин).

Одной из установок, созданных в группе и с помощью которой получаются приоритетные результаты, является лазерный пинцет, упрощённая схема которого изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. а) Упрощённая схема лазерного пинцета, позволяющего захватывать живые клетки и манипулировать ими без механического контакта и измерять силы взаимодействия между ними в диапазоне от долей пиконьютона до сотен пиконьютонов. б) Микрофотографии трёх последовательных ориентаций эритроцита при их захвате оптической ловушкой. Кресты показывают положение перетяжек лазерного пучка (лазерных ловушек).

Лазерный пинцет позволяет захватывать живые клетки и манипулировать ими без механического контакта и измерять силы взаимодействия между ними в диапазоне от долей пиконьютона до сотен пиконьютонов, что открывает уникальные возможности для исследований на уровне макромолекул и клеток. На рисунке 1 показаны также три последовательных ориентации эритроцита при его захвате в оптическую ловушку.

Среди наиболее важных проектов, выполненных группой в пос- ледние годы, упомяну лишь следующие, поддержанные грантами РФФИ или РНФ:

• использование углеродных наночастиц для биомедицинских при- менений: влияние на свойства крови и функции сердечно-сосудистой системы,

• развитие метода лазерной дифрактометрии для измерения статистических характеристик неоднородных ансамблей эритроцитов,

• комплексное исследование механизмов развития синдрома гиперагрегации эритроцитов при сахарном диабете,

• разработка интегральных био-оптических индикаторов патологических состояний при социально значимых заболеваниях,

• оптическое исследование и клиническая верификация фундаментальных реологических механизмов обратимой агрегации эритроцитов,

• развитие оптических методов для измерения параметров клеток крови,

• комплексное изучение оптическими методами синергизма влияния различных компонентов плазмы крови на агрегацию эритроцитов,

• мобильное устройство для экспресс-диагностики реологических параметров крови,

• выявление современными оптическими методами молекулярных и микрореологических механизмов взаимодействия и изменений компонентов крови в системе микроциркуляции и связанных с ними нарушений метаболизма при сердечно-сосудистых заболеваниях.

Группа гордится достижениями своих аспирантов и студентов.

Так, в 2016 году была успешно защищена кандидатская диссертация аспирантом физического факультета Кисуном Ли (Республика Корея) на тему «Взаимодействие эритроцитов в средах, индуцирующих их агрегацию: исследование с помощью лазерных пинцетов». В 2017 году была успешно защищена выполненная в тесном сотрудничестве с нашей группой кандидатская диссертация аспирантом факультета ВМиК В.Д. Устиновым на тему «Обратная задача восстановления распределения эритроцитов по размерам и формам в рамках лазернои? дифрактометрии».

Рисунок 2.Картины рассеяния лазерного пучка на нормальных эритроцитах (слева) и эритроцитах, деформированных силами вязкого трения (справа). Анализируя эти картины, мы измеряем деформируемость эритроцитов — один из основных реологических параметров крови.

На рисунке 2 показаны фотографии картин рассеяния лазерного пучка на нормальных эритроцитах (слева) и эритроцитах, деформированных силами вязкого трения (справа). В диссертации разработаны математические методы анализа таких картин, получаемых в нашей группе invitro. Разработанные методы позволяют измерять параметры, характеризующие деформируемость эритроцитов — одно из основных свойств этих клеток, определяющих текучесть крови invivo.

В настоящее время принята к защите кандидатская диссертация выпускника аспирантуры физического факультета А.Н. Семенова на тему «Роль молекулярных взаимодействий в изменении агрегационных и деформационных свойств эритроцитов». Все аспиранты в своё время были победителями конкурсов на лучшую научную работу молодых ученых.

Только что были успешно защищены магистерские диссертации студентами нашей группы П.Б. Ермолинским на тему «Лазерно-оптические методы исследования взаимодействия эритроцитов разных возрастов» и А.А. Капковым на тему «Применение лазерно-оптических и микрофлюидных методов для исследования взаимодействия клеток крови в среде с эндотелиальными клетками». Оба эти студента также неоднократно награждались премиями за лучший доклад на конференции или лучшую научную работу. То же можно сказать и про других студентов нашей группы, активно работающих в нашей группе и участвующих, в частности, в мероприятиях Фестиваля науки и Дня физика.

Рисунок 3. Фото студентки 2-го курса Анастасии Романовой, выполняющей эксперимент по измерению силы взаимодействия между эритроцитами человека на установке «Лазерный пинцет».

Группа ЛБМФ пользуется популярностью у студентов младших курсов, которые с интересом знакомятся с научными задачами группы и методами их решения. На фотографии (рисунок 3) показано, как студентка 2-го курса Анастасия Романова выполняет эксперимент по измерению силы

взаимодействия между эритроцитами человека на установке «Лазерный пинцет». На фотографии (рисунок 3) показано, как студентка 2-го курса Анастасия Романова выполняет эксперимент по измерению силы взаимодействия между эритроцитами человека на установке «Лазерный пинцет».

Биофотоника как научное направление развивается очень быстро, так же быстро развиваются научные исследования в группе ЛБМФ, вносящей своими публикациями в высокорейтинговых научных изданиях достойный вклад в Программу развития московского университета.

Руководитель группы лазерной биомедицинской фотоники (ЛБМФ)

А.В. Приезжев