Е. А. ширшин — лауреат Премии Правительства Москвы молодым учёным за 2021 год

К 60-летию научной школы

нелинейной оптики в Московском университете

Премия старшему научному сотруднику Е.А. Ширшину присуждена за работу «Молекулярный имиджинг с эндогенным контрастом: новые возможности оптики в биомедицинской диагностике»

Евгений Ширшин — воспитанник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ и тем самым школы нелинейной оптики и лазерной физики. На его долю выпало участвовать в прорыве фотоники сложных органических соединений в медицину. Экспансию оптики в биологию и медицинустимулировал основатель школы Р. В. Хохлов, всемерно поддерживая исследования нашей лаборатории в области фотоники сложных органических соединений. Сначала это были органические красители как активные среды лазеров, затем природные органические соединения и комплексы — фотосинтезирующие организмы, природное органическое вещество, флуоресцентные белки. Затем — транспортные белки плазмы крови альбумины. И, наконец, живые системы. С приходом студента (а затем аспиранта и научного сотрудника) Е. Ширшина в лабораторию процесс внедрения оптических (особенно нелинейно-оптических) методов в медицинскую биофотонику резко активизировался. Сейчас Е. Ширшин — преемник автора заметки на позиции руководителя лаборатории, получившей в последние годы название лаборатории лазерной биофотоники. Им сформирован коллектив молодых талантливых исследователей — студентов, аспирантов и выпускников, который добился впечатляющих успехов в разработке нового междисциплинарного направления — медицинской биофотоники. Присуждение Евгению Ширшину Премии Правительства Москвы — высокая оценка актуальности и результатов этой работы. Ниже — краткая информация о содержании работы, удостоенной премии (на базе заявки, поданной в комиссию по Премиям Правительства Москвы).

Обладая рядом принципиальных преимуществ, оптические методы нашли широкое распространение в исследовании живых систем. Имеют место два ограничения, затрудняющие использование оптической диагностики в клинической практике. Во-первых, глубина зондирования биотканей световым излучением относительно мала. Во-вторых, использование внешних (экзогенных) меток для повышения чувствительности и специфичности детектирования патологических участков тканей затруднено при измерениях на пациентах invivo — при том, что именно создание новых типов меток привело к прорыву в исследовании живых систем с помощью оптики. Таким образом, для дальнейшего внедрения биомедицинской фотоники в клиническую практику было необходимо решить две фундаментальные задачи: (1) выявить новые классы эндогенных (то есть исходно присутствующих в организме) молекул, которые могут служить в качестве контраста при визуализации и диагностике и (2) разработать новые методы и подходы для селективного детектирования сигнала от этих эндогенных молекул.

Несмотря на то, что оптика биотканей и клеток исследуется очень активно, обращает на себя внимание парадокс: в литературе в качестве эндогенных молекул, ответственных за поглощение (хромофоры) и флуоресценцию (флуорофоры) в организме человека, рассматривается список из всего лишь примерно десяти молекул. Данный факт был обсужден Е. Ширшиным и соавторами в обзоре в журнале «Успехи биохимии» и в ряде приглашенных докладов на центральных конференциях по биофотонике, в частности, в серии лекций Оптического общества Америки (OSA) в 2020 году. При этом для каждой «классической» молекулы-флуорофора или хромофора есть своя ниша применений в биомедицине. Очевидные примеры таких применений — использование сигнала от гемоглобина в носимых устройствах (фитнес-трекеры, пульс-оксиметры, оптическое измерение артериального давления), в диагностике онкологических заболеваний, нейроимиджинге. Аналогично, на использовании сигнала флуоресценции молекулы НАД(Ф)Н построен оптический метаболический имиджинг, применяемый в персонализированной онкологии для подбора химиотерапии. Выявление новых классов эндогенных молекул-флуорофоров в организме и исследование их фотофизических свойств является центральной задачей биомедицинской фотоники. Второй задачей является создание новых методов спектроскопии и микроскопии, позволяющих реализовывать молекулярный имиджинг, то есть детектировать сигнал от определенных молекул в клетках.

Изначально объектом исследований в нашей лаборатории были белковые макромолекулы. В 2015 году фокус исследований сместился на биомедицинскую диагностику, в частности, анализ биожидкостей — так, первой работой в этом направлении было выявление дескрипторов диабета в флуоресценции плазмы крови. Далее стало понятно, что традиционных подходов недостаточно для анализа сложных систем и смесей (той же крови), в связи с чем был выполнен поиск оптических флуоресцентных индикаторов конформационных изменений белков. Был предложен новый способ, основанный на выделении сигнала от тирозиновых остатков в белках, что позволило диагностировать изменения структуры белков в сложных системах с большей чувствительностью, чем подход, основанный на триптофановой флуоресценции.

Е. Ширшин за тестированием установки для навигации при литотрипсии в МНОЦ МГУ

В 2019 году данные наработки были применены для создания метода анализа пептид-белковых взаимодействий без меток и применены на системе, исследуемой в ИБХ РАН — комплексах токсинов змей с рецепторами. Также в результате работ 2015–2016 годов, выполненных по заказу компании LG Electronics, был предложен метод анализа белковой компоненты в бытовой пыли с целью создания датчика экспресс-оценки аллергологической опасности в помещении. Было обращено внимание на «неклассическую» синюю флуоресценцию белков, относительно природы которой в литературе имеется несколько гипотез. Такая флуоресценция наблюдается, например, у структурных белков кожи (кератина, коллагена и эластина), а также возникает при агрегации белков в амилоидные фибриллы, которые связаны с патогенезом нейродегенеративных заболеваний. В процессе исследования природы этой флуоресценции были получены принципиально новые сведения о флуореснции биотканей.

Исследование фотофизики синей флуоресценции, возникающей в результате образования амилоидных фибрилл, позволило впервые высказать гипотезу об образовании гетерогенной системы хромофоров в результате окислительных процессов. Методика детектирования фибриллярных структур в клетках с использованием сигнала синей флуоресценции была опубликована в журнале Angewandte Chemie совместно с группой из университета Тель-Авива. Дальнейшие исследования были направлены на выявление механизмов, приводящих к единообразию оптических свойств гетерогенных систем флуорофоров. Известно, что системы природного органического вещества имеют поразительно похожие спектральные характеристики, несмотря на радикально отличающийся молекулярный состав.

Члены группы лазерной биофотоники после проведения экспериментов по УЗ и оптическому исследованию кожи в МНОЦ МГУ

Известно, что системы природного органического вещества имеют поразительно похожие спектральные характеристики, несмотря на радикально отличающийся молекулярный состав. Было показано, что аналогичные оптические свойства наблюдаются и в живых системах, в частности, в клетках при окислительном стрессе и тканях. На исследование фотофизических механизмов, ответственных за единообразие оптических свойств гетерогенных систем флуорофоров, Е. Ширшиным в 2018 году был получен грант международного сообщества International Humic Substances Society. Была выполнена серия работ, позволившая установить взаимосвязь молекулярного состава гетерогенных систем флуорофоров и их оптических свойств. Центральной стала статья 2021 года, в которой сообщается об открытии эффекта сверхбыстрого переноса энергии в гетерогенных системах флуорофоров, который эффективно «перемешивает» оптические свойства десятков тысяч разных молекул, входящих в состав системы, и проводит к единообразию их спектральных свойств. Показано, что один и тот же эффект определяет оптику и природного органического вещества, и биофлуорофоров — меланина, окисленных белков, ДНК и липидов. Принципиально важным является факт наличия у гетерогенных систем флуорофоров хвоста поглощения в красной и инфракрасной (ИК) спектральных областях, что отвечает на вопрос о механизме ИК-флуоресценции в тканях.

Руководитель направления интраоперационной диагностики группы лазерной биофотоники Г. С. Будылин за измерением гликирования белков кожи на выставке Робоармия-2021

В 2016 году в рамках программы МГУ-DAAD «Владимир Вернадский» состоялась стажировка Е. Ширшина в клинике «Шарите» (Германия), специализирующейся на клинической диагностике с использованием биомедицинской фотоники. Сотрудничество с клиникой «Шарите» стало в дальнейшем стратегическим: так, было опубликовано 10 совместных статей в журналах Q1 и разработано несколько новых методов диагностики кожи. Изначально внимание было сфокусировано на методе многофотонной томографии (МФТ), который позволяет проводить 3D анализ ткани invivo с субклеточным пространственным разрешением. Впервые было показано, как с помощью МФТ проводить диагностику микрососудов и локализовать структурные белки разного типа в ткани, а также описан механизм формирования флуоресценции крови при двухфотонном возбуждении. Далее метод МФТ был использован для анализа отечного синдрома на уровне клеток, что легло в основу метода диагностики пациентов с сердечной недостаточностью. Также впервые с помощью МФТ было показано, как можно детектировать и анализировать состояние единичных иммунных клеток у пациентов invivo. Метод МФТ совместно с методом микроспектроскопии комбинационного рассеяния был также использован для исследования природы ИК-флуоресценции тканей и локализации в них различных молекулярных компонент.

Центральной областью применения полученных результатов является интраоперационная диагностика. По заказу компании IPG Photonics и НТО «ИРЭ Полюс» проведены исследования возможности применения оптической диагностики для определения границы опухоли мочевого пузыря в процессе операции invivo. Исследования, выполненные на базе МНОЦ МГУ, показали работоспособность предложенной технологии, что стимулировало создание прототипа прибора для интраоперационной диагностики и запуск клинических исследований. В основе методики лежит, в том числе, эффект ИК- флуорецсенции гетерогенных систем флуорофоров. Также ведутся работы по интраоперационной диагностике в ортопедии на базе Сеченовского университета.

Большой пласт работ связан с ГБУЗ г. Москвы «ГКБ № 67 им. Л. А. Ворохобова ДЗМ», где решаются задачи лабораторной диагностики, микробиологии и интраоперационной диагностики. По результатам исследований ведется внедрение технологий совместно с АНО «Московский центр инновационных технологий в здравоохранении». Реализован также целый спектр технологий для «прикроватной» диагностики, в частности система для анализа мочи с помощью смартфона, приборы для неинвазивного определения содержания воды в тканях и гемоглобина в крови.

В. В. Фадеев, профессор кафедры квантовой электроники