Разномасштабный оптический биоимиджинг: использование в биомедицине и перспективы развития

РАЗНОМАСШТАБНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ БИОИМИДЖИНГ: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В БИОМЕДИЦИНЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Шахова Н.М.*, Балалаева И.В.***, Геликонов В.М.*, Геликонов Г.В.*, Загайнова Е.В.**, Каменский В.А.*, Орлова А.Г.*, Сергеева Е.А.*, Турчин И.В.* *Институт прикладной физики РАН shakh@ufp.appl.sci-nnov.ru **Нижегородская государственная медицинская академия ***Нижегородский государственный университет

Представлен спектр исследований, проводимых в ИПФ РАН (г.Н.Новгород), по реализации системы разномасштабного оптического биоимиджинга. Авторы демонстрируют результаты разработки новых видов оптической томографии: оптическая когерентная томография (ОКТ), оптическая диффузионная томографии (ОДТ) и диффузионная флуоресцентная томография (ДФТ). В работе показаны пути усовершенствования принципов и приборной базы технологий и примеры применения в экспериментальной биомедицине и клинической практике.

Диагностика наиболее серьезных заболеваний человека, профилактические обследования и научно-исследовательская медицинская практика в настоящее время немыслимы без использования методов визуализации. Поэтому совершенствование традиционных (рентгенография, компьютерная и ЯМР томография, ультразвуковое исследование, радионуклидные методы) и создание новых методов визуализации представляет собой актуальное и исключительно важное направление в биомедицине. Основные требования, предъявляемые к развивающимся технологиям, - максимальная информативность и минимальное повреждающее действие в сочетании с портативностью, удобством эксплуатации и относительной дешевизной. На сегодняшний день данным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют методы оптического биоимиджинга [1]. Освоение совокупности технологий оптического биоимиджинга позволяет получать разномасштабные прижизненные изображения биологических объектов на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях, что весьма актуально как для изучения живых систем от молекулы до целого организма в науках о жизни, так и для создание новых методов диагностики и контроля лечения в клинической практике [2].

В данной работе показаны направления развития оптического биоимиджинга в ИПФ РАН (Н.Новгород): разработка различных видов оптической томографии, пути совершенствования и аспекты применения в биомедицине.

В таблице представлены сводные данные о технических характеристиках и областях применения разрабатываемых в проекте технологий: оптическая когерентная томография (ОКТ), оптическая диффузионная томографии (ОДТ) и диффузионная флуоресцентная томография (ДФТ).

метод принцип технические характеристики и тип информации возможность использовани яконтраста области применения

ОКТ интерферометрическое детектирование обратно рассеянного света ближнего ИК диапазона разрешение 1-15 мкм на глубину 0.5-2 мм; скорость 1-10 кадров в секунду; информация о структуре объекта на уровне тканевых слоев наноразмерные частицы, повышающие рассеяние клиническая практика: онкология, эндоскопия, хирургия, урология, гинекология, стоматология, дерматология, косметология

ОДТ детектирование диффузно рассеянного света с последующей реконструкцией разрешение несколько мм на глубину до 10 см, время 30 мин. (с клиническая практика: онкология, неврология

поглощающих включений реконструкцией); информация о структуре и биохимии тканей

ФДТ детектирование диффузно рассеянного света на длине волны флуоресценции с последующей реконструкцией распределения концентрации флуорофора разрешение несколько мм на глубину до 10 см, время 30 мин. (с реконструкцией); информация о структуре и биохимии тканей, молекулярные процессы органические флуорофоры, флуоресцирующие протеины, квантовые точки экспериментальная медицина и биология, производство фармпрераратов и косметических средств

На рисунке 1 показаны принципы получения изображений в различных видах оптической томографии.

а б в

Рис. 1. Принципы получения изображения в ОКТ

ОКТ основана на интерферометрическом детектировании обратно рассеяного света ближнего ИК диапазона. Создание метода стало возможным в 90-ые годы прошлого века благодаря появлению фемтосекундных лазеров и развитию методов измерения сверхкороткоимпульсных сигналов [3,4]. В последние годы метод активно внедряется в клиническую практику [4,5].

Нашим коллективом ведутся работы как по применению ОКТ в клинической и экспериментальной медицине, так и по усовершенствованию технологии. Основными направлениями развития метода является разработка кросс-поляризационной оптической когерентной томографии (КП ОКТ), спектральной ОКТ, создание диагностического комплекса "ОКТ-эндоскоп", использование контрастирующих агентов.

КП ОКТ позволяет одновременно регистрировать информативный сигнал в падающей и ортогональной к ней поляризациях, таким образом, определяя не только коэффициент рассеяния микронеоднородностей биоткани, но и способность тканей к деполяризации зондирующего излучения. Как показывают исследования, информация о деполяризации может оказаться решающей, например, для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных состояний, повышая специфичность метода [6,7].

В существующей версии ОКТ прибора скорость получения двумерных изображений составляет около одного кадра в секунду. Это ограничивает использование метода для обследования больших участков тканей человеческого организма, приводит к появлению артефактов движения, делает практически невозможным получение трехмерных изображений. Для повышения скорости сканирования нами разрабатываются новые схемные решения так называемой спектральной ОКТ, позволяющей увеличить скорость получения информации до 10 кадров в секунду и далее до видеостандарта.

Для расширения показаний к применению ОКТ в клинической практике необходимо совмещение ОКТ с широким спектром существующего эндоскопического оборудования. Нами осуществляется разработка диагностического комплекса "ОКТ-эндоскоп" путем создания разнообразных типов гибких ОКТ-зондов со сканирующими микроустройствами.

Очень важной характеристикой диагностического метода является его диагностическая точность. По нашему мнению, разработака методики контрастирования ОКТ изображений с использованием наноразмерных агентов (золотые, углеродные наночастицы и др.) позволит довести уровень чувствительности и специфичности до молекулярного [8].

Основным направлением клинического применения ОКТ является разработка методов ранней диагностики неоплазии, в том числе комплементарно с флуоресцентными методами, и мониторинг лечения, например лучевой и фотодинамической терапии [5, 9-12].

Метод ОДТ определяет поглощающие и рассеивающие неоднородности внутри биоткани на основе обработки сигнала от прошедшего через ткань лазерного излучения [13,14]. Как и для любого трансмиссионного метода, задача сводится к реконструкции трехмерного распределения поглощающих и рассеивающих неоднородностей по измеренному набору интегралов по траекториям. Разрешающая способность ОДТ определяется такими факторами, как размытие пучка подсветки, точность задания ограничных условий и рассеивающих свойств среды, точность модели, используемой для реконструкции. Основным недостатком имеющихся сейчас установок для ОДТ является большая продолжительность диагностической процедуры: так, при сканировании молочной железы она составляет 30-40 минут. Это обстоятельство не только доставляет неудобство пациенту, но и существенным образом ограничивает возможности получения более полной и детальной информации о биоткани. С целью преодоления этих ограничений нами проводятся работы по оптимизации приемной системы (использование охлаждаемой CCD камеры) и длин волн источников зондирующего излучения (возможность их варьирования в процессе обследования), разрабатываются быстродействующие алгоритмы, которые позволят проводить трехмерную реконструкцию, а значит и оценку объема патологической зоны, что чрезвычайно важной для топической диагностики процесса и уточнения его стадии. Метод ОДТ может быть использован для обнаружения рака молочной железы в ранних стадиях и изучения органических и функциональных состояний головного мозга. Нами получены первые результаты по апробации установки в клинических условиях [15].

В методе ДФТ облучение объекта происходит на длине волны возбуждения флуоресцирующих веществ, а детектирование сигнала - только в спектре флуоресценции, что позволяет во много раз увеличить контраст наблюдаемых структур [16, 17]. Для реконструкции распределения концентрации флуорофора используются те же модели и алгоритмы, что и в ОДТ. Важнейшим перспективным применением метода являются прижизненные исследования опухолевых тканей. Введение в опухоль флуоресцентных меток различной природы позволяет существенно увеличить чувствительность метода и контраст получаемого изображения. ДФТ позволяет проводить прижизненный мониторинг как развития опухоли в лабораторном животном, так и ее регресса на фоне лечения. Эта информация может быть использована в экспериментальной онкологии для изучения важнейших механизмов развития опухолей, для оценки эффективности новых лекарственных препаратов и методик лечения. С использованием разработанной нами лабораторной ДФТ-установки в эксперименте на лабораторных животных получены изображения опухолей, контрастированных

флуоресцирующими протеинами и квантовыми точками [18,19]. Направлениями дальнейшего совершенствования метода являются: увеличение скорости сбора информации до нескольких минут за счет использования высокочувствительных охлаждаемых CCD камер, повышение чувствительности системы за счет селекции излучения флуоресцирующих маркеров и автофлуоресценции, разработка быстродействующего алгоритма.

Весьма актуальным в настоящее время является изучение возможностей применения наноагентов для целей диагностики и лечения, широко обсуждаются вопросы специфического маркирования для таргетной диагностики и лечения [20,21]. Нами получены первые результаты по прижизненной оптической визуализации опухолей, контрастированных биоинженерными комплексами "квантовые точки-миниантитела". При тестировании методом многофотонной флуоресцентной микроскопии (МФМ) показана высокая специфичность и хороший уровнеь контраста использованных комплексов.

Таким образом, в работе представлен спектр исследований по реализации системы разномасштабного оптического биоимиджинга: от разработки новых видов оптической томографии с усовершенствованием принципов и приборной базы до создания новых методик применения в экспериментальной биомедицине и клинической практике.

Работа финансируется за счет госконтракта Федерального агенства по науке и инновациям № 02.522.11.2002, грантов РФФИ № 07-02-01262, 07-04-01586 и программы Президиума РАН "Фундаментальные науки-медицине".

1. A.M.Sergeev, L.S.Dolin, D.H.Reitze, Optics & Photonics News. July 2001,

2. B-F.Liu et al Anal.Bioanal.Chem, 386

3. Huang D.,et al. Optical coherence tomography.- Science, Vol.254,

4. Handbook of Optical Coherence Tomography/ G.J. Tearney, Editor - New York, Basel: Marcel Dekker, Inc.,

5. Руководство по оптической когерентной томографии. Под ред. Н.Д.Гладковой, Н.М.Шаховой, А.М.Сергеева: Физматлит. Мед.книга,

6. Kuranov R.V.et al Opt. Express ,Vol.10,

7. V. M. Gelikonov, G. V. Gelikonov Laser Physics Letters, Vol.3, Issue 9,

8. Е.В. Загайнова с соавт. Российские нанотехнологии, 2, 7-8

9. M. Manyak et al Journal of endourology, V.19.

10. Н. Д. Гладкова с соавт. Вестник РОНЦ, №1

11. Shakhov A.V. et al. Journal of Surgical Oncology, V. 77 - P. 253-259

12. Кузнецова И.А. с соавт. Акушерство и гинекология, 6 - С. 33-36

13. S. Fantini et al Opt. Photonics News. 11, 24

14. A. Torricelli et al Optics Express 11, 853

15. A G. Orlova et al Laser Physics Letters, Vol.5, No 4, pp.321-335

16. V.Ntziachristos et al Nat. Biotechnol. 23, 313-320 (2005).

17. A. Soubret and V. Ntziachristos, Phys. Med. Biol. 51, 3983-4001,

18. Ilya V. Turchin et al Laser Physics,.16, N 5,

19. I.V. Turchin et al Laser Physics Letters 3

20. I.Medintz et al Nature Materials 4,

21. Deyev S.M. et al, Nature Biotechnology, 21

The development of new methods of visualization is an important task of modern biomedicine. Elaboration of optical bioimaging system is presented in this paper. We demonstrate different kinds of optical tomography: optical coherence tomography (OCT), diffuse optical tomography (DOT), diffuse, diffuse fluorescence tomography (DFT) from creation of new technology to application in experimental and clinical practice.