Лазерная подсветка опухоли. Иллюстрация: Alfred Pasieka / SPL
При слове «лазер» многие представляют себе некое электронное устройство с применением легированных кристаллов, полупроводников, синтетических красителей и очищенных газов. На самом деле это необязательно. Лазеры вполне можно изготовлять из обычного биологического материала. В принципе, рабочие лазеры можно собирать прямо внутри человеческого тела.
Собственно, что такое лазер? Некая конструкция, которая преобразует энергию накачки в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Грубо говоря, нужны три вещи: 1) источник энергии; 2) активная среда (материал для усиления сигнала); 3) резонатор (отражающая полость).
Первый лазер из человеческих клеток (точнее, из одной клетки почки) сконструировали в 2011 году учёные из Южной Кореи и США. В качестве среды для оптического усиления сигнала в нём использовался зелёный флуоресцентный белок (ЗФБ). При накачке наносекундными наноджоулевыми импульсами, отдельные клетки генерируют яркое направленное лазерное излучение в узкой полосе.
Живой лазер из эукариотической клетки 293ETN с экспрессией ЗФБ (клетку взяли из почки человека). Иллюстрация: Nature Photonics, doi:10.1038/nphoton.2011.99
Белок ЗФБ, выделенный из медузы Aequorea victoria, флуоресцирует в ближнем ультрафиолете. Он и сейчас широко используется в клеточной и молекулярной биологии для изучения экспрессии клеточных белков. Это совершенно безопасный белок, который вводят в кровь пациента. Таким образом, его можно спокойно использовать для генерации лазерного излучения внутри человеческого тела.
Кандидат физических наук Сюйдунь (Шерман) Фань, Энн Арбор с коллегами из Мичиганского университета продолжили работу предшественников. Они выяснили, что ЗФБ способен значительно усиливать оптический сигнал, если смешать его с клетками человеческой крови, а именно — с плазмой крови. В этом случае ЗФБ привязывается к белкам из плазмы и вместе с ними генерирует великолепный узконаправленный поток излучения. «Без крови, просто ЗФБ, лазер вообще не работает», — пояснил Сюйдунь Фань.
Смесь крови с ЗФБ (ICG на диаграмме) помещают в маленький отражающий цилиндр и подсвечивают обычным лазером, после чего кровь начинает генерировать яркое направленное лазерное излучение. Оно светится гораздо ярче, чем обычная флуоресценция ЗФБ, и это важно. Дело в том, что ЗФБ накапливается в кровяных сосудах, так что сосуды с большим количеством крови — например, опухоли — будут светиться гораздо ярче. Таким образом, это великолепный инструмент для диагностики злокачественных или доброкачественных опухолей.
Для диагностики следует сделать пациенту инъекцию безвредного ЗФБ. Затем подсветить участок кожи обычным лазером (лазерной указкой?) — и посмотреть на этот участок в инфракрасном диапазоне. Кстати, обычные цифровые камеры и смартфоны неплохо регистрируют ИК — если навести объектив камеры на пульт Д/У от телевизора, то вы можете увидеть сигнал от пульта.
В результате, довольно точная диагностика раковых опухолей осуществляется с помощью обычных в хозяйстве вещей — лазерной указки и смартфона (и белка из медузы).
Чтобы такое стало возможным, предстоит ещё довести технологию для ума и разработать технику безопасности. Учёные считают, что в качестве отражающей полости в живой ткани можно применять наночастицы золота. Но следует провести ещё ряд экспериментов, чтобы определить точную концентрацию наночастиц золота и необходимую мощность лазера. Эксперименты по лазерной оптической томографии сначала проведут на животных.
«В конечном итоге, мы попытаемся сделать это в человеческом теле, — говорит автор научной работы. Он уверяет, что мощность лазера будет меньше, чем рекомендуемые нормативы безопасности. — Вы же не хотите поджарить ткань».
Научная работа профессора Фаня опубликована 21 июля 2016 года в журнале Optica (кстати, её даже вынесли на обложку номера), doi: 10.1364/OPTICA.3.000809.
