На новый уровень поднимают медицинскую диагностику ученые
Вирус ничтожно мал для того, чтобы можно было обнаружить его с помощью оптики. И только электронный микроскоп позволяет увидеть, впрочем, не самого незваного гостя, а лишь его увеличенную тень, которую рисует поток электронов. Такие микроскопы — удовольствие очень дорогое, да и не удобно использовать их в практической медицине. Поэтому в клинических лабораториях вирусы распознают по антителам, вырабатываемым иммунной системой в ответ на вторжение болезнетворного микроорганизма.
И все бы хорошо, да во многих случаях для принятия мер время бывает уже упущено. Ведь чтобы антитела наработались в нужном для диагностики объеме, вирусов в организме должно быть много.
Но можно ли, в принципе, заметить вторжение единичных вирусов, когда они еще не успели размножиться? Ответ на этот вопрос, похоже, нашли физики Белорусского государственного университета. Вместе с учеными Рурского университета в Бохуме (Германия) они разработали новую методику обнаружения и идентификации вирусов, а также бактерий, белков, спор, молекул ДНК, лекарственных препаратов и химических веществ, содержащихся в пробе в малых количествах.
Самое интересное, что для этого они привлекли все же оптику, которая, казалось бы, в принципе не позволяет видеть объекты, размер которых меньше длины световой волны. Но они этот вирус или молекулу и впрямь не видят, а фиксируют спектральный сдвиг частоты оптического резонанса, который возникает в крохотных сенсорах, помещенных в исследуемую биологическую пробу. Точность при этом достигается беспрецедентная. Удается зафиксировать даже единичные микроорганизмы, чего не позволяет добиться ни один другой метод.
Да простит меня читатель за усложнение разговора, но не избежать того, чтобы назвать научную разработку так, как она на самом деле звучит: «идентификация с использованием оптического резонанса мод шепчущей галереи в диэлектрических микросферах». Ведь если мы хотим понять, что же происходит при такой диагностике, то без некоторых терминов не обойтись.
Прежде всего, что это за «шепчущая галерея»? Есть такая. В соборе Святого Павла в Лондоне. В галерее этого храма (в мире есть и другие здания с подобным эффектом) действительно часто слышится таинственный шепот, долгое время очень пугавший прихожан, пока наука не объяснила, в чем тут дело. Оказалось, что диаметр купола и особенности облицовки приводили к тому, что любой идущий снизу слабый звук порождал акустическую волну, которая, испытывая многократное полное внутреннее отражение, как бы запиралась под сводом в бесконечном беге по кругу. Оказавшись в ловушке, в кольцевой структуре, говоря языком физиков, звук усиливался и резонировал в других помещениях.
Именно этот эффект резонанса в кольцевых структурах, который в науке называется эффектом шепчущей галереи, и использовали ученые еще во времена СССР, создавая различные исследовательские приборы в СВЧ-диапазоне. Эти сверхвысокочастотные приборы, достаточно крупные по размерам, работали как резонаторы, реагируя на малейшее изменение, например, внешнего излучения, что позволяло определять причину, по которой менялись условия резонанса. Со временем появились такие же, но более компактные приборы оптического диапазона, а с недавних пор их роль смогли выполнять и крохотные — до 100 микрон — микросферы, то есть прозрачные шарики из кварца либо полимера, обладающие идеальной сферической поверхностью. Их получают, испаряя в высоком вакууме исходный материал.
— Идея состояла в том, чтобы поместить такую микросферу в исследуемый раствор и направить в нее сфокусированный лазерный луч, — поясняет заведующий кафедрой физики и аэрокосмических технологий факультета радиофизики и компьютерных технологий БГУ, доктор физико-математических наук, профессор Владимир Саечников (на снимке). — Хитрость тут в том, что для того, чтобы микросфера могла работать в качестве резонатора, по ее периметру должно укладываться целое число длин волн лазерного излучения. В этом случае и возникает резонансный эффект, то есть излучение в микросфере накапливается, и это явление можно зафиксировать. Из сотен микросфер, введенных в раствор, подходящие параметры имеют далеко не все. Мы в качестве сенсора выбираем из них только одну, на которую и фокусируем излучение лазера. Дальше происходит вот что: в зависимости от того, какие вирусы, белки, молекулы находятся в растворе, меняется его показатель преломления и, соответственно, характеристики резонанса, которые фиксируются с помощью высококачественной цифровой видеокамеры, снабженной микрообъективом. То есть наблюдается сдвиг частоты максимума оптического резонанса определенных типов колебаний (мод шепчущей галереи). Величины эти ничтожно малы, на уровне пикометров. Поэтому, чтобы их зарегистрировать, необходим лазер с очень высокой стабилизацией частоты излучения. Его на начальных этапах разработки нам предоставили немецкие партнеры в рамках совместного проекта, финансировавшегося в свое время Немецким аэрокосмическим агентством DLR.
Разумеется, вся эта технология здесь излагается упрощенно. Мы оставляем за скобками преодоленные сложности, которые были связаны, например, с тем, что различные биологические объекты при различной концентрации могут давать одинаковый сдвиг частоты максимума оптического резонанса. Поэтому, чтобы избежать ошибки, был разработан метод, основанный на анализе параметров оптического резонанса с помощью нейронных сетей — так называемый нейросетевой классификатор.
Удалось справиться и с трудностями, связанными с тем, как вообще ввести лазерное излучение в микросферу, которая по законам классической ньютоновской оптики должна была бы полностью отражать это излучение. Но в экспериментальном комплексе, созданном учеными БГУ, оптическое излучение попадает все же туда, куда нужно.
— Оператору диагностического комплекса, который, как мы надеемся, будет создан на основе экспериментальной установки, не нужно будет знать все эти тонкости, — говорит Владимир Саечников. — Компьютер обработает полученную информацию и выдаст не параметры сдвига частоты, используемые нами сегодня в исследовательской работе, а конкретные цифры, отражающие, в частности, концентрацию холестерина, гемоглобина, глюкозы, наличие в крови других биологических объектов, химических веществ и медицинских препаратов. В перспективе можно будет проводить диагностику не только взятых у пациента проб биологических жидкостей, но и исследовать кровь и ткани человека непосредственно в теле. Это еще более повысит оперативность получения результатов анализа. Ведь биосовместимые микросферы можно вводить внутрь и воздействовать на них инфракрасным лазером прямо через кожу. Опять же через кожу можно будет и получать сигнал, несущий информацию. Кроме того, и подобные опыты уже проводятся, микросферы можно использовать для адресной доставки лекарств к пораженному органу. Все это не так фантастично, как может показаться. И мы надеемся, что в скором времени такие технологии придут из научных лабораторий в практическую медицину.
