Современная хирургия движется по пути повышения безопасности пациента во время оперативного вмешательства. Так, во многих областях медицины, для проведения операций используются лазерные скальпели, позволяющие точно, быстро и на заданной глубине разрезать и удалять патологические участки, минимально повреждая окружающие здоровые ткани. Однако при использовании таких лазерных аппаратов, хирург во многом полагается на свой опыт и зрение при манипуляции действующим лазерным излучением во время оперативного лечения.

Совместно с индустриальным партнёром коллектив лаборатории разрабатывает инструменты и подходы оптической диагностики, которые бы дали хирургу больше информации прямо во время операции: подсказывали тип и состояние тканей, автоматически контролировали процессы воздействия лазерного излучения и окружающие условия в режиме реального времени.

Основная цель направления:

Создание новых оптических методов диагностики, которые могут быть встроены в лазерные медицинские аппараты, для помощи хирургу во время операции.

В настоящее время работа идёт над следующими задачами:

Разработка методов определения границы опухоли рака мочевого пузыря в виде контактного оптоволоконного зонда
Разработка и совершенствование методов контроля лазерного дробления камней в мочевыводящей системе и желчных протоках
Создание методов контроля температуры окружающей жидкости и тканей во время эндовенозной лазерной коагуляции
Исследование свойств диффузного отражения в видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах хрящевых тканей и разработка методов оценки состояния тканей суставов на их основе
Разработка методов флуоресцентной диагностики патологических и здоровых тканей зубов

Ключевые публикации:

http://dx.doi.org/10.1002/lsm.23 788

http://dx.doi.org/10.3390/photonics10121353

https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2 824 800&TypeFile=html

https://doi.org/10.1002/jbio.202 200 149

https://doi.org/10.1088/1361−6463/ad6270

https://doi.org/10.18 287/JBPE22.08.40 507

Фундаментальная фотофизика

Природные системы — отдельные клетки, биожидкости и ткани — состоят из большого количество различных по строению органических молекул, каждая их которых обладает своим уникальным оптическим откликом. Из-за этого описание оптики таких систем часто оказывается сугубо эмпирическим и феноменологическим, а физические и химические механизмы, лежащие в основе формирования их оптического отклика, остаются за скобками. Понимание фотофизических процессов в природных системах возможно через фундаментальные исследования отдельных биологически молекул-флуорофоров и хрофоморов, а также гетерогенных систем флуорофоров с использованием методов стационарной и время-разрешенной оптической линейной и нелинейной спектроскопии.

Основная цель направления:

Фундаментальные исследования фотофизических свойств и механизмов формирования оптического отклика в биологических системах
Основными задачами по данному направлению являются:

Объяснение формирование флуоресцентного отклика в красной и ближней инфракрасной области спектра в широком классе биотканей человеческого организма
Исследование фотофизических свойств меланина для задач диагностики
Поиск новых эндогенных оптических молекул-репортеров в организме, позволяющих проводить биомедицинскую диагностику на их основе
Разработка новых методов визуализации фотофизических характеристик молекул в клетках и тканях: микроскопия насыщения флуоресценции в однофотонном и двухфотонном режимах
Создание моделей формирования оптического отклика природного органического вещества в природных водах и создание методов диагностики состояния воды на их основе

Ключевые публикации:

https://doi.org/10.3390/molecules25081863
https://iopscience.iop.org/article/10.1070/QEL17963
https://doi.org/10.1364/OL.465605
https://doi.org/10.1364/BOE.512188
https://doi.org/10.1021/acs.estlett.2c00161
https://doi.org/10.1021/acs.est.1c00998

Фотоника в эндокринологии

Эндокринные органы удивительным образом отличаются богатством разнообразия своего флуоресцентного отклика. Паращитовидная железа и надпочечники обладают ярким флуоресцентным откликом в видимом и ближнем ИК диапазоне, а диффузное рассеяние света в тканях этих органов отлично от других тканей за счёт особенностей строения “упаковки” клеток в них. С одной стороны, уникальность оптического отклика позволяет строить новые прикладные методы визуализации и диагностики эндокринных органов. С другой стороны неразрешенным остаётся фундаментальный вопрос, что именно — какие молекулы-флуорофоры, какие типы клеток, какие процессы в них — делает отклик эндокринных органов столь разнообразным.

Целью этого направления исследований и прикладных разработок лаборатории является фундаментальные исследования оптических свойств эндокринных органов и разработка методов диагностики для эндокринологии на их основе.

Основные задачи:

Фундаментальные исследования оптических, в первую очередь флуоресцентных, свойств паращитовидной железы и надпочечника: выделение флуорофора, ответственного за красную и ближнеинфракрасную флуоресценцию, определение его структуры и фотофизических свойств;
Создание методов дифферециальной диагностики: тканей щитовидной, паращитовидной желез, надпочечника и других видов тканей во время операционного вмешательства;
Разработка методов ранней онкодиагностики на основе эндогенного оптического отклика клеток эндокринных органов.

Ключевые публикации:

ИИ в биофотонике

Оптический отклик биологических систем настолько сложен и разнообразен, что описать его аналитически простыми математическими моделями зачастую невозможно. На помощь в таком случае приходят методы машинного обучения, которые “обращают” задачу и строят необходимую модель напрямую из накопленного массива данных. Благодаря этому можно “перевести” измеряемый оптический сигнал в понятные интересующие человека результаты: здорова ли ткань или поражена заболеванием, является ли вид микроорганизма опасным для человека, наблюдаются ли на изображении участки тканей с вредоносными клетками, и где именно они находятся. Позволяют выделить “внутреннюю структуру” в данных — разделить независимые компоненты, охарактеризовать их вклад, выделить группы, отличающиеся по своему оптическому отклику. Машинное обучение таким образом оказывается удобным инструментом, помогающим в решении большого пула различных задач биомедицинской фотоники.

Цель данного направления:

Разработка и верификация моделей машинного обучения и искусственного интеллекта для решения широкого круга задач биофотоники.

На настоящий момент в рамках развития ИИ в биофотоники решаются следующие задачи:

Разработка методов анализа спектральных данных флуоресцентного отклика, спектров комбинациного рассеяния и оптической визуализации для идентификации широкого круга патогенных и непатогенных микроорганизмов
Разработка методов машинного зрения для анализа трёхмерных карт оптической когерентной томографии кожи для диагностики аутоимунных заболеваний
Создание подходов анализа молекулярных графов для предсказания оптических свойств органических соединений для поиска новых флуорофоров в организме человека.

Ключевые публикации:

https://doi.org/10.1039/d0an02480e
https://doi.org/10.1073/pnas.2118241119
https://journals.ioffe.ru/articles/56618

Неинвазивные сенсоры

Несмотря на то, что свет видимого и ближнего инфракрасного диапазона неглубоко проникает внутрь организма, даже по исследованию верхних слоёв кожи, можно получить информацию о большом количестве диагностически значимых веществ организма. Данное направление ставит перед собой задачу не только исследовать оптический отклик тканей организма, но и создать на основе него неинвазивные сенсоры, позволяющие проводить полностью неинвазивную, то есть не требующую вмешательства, диагностику состояния организма.

Цель направления:

Разработка сенсоров для неинвазивной биомедицинской диагностики на основе методов фотоники.

Основные задачи:

Создание оптического сенсора для определения состава тела человека — определения костной и мышечной массы, содержания воды и липидов;
Разработка диагностических показателей для мониторинга отёчного синдрома на основе данной методики;
Создание метода неинвазивного определения уровня гемоглобина по данным оптической визуализации, спектроскопии диффузного отражения и визуализации с пространственно-структурированным излучением.

Ключевые публикации:

https://doi.org/10.1039/D3AY01901B
https://doi.org/10.1002/jbio.202300509
https://doi.org/10.1038/s41598-024-73084-6
https://doi.org/10.1038/s41597-024-03895-9

Молекулярная диагностика

Оптический отклик отдельных молекул, входящих в состав биожидкостей, клеток и тканей, часто является специфичным к конкретному виду заболевания или состоянию исследуемой системы. Например, флуорофоры в плазме крови могут демонстрировать характерные изменения спектральных характеристик при онкологических заболеваниях. Клетки злокачественных новообразований наблюдаются изменения в метаболизме, которые можно выявить с помощью флуоресцентной микроскопии и анализа времени жизни флуоресценции. Оптические методы позволяют оценивать уровень окислительного стресса в клетках или отслеживать воспалительные процессы. Создание, разработка и правильное использование таких “оптических маркеров” открывает путь к созданию новых быстрых, точных и простых методов диагностики для скрининга и поиска конкретных заболеваний.

Основная цель направления:

Исследование и разработка новых оптических маркеров молекулярной диагностики отдельных биожидкостей, клеток и тканей.

Задачи направления:

Исследование оптического отклика плазмы крови с помощью методов флуоресцентной и колебательной спектроскопии для широкого круга задач биомедицинской диагностики;
Создание и совершенствование методов оценки метаболического статуса клеток по данным флуоресцентной микроскопии с визуализацией времени затухания флуоресценции (FLIM) для задач онкодиагностики;
Разработка тест-систем для клеток и плазмы крови на основе новых биосовместимых материалов.

Ключевые публикации:

https://doi.org/10.1016/j.saa.2022.122028
https://doi.org/10.1039/D4AN01215A
https://doi.org/10.1073/pnas.2118241119
https://doi.org/10.1002/anie.202107063