В Сколтехе разработали основу эндоскопа для изучения бляшек в сосудах

Зонд на основе микроструктурированного оптического волновода, позволяющий изучать с помощью лазерного излучения и чувствительного микрофона биомолекулы, разработали ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) и их коллеги, сообщает пресс-служба Сколтеха 3 декабря на официальном интернет-портале.

Авторы исследования разрабатывают технологию, с помощью которой можно изучать состав атеросклеротической бляшки на стенках кровеносных сосудов. Оптоакустическая визуализация является перспективной технологией в медицинской диагностике. В отличие от компьютерной томографии в оптоакустике используется не рентгеновское излучение, а обычный свет и звуковые сигналы.

Принцип действия состоит в том, что клетки при облучении мигающим лазером на разных длинах волн начинают вибрировать, и этот процесс засекает чувствительный ультразвуковой микрофон. В зависимости от длины волны света можно заставлять вибрировать клетки разных видов, получая, таким образом, информацию о составе бляшки.

В исследовании принимали участие три научных коллектива из Сколтеха, а также российские и зарубежные академические и индустриальные партнеры из Института спектроскопии РАН, МИФИ, ООО «Наноструктурная технология стекла», Института биологической и медицинской визуализации Мюнхенского центра имени Гельмгольца, Тель-Авивского университета. Результаты работы опубликованы в журнале ACS Photonics 3 ноября.

Исследуемая ткань облучается импульсами лазера на длине волны, на которой поглощают свет отдельные «биомаркеры», например, гемоглобин, коллаген или вода. При поглощении света вещество нагревается и расширяется, а в интервалах между посылаемыми сигналами успевает обратно сжаться. Периодическое расширение вызывает механическое колебание на очень высоких частотах. Этот ультразвук регистрируется чувствительным микрофоном, показывая присутствие и местоположение искомых молекул.

Оптоакустика, в отличие от компьютерной томографии, позволяет выборочно визуализировать конкретные «биомаркеры». Изменяя длину волны возбуждающего ультразвук лазера, исследователь может определять присутствие разных молекул. Указывается, что ультразвук затухает в биологических тканях меньше, чем свет, что позволяет заглянуть в организм глубже.

«В этом году FDA [Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США] одобрило оптоакустическую диагностическую систему для скрининга рака молочной железы. Только одобренный аппарат не предназначен для введения в тело. Он оснащен довольно громоздким лазером и микрофоном», —сообщил руководитель исследования, профессор Сколтеха Дмитрий Горин.

По словам Горина, в случаях, когда свет не может проникнуть достаточно глубоко, для диагностики можно вводить в тело зонд. «Чтобы, например, рассмотреть изнутри стенки сосудов или органов. Это могло бы пригодиться для работы с атеросклеротическими бляшками: их анализа или даже микрохирургии. Такой зонд должен быть очень тонким и желательно без проводов», — добавил ученый.

Ранее такую технологию предложили британские коллеги. Авторы исследования Сколтеха и их партнеров работают над развитием данной технологиии. Они создали зонд, представляющий собой оптоволокно, по которому к месту исследования доставляются вспышки света. На кончике зонда расположена крошечная мембрана микрофона.

Система включает два лазера. Первый лазер с помощью импульсов света, доходящих до конца зонда и проходящих сквозь мембрану, возбуждает биомаркеры, заставляя их генерировать акустические волны. Другой лазер считывает колебания мембраны, вызванные ультразвуком.

«Как микрофон, только вместо электричества — свет. В качестве мембраны микрофона мы использовали 100-нанометровую пленку из углеродных нанотрубок. А чтобы можно было считать с нее сигнал лазером, на мембрану напылено брэгговское зеркало из диоксидов титана и кремния. В итоге мы можем зарегистрировать, как колеблющееся вместе с мембраной зеркало модулирует сигнал лазера», — пояснил первый автор работы, Никита Кайданов из Сколтеха.

Коллектив из Сколтеха использовал микроструктурированное волокно с полой сердцевиной, предоставленное промышленным партнером Сколтеха, ООО НПП. По все длине зонда по центру имеется полость, меняющая оптические характеристики прибора. Это позволяет проводить свет в среднем инфракрасном диапазоне, который подходит для визуализации дополнительных биомаркеров: углеводов, липидов и белков.

«Таким образом, опубликованное в ноябре в ACS Photonics исследование приближает момент создания рабочего оптоакустического эндоскопа», — подчеркивает пресс-служба.

Как сообщили ученые, они убедились, что колебания успешно считываются созданной системой, и измерили «фоновый» сигнал системы из-за возбуждения мембраны лазером. По словам исследователей, теперь стал возможным следующий шаг — попробовать принять реальный ультразвуковой сигнал от биомаркеров в образце. Это докажет, что устройство работает.