Tема нашего сегодняшнего выпуска научно-популярной рубрики - оптическая томография, то есть, трехмерная лазерная диагностика. С помощью лазера можно наблюдать за живыми клетками в технологии 3D. Этот новый метод можно использовать, прежде всего, в медицине, но также в других областях. Он дает возможность получить изображение всех биологических структур и применяется в медицинской диагностике. Оптическая томография позволяет не только следить за процессами на молекулярном уровне, например, за процессом апоптоза, то есть омертвения клетки, но и проверить, как действуют на клетки субстанции, применяемые в натуральной медицине, и можно ли их использовать как лекарства при различных заболеваниях. До сих пор применяемые методы рентгеновского снимка (в двух измерениях), а также компьютерная томография с использованием ионизирующего излучения Х, не являются полностью безопасными для здоровья человека.
Метод оптической томографии разработал польский инженер, кандидат технических наук Войцех Краузе из Института микромеханики и фотоники факультета мехатроники Варшавской политехники. Польское Радио пригласило Войцеха Краузе к беседе.
В чем главное отличие оптической томографии от традиционной компьютерной томографии?
Войцех Краузе: Оптическая томография - очень интересная техника, а оптический томограф - очень интересное устройство. А принцип действия, как мне кажется, не такой уж сложный для понимания. Когда мы подумаем по аналогии о больничном компьютерном томографе, то представляем себе, что пациент «въезжает» в аппарат и подвергается просвечиванию пучком рентгеновских лучей, так называемых лучей Х, которые идут от источника этих лучей, проходят через человека, скажем, через голову, и попадают на детектор. Затем источник и детектор мягко вращаются, и производится очередное просвечивание головы. Таких просвечиваний производится целая серия - от нескольких сотен даже до нескольких тысяч. Все они регистрируются в компьютере, а позже применяя определенные алгоритмы, компьютерные программы, можно из этих одноразовых проекций получить информацию о трехмерной структуре исследуемого объекта. Таким образом из высветленных двухмерных изображений можно получить пространственную трехмерную информацию. Это, напомню, в случае традиционного томографа. Что касается оптического томографа, то ситуация, в принципе, довольно похожа. Однако в оптической томографии не применяется излучение Х, то есть, вместо рентгеновского излучения применяется лазерное. Это первое отличие. Второе - этим методом методике не исследуются крупные объекты, то есть, тело человека или отдельные его части - грудная клетка или голова. Исследуется структура в масштабе микро.
Могли бы Вы подробнее рассказать об этих объектах, и как на них воздействует лазерное излучение, которое используется в оптической томографии?
Войцех Краузе: Чаще всего, это биологические структуры, отдельные биологические клетки, фрагменты тканей или колонии бактерий. Но с тем же успехом это могут быть технические пробы, которые мы также измеряли, например - световоды. Мы часто хвалимся, что наша техника неинвазионная. То есть, просвечивание биологической пробы лазерным светом не вредит объекту. Это своего рода приближение. Наверное, каждый способен представить себе, что лазерный пучок может иметь воздействие, ведь он обладает энергией, мощью. Ведь лазеры применяются не только в хирургии, но и для резки металлов. Так что у света есть разрушительный потенциал. А в нашем случае этот лазерный пучок настолько маломощен, что он не вызывает разрушения клеток, но это не означает отсутствия влияния. Есть такое понятие, как фотохимический эффект, который говорит нам о том, что, если живую биологическую клетку просвечивать даже с малой мощностью, но в течение достаточно продолжительного времени, то это на нее повлияет. Клетка быстрее делится, быстрее движется. И довольно трудно устранить это влияние, решить задачу: как произвести измерение светом без его воздействия на саму клетку. Но нас это в большой степени не интересует. Нас интересуют другие определенные механизмы в клетке, изображение которых мы хотим получить.
Вы по образованию - инженер, техник, но занялись проблемами, связанными с биологией. Почему эта область вошла в круг Ваших научных интересов и разработок?
Войцех Краузе: Честно говоря, я биологией не увлекался во время учебы в лицее. Сейчас должен восполнять пробелы, и мои знания в этой области по-прежнему невелики. При этом биология в наших исследованиях играет значительную роль, поскольку создание нового аппарата или новой техники не имеет смысла без одновременного представления области их применения. Мы решили показать это использование в биологии.
Можно ли сказать, что новаторский метод трехмерного изображения живых клеток - это продолжение Вашей кандидатской диссертации, посвященной трехмерной информации о факторе распределения преломления света в биологических объектах? Что дает знание об этом факторе?
Войцех Краузе: Знание о факторе распределения преломления света в биологических объектах - это то, что мы добываем из наших измерений. Чтобы в полной мере оценить то, что дают наши измерения, стоило бы кратко объяснить, чем является данный фактор. Это информация о том, как быстро свет проходит через объект. Из школьной программы мы знаем, что скорость света составляет 300 000 километров в секунду. Но это в вакууме. И она будет отличаться в зависимости от источника и направленности света. Клетка состоит из разных элементов, поэтому в клетке или, скажем, в воде эта скорость будет разной. А в разных структурах клетки - разная густота, и она в данном случае играет ключевую роль, и именно разницу в этих скоростях мы стремимся обнаружить.
О методе оптической томографии рассказывал разработчик Войцех Краузе. Стоит добавить, что преимущество этого метода в том, что результат можно получить даже при отсутствии полных исходных данных.
PR1/iza