автор лого - Климентий Левков Дом ученых и специалистов Реховота
(основан в июле 1991 года)
 
 
В Доме ученых и специалистов:
----------------
 
 
Архив
 
Дом ученых и специалистов Реховота
 
Биофотоника: Использование новых методов изучения живого организма

 

июнь, 2011г.

 

Доктор Вячеслав Кальченко

(Институт Вейцмана)

 

Отдел оптической визуализации нашего департамента занимается научными исследованиями в области биофотоники и разработкой оптических технологий для визуализации внутренней структуры биологических объектов.

Термин "биофотоника" обозначает сочетание биологии и фотоники и является общим термином для всех методов, изучающих взаимодействие биологической ткани и фотонов. Исследования в области биофотоники дают понимание механизмов физиологических и патологических процессов протекающих в живом организме, на клеточном и молекулярном уровне. Свет уникален не только тем, что даёт возможность зрительно наблюдать процессы протекающие в организме, но ещё и тем, что позволяет воздействовать на живые организмы без разрушения их структуры. Биофотоника успешно решает диагностические задачи, связанные с неинвазивным определением различных физиологических параметров, таких как изменение в крови концентрации кислорода, глюкозы, различных хромофоров и др.

Особое место в задачах оптической диагностики занимает разработка неинвазивных методов визуализации и количественной оценки микроциркуляции кровотока и лимфотока in vivo. Микроциркуляция - это собирательное понятие, которое объединяет ряд явлений, происходящих в мелких сосудах периферийной кровеносной и лимфатической систем, а также в межклеточном пространстве биоткани.

Нарушения микроциркуляции кровотока и лимфотока могут быть признаками патологических процессов, тесно связанными с различными заболеваниями, такими как диабет, атеросклероз, ишемическая болезнь сердца и др.

К числу наиболее известных на сегодняшний день оптических и неоптических методов, используемых для визуализации и мониторинга функций микроциркуляторного русла, относятся : магнитно-резонансная томография, позитронно-эмиссионная томография, ультразвук, компьютерная капилляроскопия, конфокальная микроскопия, оптическая когерентная томография, оптическая допплеровская томография, лазерная допплеровская спектроскопия, лазерная спекл-контрастная визуализация, ортогональная поляризация спектральных изображений, динамическое рассеяние света, диффузно-волновая спектроскопия, лазерная диффузионная допплеровская скоростеметрия.

Следует отметить, что существенным недостатком большинства вышеперечисленных методов является невозможность одновременного мониторинга кровеносных и лимфатических микрососудов in vivo.

В нашей лаборатории разработан новый, мультимодальный подход к оптической диагностике для одновременной неинвазивной in vivo визуализации кровеносных и лимфатических микрососудов, в котором сочетается использование флуоресцентной интравитальной микроскопии и метода динамического рассеяния света. Такой подход позволяет отказаться от применения флуоресцентных маркеров для визуализации кровеносных сосудов и тем самым существенно уменьшить токсичность контрастного флуоресцентного вещества и минимизировать побочные действия вызываемые его применением. Разработанный нами мультимодальный подход, наряду с возможностью получения изображений лимфатических и кровеносных микрососудов с высоким пространственным разрешением, позволяет наблюдать изменение проницаемости последних в реальном времени.

Начало применению интравитальной микроскопии для изучения микроциркуляции было положено в 1846 г. Волером (Waller), изучавшим прохождение эритроцитов через микрососуды языка лягушки. При дальнейшем развитии метода были предложены различные усовершенствования, например использование вживленных в складки кожи уха подопытного животного специальных прозрачных пластинок, позволяющих проводить длительные наблюдения за микроциркуляцией в процессе заживления ран, а при наличии вживленной эпителиальной опухоли - в процессе роста опухоли. Кроме того, активно использовалась возможность вызывать свечение введенного в организм флуоресцентного вещества в ответ на внешнее световое воздействие. С этого времени метод становится известным как метод флуоресцентной интравитальной микроскопии. Визуализация флуоресценции позволяет выявить пространственную локализацию флуорофоров в тканях исследуемого биологического объекта, что обусловлено способностью флуорофоров связываться с определенными молекулами в живом организме.


Пример термоизображения животного (кот)
Пример термоизображения животного (кот)

Существенным преимуществом данной методики является возможность получения изображения внутренней структуры биоткани в реальном времени с высоким пространственным и временным разрешением, что особенно важно при изучении анатомии и физиологии кровеносных и лимфатических сосудов в контексте системных взаимодействий последних.

Развитие метода динамического рассеяния света применительно к задачам диагностики оптически неоднородных динамических рассеивающих сред началось в конце 1960-х годов. Этот метод основан на статистическом анализе интенсивности лазерного излучения, рассеянного движущими частицами. Вследствие относительно низкой скорости движения рассеивающих частиц, допплеровский сдвиг оказывается достаточно малым в сравнении с собственной частотой падающего света. Метод динамического рассеяния света называют также методом квазиупругого светорассеяния, методом спектроскопии оптического смешения и корреляции фотонов, методом светобиений, лазерной корреляционной спектроскопией, лазерным гетеродинированием.

Основная идея метода динамического рассеяния света заключается в том, что падающее лазерное излучение рассеивается в среде. В результате на поверхности фотоприемника происходит сложная интерференция волн, обусловленная рассеянием света различными макро и микронеоднородностями среды. При этом наблюдается неподвижная интерференционная картина, так называемая спекл-картина. Когда рассеиватели движутся, интерференционная картина меняется - интенсивность излучения в каждой точке фотоприемника флуктуирует. Другими словами, в процессе рассеяния появляется новая, рассеянная волна, основная частота которой таже, что и у падающей световой волны, но амплитуда и фаза модулированы синхронно с флуктуациями диэлектрической постоянной среды. Чтобы извлечь информацию, содержащуюся в модуляции, нужно демодулировать рассеянный свет и получить спектральную плотность мощности модуляции интенсивности.

Для анализа временной зависимости флуктуаций интенсивности рассеянного излучения, обусловленных движением рассеивающих частиц, необходимо проанализировать спектр рассеянного света. Таким образом, в методах динамического рассеяния света, измеряемой величиной является спектр мощности флуктуаций потока или временная автокорреляционная функция интенсивности рассеянного излучения.

 

На примере этих двух методов и уникальной их комбинации, я попытался дать вам общее представление о задачах решаемых нашим подразделением. Большое место в нашей работе также занимают эксперименты, связанные с определением кинетики и характерных паттернов распределения веществ внутри живого организма, изучением температурных градиентов и их изменения при различных физиологических и патологических состояниях.

июль, 2011 г.   

Copyright © Доктор Вячеслав Кальченко
(Институт Вейцмана)    

Обсудить на форуме





Страница 2 из 2
  ГлавнаяДневник мероприятийПлан на текущий месяц     Copyright © rehes.org
Перепечатка информации возможна только при наличии согласия администратора и активной ссылки на источник! Редакция не несет ответственности за отзывы, оставленные посетителями под материалами, публикуемыми на сайте. Мнение редакции не всегда совпадает с мнением автора.