Презентация докторской диссертации на соискание премии имени И.И. Шувалова
«Оптика эндогенных флуорофоров: фотофизические процессы и применение для биомедицинской диагностики»
6 декабря 2024
11:15 – 11:40
Ширшин
Евгений
Александрович
доктор физико-математических наук, доцент кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ
Ширшин
Евгений Александрович
доктор физико-математических наук, доцент кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ
Модератор:
Белокуров Владимир Викторович
доктор физико-математических наук, профессор, и.о. декана физического факультета МГУ
Аннотация:
Оптические методы нашли широкое распространение в исследовании живых систем. С их помощью методов изучаются межмолекулярные взаимодействия, процессы в клетках и биотканях, создаются сенсорные системы. В то же время использование внешних меток для повышения чувствительности и специфичности оптических методов затруднено при измерениях на людях in vivo. Интерес представляет использование эндогенного контраста — оптического сигнала от молекул, уже присутствующих в образце (клетке, биожидкости, ткани). Целью работы являлось выявление новых эндогенных молекул-флуорофоров в организме человека и исследование их фотофизических свойств, а также создание методов визуализации и диагностики на основе эндогенной флуоресценции.
Для ряда описанных в литературе эффектов природа эндогенной флуоресценции является дискуссионной. К таким наблюдениям относится, в частности, эндогенная флуоресценция в ближней инфракрасной (ИК) области спектра. Более того, ряд эндогенных источников флуоресценции представляет из себя не индивидуальные молекулы, а сложные гетерогенные смеси флуорофоров, которые, несмотря на химические и структурные различия, проявляют общность оптических свойств, механизмы формирования которых являются малоизученными.
Показано, что появление у биомолекул, в том числе, в клетках, эндогенной флуоресценции и поглощения в видимой и ближней ИК области спектра связано с образованием гетерогенных систем флуорофоров, появляющихся за счет химических модификаций. При этом причиной единообразия оптического отклика является наличие сверхбыстрого перераспределения энергии электронного возбуждения и статистическое усреднение свойств входящих в состав гетерогенных систем молекулярных флуорофоров.
Развит ряд подходов для исследования фотофизических свойств флуорофоров и визуализации их в сложных системах, в частности, метод микроскопии насыщения флуоресценции, позволяющий визуализировать сечение двухфотонного поглощения флуорофоров по образцу. Предложена методика детектирования субпопуляций клеток в тканях путем анализа параметров релаксации флуоресценции эндогенных флуорофоров в них, с помощью которой впервые визуализированы иммунные клетки в коже человека in vivo.
Таким образом, продемонстрированы новые фотофизические механизмы формирования оптического отклика гетерогенных систем флуорофоров и развиты подходы к биомедицинской визуализации и диагностике на основе флуоресцентной спектроскопии, многофотонной томографии с картированием времени затухания флуоресценции.
Практическое применение полученных результатов
На основе полученных результатов было создано несколько методов биомедицинской диагностики и реализующих их приборов. Создана система навигации по хирургическому полю при проведении операций с использованием лазерных систем — прибор выпускается под названием Urolase+ НТО «ИРЭ Плюс». На основе исследования механизмов формирования эндогенной флуоресценции в ИК области спектра разработана система для навигации по хирургическому полю в эндокринологии. Применения полученных в диссертационной работе результатов лежат в области интраоперационной диагностики, неинвазивной диагностики физиологических параметров и клинической лабораторной диагностики.