Группа учёных НИТУ «МИСиС» под руководством доктора физико-математических наук, член-корр. РАН Ефима Хазанова (Институт прикладной физики РАН) работает над созданием способа диагностики онкологических заболеваний с помощью лазерных технологий, а также над созданием компонентной базы для лазерно-плазменного ускорителя протонов, одним из приложений которого является терапия рака.

Работа ведётся на базе новой лаборатории НИТУ «МИСиC» «Физические методы, акустооптическая и лазерная аппаратура для задач диагностики и терапии онкологических заболеваний». Лаборатория открыта в рамках реализации программы повышения конкурентоспособности университета, по итогам конкурса, проведенного Международным научным советом университета. Финансирование на два года составило 60 млн рублей.

Сегодня наиболее эффективным методом лечения онкологических заболеваний является облучение злокачественных новообразований с помощью протонного ускорителя частиц. Эта технология доказала свою эффективность: в США и Японии функционируют около 20 центров, применяющих эту технологию. Однако протонный ускоритель — это огромное сооружение, как правило, не менее 30 метров в диаметре, которое требует соответствующей защиты от излучения и весьма дорого в обслуживании. В этом смысле лазерно-плазменный ускоритель существенно более компактное и дешёвое (как минимум, в 10 раз) устройство. На сегодняшний день их не используют ни в одной больнице мира, поскольку параметры даже самых лучших укорителей еще не достигли требований, предъявляемых центрами протонной терапии рака. Протоны и ионы лёгких материалов, таких, как углерод или литий, обладают уникальным свойством: проходя через ткани человека, они поглощаются не по мере проникновения внутрь биоткани, а на фиксированной глубине, что позволяет лечить сегодня даже самые глубокие опухоли. Главная особенность таких частиц — это их большая энергия: частицы с энергией 200 мега электронвольт (200 МэВ) поглощаются на глубине 30 см, что позволяет облучать самые скрытые новообразования. До недавнего времени такой уровень напряжения был доступен только на дорогих и гигантских протонных ускорителях.

«Уже сегодня известны рекорды около 50 МэВ, которые получены в лазерно-плазменных ускорителях — и это не предел, — пояснил профессор Ефим Хазанов. — В то же время, не все опухоли находятся на максимальной глубине, для лечения многих из них вполне достаточно и нынешних достигнутых на лазерах уровней энергии протонов».

Помимо большой энергии частиц для эффективной борьбы с онкологией важна также частота работы лазера. Сегодня лазер необходимой мощности генерирует импульс раз в полчаса, что, очевидно, будет неудобно как для пациентов, так и для больниц.

«По нашему мнению, частоту работы лазера можно увеличить до одного импульса в 5 минут, а впоследствии и до нескольких импульсов в секунду», — добавил профессор Хазанов.

Ещё одно направление исследований научной группы НИТУ «МИСиС» — работа над тем, чтобы сделать лазерное излучение более стабильным, качественным и частым. У протонного ускорителя частиц направление облучения всегда строго определено, у лазерно-плазменного есть некий разброс, речь идёт о доле градуса, но когда речь идет об облучении человека, — это существенно.

Ученые вновь созданной лаборатории работают в тесном сотрудничестве с НТУЦ Акустооптики НИТУ «МИСиС» и Институтом прикладной физики РАН (Нижний Новгород), в котором был разработан и построен один из самых мощных в мире лазеров (5-й на момент создания). Акустооптические методы управления амплитудами и фазами ультракоротких лазерных импульсов в настоящее время представляются наиболее перспективными. Впервые в России дисперсионные акустооптические линии задержки, осуществляющие управление формой лазерных импульсов, были созданы в НТУЦ Акустооптики НИТУ «МИСиС». Используя совместный комплекс оборудования, уже сегодня исследователи разрабатывают новые акустооптические приборы, с помощью которых планируется решить вышеописанные задачи. В частности, конструируются и изготавливаются устройства уширения спектра излучения и управления им. Эффективность решений будет изучена в Нижнем Новгороде.

Работа новой лаборатории НИТУ «МИСиС» в области высокоточной диагностики онкологических заболеваний с применением оригинальных адаптивных гиперспектральных акустооптических систем проводится под руководством доктора медицинских наук, профессора А.Ю. Абросимова в содружестве с Эндокринологическим научным центром Минздрава России (г. Москва) и Биологическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова. Диагностика опухолей, осуществляемая на различных этапах обследования и лечения пациентов, сопряжена с рядом трудностей, которые возникают, как правило, при установлении инкапсулированных опухолей, имеющих фолликулярное строение. Существующие критерии диагностики, основанные на особенностях морфологического строения ядер опухолевых клеток и наличии признаков инвазивного роста, не всегда настолько очевидны, чтобы считать опухоль однозначно доброкачественной или однозначно злокачественной. Последние годы в зарубежной литературе представлены данные о высокой эффективности нового метода дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных опухолей с использованием интраоперационной лазерной флуоресцентной спектроскопии.

НИТУ «МИСиС» (НТУЦ Акустооптики) занимает лидирующие позиции в стране в части разработок гиперспектральных акустооптических систем изображений для обнаружения и распознавания объектов в реальном масштабе времени для задач астрофизики и в космических исследованиях. Сегодня в лаборатории разработан новый тип гиперспектральной акустооптической системы изображений, позволяющей проводить исследования гистологических срезов тканей на внутриклеточном уровне. Ведутся исследования в области адаптивных акустооптических методов повышения контраста мелкомасштабных деталей изображений мазков биопсии и срезов тканей, значимых для дифференциальной диагностики опухолевых заболеваний.

Ефим Хазанов

Доктор физико-математических наук, физик-экспериментатор, специалист в области лазерной физики и нелинейной оптики, член-корреспондент РАН, профессор факультета «Высшая школа общей и прикладной физики» Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. Основные научные результаты Ефима Хазанова получены в области твердотельных лазеров с большой пиковой мощностью, а также лазеров с большой средней мощностью.

Ему принадлежит ряд ключевых идей, лежащих в основе самого мощного в мире параметрического усилителя света и компактного петаваттного фемтосекундного лазера, созданных в Институте прикладной физики РАН по его инициативе и под его руководством. Лазер входит в десятку наиболее мощных в мире, его мощность на порядок превосходит ранее достигнутый в России уровень. В развитии этих работ Ефимом Хазановым предложены и обоснованы пути дальнейшего увеличения мощности вплоть до 100 петаватт. Профессором Хазановым предложены и реализованы методы суммирования лазерных каналов в один пучок с дифракционной расходимостью. В результате созданы лазеры с обращением волнового фронта с рекордной средней мощностью. Им заложены основы нового научного направления — термооптика магнитоактивных сред. Полученные им в этой области пионерские результаты позволили создать магнитоактивные устройства, выдерживающие среднюю мощность лазерного излучения до 10 кВт — на два порядка больше, чем ранее. В настоящее время эти устройства успешно используются во многих лабораториях мира, в том числе в лазерном детекторе гравитационных волн LIGO.

На основе построенной Ефимом Хазановым модели лазерной керамики им предсказан и экспериментально обнаружен эффект, не имеющий аналога ни в стеклах, ни в кристаллах: случайная пространственная модуляция амплитуды, фазы и поляризации пучка.