Исследователи из Института лазерной физики СО РАН развивают метод импульсной терагерцовой спектроскопии для диагностики сахарного диабета по характеристикам воды в плазме крови. Также учёные работают над созданием технологии неинвазивного определения этого заболевания.

Терагерцовый диапазон освоен сравнительно недавно. Долгое время широкое применение ТГц излучения было ограничено из-за отсутствия удобных для потребителей источников излучения. Первые статьи по исследованию влияния ТГц излучения на биологические объекты  опубликованы в 70-х годах прошлого века, а с  2000-х, когда появились новые принципы его генерации, были созданы новые источники и детекторы, направление получило новый виток развития.

Частотные характеристики терагерцового излучения охватывают диапазон от 0,1 до 10 ТГц. Широкое распространение получили широкополосные источники от 0,1 до 4 ТГц, которые применяются в ТГц импульсной спектроскопии.

Терагерцовое излучение привлекательно не только тем, что открывает новые перспективы перед фундаментальной наукой, но и тем, что имеет широкий спектр практических применений. Оно позволяет проводить спектральный анализ через упаковочный материал — полимерные покрытия или сухую бумагу, благодаря чему его используют для проверки содержимого почтовых конвертов на наличие вредных веществ — наркотиков или спор биологического оружия. Также с помощью этого излучения можно проводить анализ на присутствие каких-то предметов под одеждой, что уже используется в аэропортах. Кроме того, терагерцовый диапазон очень чувствителен к воде — если человек начинает нервничать, на его лице выступают капельки пота, и всё будет видно на аппарате. Это позволяет применять терагерцовое излучение в системах наблюдения в общественных местах для выявления террористов и прочих социально опасных личностей.

Методика сибирских учёных как раз построена на использовании эффекта чувствительности излучения терагерцового диапазона к воде. Измеряемая с помощью ТГц спектроскопии характеристика — это состояние самой H₂O, преобладающей в биологических образцах. Изменения пропорций свободной и связанной воды, изменение времен релаксации для каждого из этих состояний — все это проявляется в ТГц диапазоне частот. Вещества, которые находятся в плазме крови или в каких-то растворах, оказывают очень большое влияние на H₂O. Эта жидкость может быть свободной или связанной водородными связями с соседними молекулами воды или молекулами растворенных веществ. Также она способна окружать молекулы растворенных веществ (например, сахаров), создавая гидратные оболочки. Так, вокруг молекулы глюкозы находится 18 её молекул, вокруг молекулы основного транспортного белка альбумина — около 300. Кроме того, идет постоянный обмен молекул воды между связанным и свободным состоянием.

Терагерцовая спектроскопия позволяет детально охарактеризовать молекулы H₂O: определить их времена релаксации, понять, как они изменяются, измерить, что происходит при взаимодействии белков и их субстратов в растворах.

«Вода ведёт себя иначе при разных заболеваниях. Например, при диабете становится высоким содержание глюкозы, изменяется белковый состав плазмы, увеличивается количество липидов. Всё это оказывает большое влияние на H₂O, на её организацию, и это отлично просматривается на наших спектрах терагерцового поглощения, — рассказывает заведующая лабораторией лазерной биофизики ИЛФ СО РАН доктор биологических наук Ольга Павловна Черкасова. — Когда мы стали работать с плазмой крови, оказалось что просто по спектрам этой плазмы можно отличить здоровых крыс от больных».+

Сейчас ТГц импульсная спектроскопия  активно развивается применительно к диагностике рака в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана, Московском государственном университете  им М. В. Ломоносова, Санкт-Петербургским национальным исследовательским университетом информационных технологий, механики и оптики и некоторых других институтах. Кровеносные сосуды опухоли накапливают  много воды, и именно по её содержанию с помощью террагерцового излучения можно чётко определить границу новообразования.

Развиваемый сибирскими учёными метод терагерцовой импульсной спектроскопии работает следующим образом: небольшой фемтосекундный лазер светит на полупроводник, который под этим воздействием начинает генерировать терагерцовое излучение, а уже его направляют на образец. Детекция происходит также на кристаллах полупроводников. Наблюдая за поведением сигнала, можно определять характеристики того или иного вещества.

Для выявления малых изменений в растворах и повышения достоверности наблюдаемых отличий новосибирские исследователи предлагают использовать сразу два независимых метода: измерять спектры пропускания и отражения образцов. 

«Почему мы используем две технологии сразу? Каждый спектрометр имеет свои особенности и лучше работает на тех или иных частотах. Для того чтобы исследовать низкие частоты около 0,1 ТГц мы должны работать в кювете (то есть на пропускание), но с другой стороны есть и другой диапазон — около 1—3 ТГц, где лучше работать на отражение. И поэтому, чтобы описать хорошо весь спектр, мы применяем и то, и другое», — рассказывает исследовательница.

Возможности метода были показаны на исследовании плазмы крови крыс с вызванным экспериментальным диабетом.  Для того чтобы у подопытных животных появилась эта болезнь, им в кровь однократно вводят вещество алаксан, оно специфически взаимодействует с клетками поджелудочной железы, в которых вырабатывается инсулин, и эти клетки отмирают, из-за чего у крыс развивается диабет первого типа, характеризующийся высоким уровнем стероидных гормонов и глюкозы в крови. Эти изменения нарастают в зависимости от времени, прошедшего с момента введения препарата.

Учёные работали с животными, срок развития диабета у которых составил 14 суток. Плазму крови исследовали методами терагерцовой и флуоресцентной спектроскопии.

«Крысы на введение алаксана реагируют по-разному в зависимости от своего первоначального состояния. Одни — очень бурно, у них диабет развивается быстро и тяжело, некоторые вообще умирают в первые день-два. А другие практически нечувствительны к введению этого вещества, и если и показывают какие-то симптомы, то в гораздо меньшей степени. С помощью нашего метода мы можем по спектрам разделить плазму крови здоровых крыс из контрольной группы и устойчивых к диабету (здесь она различалась не сильно) и тех, которые бурно реагируют на эту болезнь», — говорит Ольга Черкасова.

В ближайшее время учёные надеются провести исследование на плазме крови человека, здесь уже работа будет в плотном контакте с медиками.

«Сама плазма крови у нас очень отличается по составу. Если у крыс она желтоватая и жидкая, то у людей  — более вязкая, содержит много разных веществ, поэтому с ней работать сложнее, — отмечает исследовательница. — Сейчас налаживаются контакты с НИИ клинической и экспериментальной лимфологии ФИЦ ИЦиГ СО РАН, у них есть своя клиника, и уже получены предварительные договоренности. Также у нас есть контакты с Научно-исследовательский институтом экспериментальной и клинической медицины. Другая проблема в том, что терагерцовое излучение еще не до конца изучено. Непонятно, как оно взаимодействует с клетками, какие существуют границы его диагностического применения, неизвестны безопасные дозы облучения. Если для других диапазонов есть санитарные нормы, то для этого излучения они ещё не разработаны. Кроме непосредственного его воздействия на организм облучаемого, необходимо, например, выяснить, какие отдалённые последствия оно будет иметь для людей, которые эти установки обслуживают.

  Также новосибирские исследователи развивают неинвазивную диагностику сахарного диабета с помощью терагерцового излучения. Они хотят разработать аппарат для определения глюкозы, который нужно будет просто прикладывать к коже.

«Сейчас создаются довольно компактные приборы, они позволяют приблизить эту технику к реальному пациенту и дают возможность разработки неинвазивных технологий определения спектральных характеристик кожи в зависимости от уровня глюкозы в крови, — рассказывает Ольга Черкасова. — Меняется уровень глюкозы — меняется кровоток — и меняются оптические характеристики, которые мы можем регистрировать».

Пока эта технология находится на стадии отработки методических подходов —  схем эксперимента, инструментальных данных, характеристик точности. Для диагностики диабета терагерцовое излучение ещё  не используется. Чтобы внедрить его в клинику, нужно пройти долгий путь. Сейчас одни лаборатории сосредоточены на усовершенствовании установок — необходимо сделать их более простыми в эксплуатации, дешевыми и компактными, а другие — отрабатывают методики применения терагерцового излучения.

Автор: Диана Хомякова

Фото: предоставлено Ольгой Черкасовой (1), Василия Коваля (2)