Лаборатория лазерной биофотоники
Полина Нургалиева, аспирантка физфака
Эта установка работает на принципе ап-конверсии флуоресценции. Она позволяет охарактеризовать флуоресценцию – процесс испускания фотона веществом под воздействием внешнего излучения. Говорят, что флуоресценция имеет некоторое время жизни – это то время, когда молекула находится в возбужденном состоянии после поглощения фотона. Время жизни флуоресценции – очень чувствительный параметр, который в зависимости от изменений в микроокружении молекулы может меняться в тысячу раз. Поэтому если мы умеем его мерить, то можем построить методики для анализа состояния молекул и биомедицинской диагностики.
Характерное время жизни флуоресценции составляет единицы и доли наносекунд. Например, есть системы, в которых оно намного короче – например, пигмент меланин в организме человека, анализ структуры которого важен для диагностики меланомы. На данном приборе мы можем измерять сверхбыстрое затухание флуоресценции с временным разрешением сто фемтосекунд. С ее помощью в своей работе я анализировала сверхбыстрые процессы в белках крови человека и показала, что можно детектировать их структурные изменения, возникающие с возрастом и при диабете. Сейчас мы ведем работу с МНОЦ МГУ по диагностике онкозаболеваний с использованием сверхбыстрой спектроскопии. Мы хотим совместно разработать метод, позволяющий увеличить специфичность скрининга рака простаты.
Денис Давыдов, сотрудник лаборатории биофотоники
Объектом моего исследования является кожа. Я изучаю различные методы определения хромофоров кожи, то есть того, из чего она состоит. Основные хромофоры кожи в видимом диапазоне – это меланин, окси- идезоксигемоглобин, которые определяют ее цвет. Однако есть и хромофоры, которые глазом не видны, – вода, липиды, белки. Они поглощают свет в инфракрасной области спектра, и их тоже можно количественно измерять. Для этого мы используем метод спектроскопии диффузного отражения. Основной принцип метода заключается в том, что есть некоторый источник излучения в инфракрасном диапазоне, от него свет попадает на изучаемый объект, и регистрируется отраженный сигнал. Свет проникает довольно глубоко – примерно на сантиметр.
Мы разработали ряд устройств на этом принципе, которые помогают решению нескольких клинических задач. Вот, например, устройство для диагностики отечного синдрома. С его помощью мы можем точно определить концентрацию воды при отеках, что позволяет контролировать терапию у пациентов с сердечной недостаточностью. Эту работу мы сделали с МНОЦ МГУ. Также этот метод диагностики необходим в спорте для определения общего уровня гидратации организма. Мы научились неинвазивно определять и состав тела человека. Эта работа выполнена совместно с Эндокринологическим центром. Точность определения содержания жира, например, составила 3%.
Несколько слов про специальную экспериментальную установку. Это гиперспектральная камера, она получает изображение в широком диапазоне длин волн. То есть мы можем сфотографировать объект и получить спектр в каждой точке изображения.
Татьяна Тихонова, сотрудница лаборатории биофотоники
На данном приборе я работаю над методом сканирующей проводящей микроскопии, который относится к зондовой микроскопии, позволяет работать с живыми клетками и мягкими материалами. Можно получать их топографию в естественной среде, то есть в жидкости, с очень высоким разрешением (порядка нескольких нанометров).
А теперь расскажу подробнее про механизм работы прибора. Например, жировая клетка помещается в чашку Петри. В качестве зонда служит капилляр из стекла. Он заполняется электролитом (жидкость, содержащая соли), соответственно, жировая клетка тоже заполняется электролитом. В системе имеется два электрода: один из них помещается в капилляр, другой – в чашку Петри. Затем при подаче напряжения в системе проходит ток. Когда капилляр начинает подходить к образцу, ток начинает уменьшаться за счет уменьшения диффузионов. И в какой-то момент он останавливается, начинает сканировать поверхность и повторять ее рельеф.
Преимущество данного метода в том, что в основе лежат скачкообразные движения, то есть получается точно отобразить поверхность. Так можно получить топографию образцов очень сложной структуры, не задевая их.
Изначально метод был разработан в 1989 году, а потом совершенствовался в течение 10 лет.
Это отличный пример того, как можно получать фото с очень высоким разрешением самых сложных структур.
Также в оптической системе мы показываем клетки нейробластомы (раковые клетки). Подводится капилляр, и мы видим структуру клетки с хорошим разрешением. Мы можем определенным образом красить флуоресцентными метками какие-то структуры наших клеток и получать флуоресцентное изображение самих клеток.
Существует много задач, решаемых с помощью нашего метода. Во-первых, можно исследовать ионные каналы у клеток (трансмембранные белки, которые содержатся в мембране клеток). С помощью данного прибора можно подводить капилляр плотно к клетке, создавать контакт и измерять, например, локацию ионных каналов, их виды у данной конкретной клетки. Также клетку можно стимулировать электрически или химически, то есть смотреть от самой клетки на такую стимуляцию и измерять ее ток через каналы. Это электрофизическая задача.
Помимо этого можно смотреть мембранный потенциал клетки. Мы создаем плотный контакт между капилляром и клеткой, затем убираем часть клетки, и зонд проходит в саму клетку – измеряется разность потенциалов внутри и снаружи клетки. Сейчас мы как раз измеряем мембрану потенциалов клеток, тромбоцитов при их активации. Тромбоциты – это клетки крови, которые ответственны за ее свертываемость. Мы активируем в наших задачах тромбоциты абсолютно также, как это происходит в организме. Поскольку наш прибор содержит флуоресцентный канал, мы смотрим одновременно с мембранным потенциалом выход плотных гранул из клеток. В этом случае наш прибор уникальный, потому что для подобных задач нет приборов, которые соединяют измерение мембранного потенциала и флуоресцентного канала.
Еще об одной задаче. Она состоит в том, что мы проводим исследования формирования скаффолдов (каркасов) для регенеративной медицины. Это некие биоматериалы, в которые добавляются клетки, факторы роста и какие-то витамины. В этой среде клетки должны себя хорошо чувствовать, развиваться. Мы исследуем как раз создание таких материалов и их механические свойства.
Также мы активно сотрудничаем с МНОЦ МГУ как раз с задачей по тромбоцитам – берем кровь, активируем тромбоциты и смотрим мембранный потенциал.
Таким образом, в основном, этот метод предназначен для исследования живых клеток, то есть очень мягких структур. Нашим методом можно более часа в динамике исследовать клетку, никак не повреждая ее.
Поступайте на физфак МГУ — присоединяйтесь к команде лаборатории лазерной биофотоники!