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.

Диана Хомякова

Источники

Сибирские учёные разрабатывают методы диагностики диабета с помощью терагерцового излучения
Наука в Сибири (sbras.info), 27/07/2017
Сибирские ученые разрабатывают методы диагностики диабета с помощью терагерцового излучения
Diabet-news.ru, 27/07/2017
УЧЕНЫЕ В СИБИРИ РАЗРАБОТАЛИ МЕТОДИКУ ДИАГНОСТИКИ ДИАБЕТА С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА
Diabet-news.ru, 27/07/2017
Сибирские ученые создают методику неинвазивной диагностики сахарного диабета
Sibmeda.ru, 28/07/2017
В Новосибирске разработали лазерную методику диагностики диабета
ВашГород.ру (vashgorod.ru), 28/07/2017
Сибирские ученые разработали лазерную методику диагностики диабета
Inline.ru, 31/07/2017
Новосибирские ученые начали разработку нового метода диагностики диабета
Top100News (cmk1.ru), 30/07/2017
В Сибири разработали новый метод диагностики диабета
Безопасность (bezopasnost-tv.ru), 30/07/2017
Физики из Новосибирска разработали лазерную методику диагностики диабета.
Business FM (bfm-nn.ru), 30/07/2017
Физики из Новосибирска разработали лазерную методику диагностики диабета
Business FM (bfm.ru), 30/07/2017
Физики из Новосибирска разработали лазерную методику диагностики диабета
Новости@Rambler.ru, 30/07/2017
Сибирские ученые разработали лазерную методику диагностики диабета
Федеральная Грузинская национально-культурная автономии в России (kartvelebi.ru), 30/07/2017
Сибирские ученые разработали лазерную методику диагностики диабета
NewsRbk.ru, 30/07/2017
Сибирские ученые разработали лазерную методику диагностики диабета
Пульс Планеты 24/7 (puls-planety247.ru), 30/07/2017
Сибирские ученые разработали лазерную методику диагностики диабета
1nnc.net, 30/07/2017
Сибирские ученые разработали лазерную методику диагностики диабета
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 30/07/2017
Сибирские ученые разработали лазерную методику диагностики диабета
Экспресс К.kz, 30/07/2017
Ученые из Новосибирска разработали новейшую методику диагностики диабета
E-gorlovka.com.ua, 31/07/2017
Новосибирские ученые начали разработку нового метода диагностики диабета
Unionnews.ru, 31/07/2017
Лазерное око обнаружит болезнь
Медицинская газета (mgzt.ru), 31/07/2017
Новосибирские ученые разработали новую методику диагностики диабета
ГТРК Новосибирск, 31/07/2017
В терагерцовом диапазоне
Академгородок (academcity.org), 31/07/2017
Новосибирские ученые разработали новейшую методику диагностики диабета
РЫБИНСКonLine (ryb.ru), 31/07/2017
Новосибирские ученые разработали новейшую методику диагностики диабета
NevaInfo.Ru, 31/07/2017
В Сибири разработали новый метод диагностики диабета | Жизнь | Канал Безопасность
Белрынок (belrynok.com), 31/07/2017
Новосибирские ученые разработали новую методику диагностики диабета
1nnc.net, 31/07/2017
Сибирские ученые разработали лазерную методику диагностики диабета
Утренние новости (morning-news.ru), 31/07/2017
Ученые из Новосибирска разработали новейшую методику диагностики диабета
Твой город Псков (tvoygorodpskov.ru), 31/07/2017
Сибирские ученые разработали лазерную методику диагностики диабета
Google Новости ТОП, 31/07/2017
Новосибирские ученые разработали новую методику диагностики диабета
Google Новости ТОП, 31/07/2017
Физики из ИЛФ СО РАН разрабатывают методы диагностики диабета с помощью терагерцового излучения
Научная Россия (scientificrussia.ru), 08/08/2017
В Новосибирском Институте лазерной физики разработан новый метод диагностики диабета
СемараМед (samaramed.ru), 07/08/2017
Сибирские ученые разрабатывают методы диагностики диабета с помощью терагерцового излучения
Nanonewsnet.ru, 09/08/2017
О решениях по итогам заседания президиума Совета при Президенте России по стратегическому развитию и приоритетным проектам
Пресс-релизы Subscribe.ru, 10/08/2017
ОБОЙДЁМСЯ БЕЗ КРОВИ?
Аргументы и Факты # Кемерово, 16/08/2017
ОБОЙДЁМСЯ БЕЗ КРОВИ?
Аргументы и Факты # Омск, 16/08/2017
ОБОЙДЁМСЯ БЕЗ КРОВИ?
Аргументы и Факты # Сибирь, 16/08/2017

Похожие новости

  • 16/05/2016

    Криоконсервация: в бережных объятиях холода

    ​Криоконсервация — научное направление, которое набирает сегодня всё большую популярность. Она позволяет, «зарезервировать» на будущее клетки, культуры, ткани, сохранять редкие линии лабораторных мышей и исчезающие виды животных.
    648
  • 18/12/2015

    Разработка сибирских ученых: стволовые клетки против гепатита и диабета

    ​Ученые Сибирского отделения РАН научились направлять стволовые клетки, находящиеся в организме человека, на лечение болезней, в том числе диабета и гепатита С. Специалисты выяснили, что так называемые мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки (МСК), находящиеся в спинном мозге, обладают уникальной способностью к миграции в больные участки тела и обеспечивают регенерацию поврежденных тканей.
    2033
  • 26/12/2016

    В ИЯФ СО РАН разрабатывают новый способ лечения опухолей мозга

    ​Сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН исследуют метод микропучковой рентгеновской терапии злокачественных опухолей мозга. Уже проведены пробные эксперименты по облучению клеточных культур глиомы человека с добавлением наночастиц оксида марганца.
    469
  • 25/08/2016

    Новосибирские ученые помогут выявить опухоль за три минуты

    ​Утверждение сибирских физиков звучит фантастично. Человек сдает кровь, ее проверяют на специальной установке, которая через несколько минут выдает график. У здорового человека это набор пиков, напоминающих расческу.
    556
  • 31/05/2016

    Новосибирские ученые исследуют кровеносную систему

    ​Кровеносная система лежит в основе функционирования головного мозга, и в области её работы ещё много «белых» пятен. Сибирские учёные в сотрудничестве с медиками решили устранить некоторые из них.  Исследование имеет и прикладной выход: уже создана уникальная система мониторинга нейрохирургических операций, метод повышения качества магнитно-резонансной томографии, а также инструментарий для персонализированного моделирования протекания некоторых болезней.
    860
  • 22/09/2016

    В Новосибирске планируют создать клинику для лечения методом БНЗТ

    ​Новосибирский государственный университет в сотрудничестве с российскими и зарубежными научными организациями работает над реализацией масштабного проекта по созданию клиники для лечения глиобластомы мозга и других онкологических заболеваний с помощью метода бор-нейтронозахватной терапии и ускорительного источника нейтронов Института ядерной физики им Г.
    1055
  • 03/02/2016

    Для чего ученые красят пшеницу?

    ​​​​Ученые Федерального исследовательского центра "Институт цитологии и генетики СО РАН" (ИЦиГ СО РАН) ищут новые пути повышения устойчивости ведущих злаковых культур к неблагоприятным условиям, а также работают над повышением питательных свойств зерна пшеницы.
    1601
  • 13/01/2016

    Татьяна Толстикова: "В СО РАН есть все предпосылки, чтобы решить проблему импортозамещения лекарств"

    ​Доктор биологических наук, профессор Татьяна Генриховна Толстикова возглавляет лабораторию Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова (НИОХ) СО РАН - уникальную для России структуру.
    1299
  • 25/08/2016

    Новосибирские генетики создали маркер для обнаружения раковых клеток

    ​В Новосибирске научились определять среди клеток рака "ключевых убийц", виновных в возникновении опухолей. Однако без господдержки маркер не сможет послужить людям.Ученые всего мира ищут способ победить рак, пытаясь создать препарат, с помощью которого можно отслеживать и помечать опасные клетки.
    698
  • 25/11/2016

    Александр Майоров о лазерах в медицине

    "Трудно назвать область медицины, где бы лазеры ни применялись", - отмечает заведующий лабораторией лазерных медицинских технологий Института лазерной физики СО РАН Александр Петрович Майоров.
    500