Достижения лаборатории биомедицинской фотоники за 25 лет

В лаборатории Биомедицинской фотоники Физического факультета кафедры общей физики и волновых процессов проводится широкий спектр междисциплинарных исследований на стыке физики, математики, биологии и медицины на основе многолетнего опыта экспериментального и теоретического изучения разных биологических объектов на уровне макромолекул, клеток, тканей и целостных организмов. Важным научным направлением лаборатории является изучение взаимодействия лазерного излучения с биологическими объектами и разработка на основе получаемых знаний новых методов визуализации тканей и клеток, диагностики и терапии заболеваний.

Основные проекты относятся к приоритетным направлениям научных направлений Физического факультета: «Живые системы» и «Индустрия наносистем и наноматериалов», «Цифровая медицина». Ведутся работы по двум приоритетным направлениям развития науки в Российской Федерации: «Науки о жизни» и «Индустрия наносистем». Работа ведётся в сотрудничестве с физиками, биологами и медиками как МГУ, так и других научных, образовательных и клинических центров нашей страны и зарубежных стран. Научные исследования в лаборатории ведутся и рамках научно образовательной школу МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина». К основным научным достижениям лаборатории можно отнести следующие.
Сотрудниками лаборатории был создан один из первых на физическом факультете двухканальный оптический пинцет. Данный пинцет позволяет проводить исследования одиночных клеток микро размеров без разрушающего механического контакта, а также исследовать взаимодействие нескольких клеток, измерять силы в диапазоне пиконьютонов, измерять механические свойства захваченных объектов.




Совместно с учёными ФФМ МГУ на моделях малых лабораторных животных исследованы проблемы снижения деформируемости эритроцитов при ряде социально важных заболеваний, в частности инсульта и острых нарушений церебрального кровотока. Было показано, что разработанный препарат Семакс повышает деформируемость эритроцитов.
Совместно с учёными НИИ Механики МГУ с использованием разработанного лазерного доплеровского микроскопа была показана возможность снижения вязкости крови путём введения в кровоток молекул высокомолекулярных полимеров, например полиэтилен-оксида.
Разработаны математические модели лазерно-индуцированной локальной коагуляции опухолевой ткани как фазового перехода в процессе диффузионного распространения света через здоровую ткань.




Изучены кинетики генерации и дезактивации синглетного кислорода в водных растворах порфиринов. Полученные данные позволили заключить, что в живых клетках лазерно-индуцированный синглетный кислород образуется локально главным образом в липофильных структурах, и его время жизни определяет кинетику роста фосфоресценции, индуцированной лазерным импульсом.
Совместно с учёными Финляндии и Германии подробно исследована возможность использования неорганических наночастиц (НЧ) диоксида титана и оксида цинка для защиты кожи от солнечной радиации в УФ диапазоне длин волн и зависимость эффективности защиты от размеров НЧ. Исследован сопутствующий процесс генерации этими НЧ свободных радикалов при нанесении солнцезащитного крема, содержащего эти НЧ, на кожу. Изучен процесс проникновения НЧ в кожу и их взаимодействие с живыми клетками кожи.




С использованием алгоритмов Монте-Карло моделирования и пространственно-разрешённой рефлектометрии разработаны методы визуализации структурных неоднородностей в сильно рассеивающих свет средах. С помощью созданного доплеровского оптического когерентного томографа (ДОКТ) была впервые осуществлена визуализация нестационарного автоволнового движения цитоплазмы в живой недифференцированной клетке Physarum. Экспериментально изучено влияние многократного рассеяния света на профили скоростей в микроканалах при их измерении с помощью ДОКТ.
Совместно с учёными Голландии и РАН разработаны методы расчёта распространения поляризованного и импульсного лазерного излучения в слоистых биологических тканях с использованием аппаратов статистического моделирования Монте-Карло и решения нестационарного уравнения переноса сеточным методом на суперкомпьютере: исследовано влияние формы слоёв на локализацию света на различных глубинах и на информативность данных оптической когерентной томографии, показана возможность использования пикосекундной лазерной доплеровской флоуметрии для осуществления доплеровской томографии перфузируемых кровью тканей с высоким временным разрешением, показана возможность использования сверхкоротких лазерных импульсов для измерения уровня глюкозы в крови с использованием временного стробирования. Разработаны оптические метода изучения микрореологических свойств крови и её микроциркуляции, и выполнены обширные исследования их нарушения при многих социально значимых заболеваниях.

Выполнены обширные исследования по влиянию наноалмазов (НА) на различные компоненты крови, в частности на структуру и функцию белков плазмы и эритроцитов. Исследованы перспективы их применения в медицине. Исследовано влияние НА на оксигенацию и микрореологические свойства эритроцитов. Изучен процесс адсорбции белков плазмы на НА и его влияние на тромбообразование. Найдены предельные концентрации НА, не оказывающие влияния на микрореологию эритроцитов при введении НА в кровоток для целей тераностики.

Выполнена серия работ по развитию поляриметрических методов исследования пористых и других сложных сред с использованием различных метрик разложения матриц Мюллера.

На основе метода лазерной дифрактометрии разработан метод измерения распределения эритроцитов по размерам и деформируемостям, а также вычисления параметров асимметрии распределения. Данный метод позволяет получать информацию от большого числа частиц одновременно, что сокращает временные затраты на исследование образцов крови.