Е. А. ширшин — лауреат Премии Правительства Москвы молодым учёным за 2021 год
К 60-летию научной школы
нелинейной оптики в Московском университете
Премия старшему научному сотруднику Е.А. Ширшину присуждена за работу «Молекулярный имиджинг с эндогенным контрастом: новые возможности оптики в биомедицинской диагностике»
Евгений Ширшин — воспитанник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ и тем самым школы нелинейной оптики и лазерной физики. На его долю выпало участвовать в прорыве фотоники сложных органических соединений в медицину. Экспансию оптики в биологию и медицинустимулировал основатель школы Р. В. Хохлов, всемерно поддерживая исследования нашей лаборатории в области фотоники сложных органических соединений. Сначала это были органические красители как активные среды лазеров, затем природные органические соединения и комплексы — фотосинтезирующие организмы, природное органическое вещество, флуоресцентные белки. Затем — транспортные белки плазмы крови альбумины. И, наконец, живые системы. С приходом студента (а затем аспиранта и научного сотрудника) Е. Ширшина в лабораторию процесс внедрения оптических (особенно нелинейно-оптических) методов в медицинскую биофотонику резко активизировался. Сейчас Е. Ширшин — преемник автора заметки на позиции руководителя лаборатории, получившей в последние годы название лаборатории лазерной биофотоники. Им сформирован коллектив молодых талантливых исследователей — студентов, аспирантов и выпускников, который добился впечатляющих успехов в разработке нового междисциплинарного направления — медицинской биофотоники. Присуждение Евгению Ширшину Премии Правительства Москвы — высокая оценка актуальности и результатов этой работы. Ниже — краткая информация о содержании работы, удостоенной премии (на базе заявки, поданной в комиссию по Премиям Правительства Москвы).
Обладая рядом принципиальных преимуществ, оптические методы нашли широкое распространение в исследовании живых систем. Имеют место два ограничения, затрудняющие использование оптической диагностики в клинической практике. Во-первых, глубина зондирования биотканей световым излучением относительно мала. Во-вторых, использование внешних (экзогенных) меток для повышения чувствительности и специфичности детектирования патологических участков тканей затруднено при измерениях на пациентах invivo — при том, что именно создание новых типов меток привело к прорыву в исследовании живых систем с помощью оптики. Таким образом, для дальнейшего внедрения биомедицинской фотоники в клиническую практику было необходимо решить две фундаментальные задачи: (1) выявить новые классы эндогенных (то есть исходно присутствующих в организме) молекул, которые могут служить в качестве контраста при визуализации и диагностике и (2) разработать новые методы и подходы для селективного детектирования сигнала от этих эндогенных молекул.
Несмотря на то, что оптика биотканей и клеток исследуется очень активно, обращает на себя внимание парадокс: в литературе в качестве эндогенных молекул, ответственных за поглощение (хромофоры) и флуоресценцию (флуорофоры) в организме человека, рассматривается список из всего лишь примерно десяти молекул. Данный факт был обсужден Е. Ширшиным и соавторами в обзоре в журнале «Успехи биохимии» и в ряде приглашенных докладов на центральных конференциях по биофотонике, в частности, в серии лекций Оптического общества Америки (OSA) в 2020 году. При этом для каждой «классической» молекулы-флуорофора или хромофора есть своя ниша применений в биомедицине. Очевидные примеры таких применений — использование сигнала от гемоглобина в носимых устройствах (фитнес-трекеры, пульс-оксиметры, оптическое измерение артериального давления), в диагностике онкологических заболеваний, нейроимиджинге. Аналогично, на использовании сигнала флуоресценции молекулы НАД(Ф)Н построен оптический метаболический имиджинг, применяемый в персонализированной онкологии для подбора химиотерапии. Выявление новых классов эндогенных молекул-флуорофоров в организме и исследование их фотофизических свойств является центральной задачей биомедицинской фотоники. Второй задачей является создание новых методов спектроскопии и микроскопии, позволяющих реализовывать молекулярный имиджинг, то есть детектировать сигнал от определенных молекул в клетках.
|
Изначально объектом исследований в нашей лаборатории были белковые макромолекулы. В 2015 году фокус исследований сместился на биомедицинскую диагностику, в частности, анализ биожидкостей — так, первой работой в этом направлении было выявление дескрипторов диабета в флуоресценции плазмы крови. Далее стало понятно, что традиционных подходов недостаточно для анализа сложных систем и смесей (той же крови), в связи с чем был выполнен поиск оптических флуоресцентных индикаторов конформационных изменений белков. Был предложен новый способ, основанный на выделении сигнала от тирозиновых остатков в белках, что позволило диагностировать изменения структуры белков в сложных системах с большей чувствительностью, чем подход, основанный на триптофановой флуоресценции. |
Е. Ширшин за тестированием установки для навигации при литотрипсии в МНОЦ МГУ |
В 2019 году данные наработки были применены для создания метода анализа пептид-белковых взаимодействий без меток и применены на системе, исследуемой в ИБХ РАН — комплексах токсинов змей с рецепторами. Также в результате работ 2015–2016 годов, выполненных по заказу компании LG Electronics, был предложен метод анализа белковой компоненты в бытовой пыли с целью создания датчика экспресс-оценки аллергологической опасности в помещении. Было обращено внимание на «неклассическую» синюю флуоресценцию белков, относительно природы которой в литературе имеется несколько гипотез. Такая флуоресценция наблюдается, например, у структурных белков кожи (кератина, коллагена и эластина), а также возникает при агрегации белков в амилоидные фибриллы, которые связаны с патогенезом нейродегенеративных заболеваний. В процессе исследования природы этой флуоресценции были получены принципиально новые сведения о флуореснции биотканей.
Исследование фотофизики синей флуоресценции, возникающей в результате образования амилоидных фибрилл, позволило впервые высказать гипотезу об образовании гетерогенной системы хромофоров в результате окислительных процессов. Методика детектирования фибриллярных структур в клетках с использованием сигнала синей флуоресценции была опубликована в журнале Angewandte Chemie совместно с группой из университета Тель-Авива. Дальнейшие исследования были направлены на выявление механизмов, приводящих к единообразию оптических свойств гетерогенных систем флуорофоров. Известно, что системы природного органического вещества имеют поразительно похожие спектральные характеристики, несмотря на радикально отличающийся молекулярный состав. |
|
Члены группы лазерной биофотоники после проведения экспериментов по УЗ и оптическому исследованию кожи в МНОЦ МГУ |
Известно, что системы природного органического вещества имеют поразительно похожие спектральные характеристики, несмотря на радикально отличающийся молекулярный состав. Было показано, что аналогичные оптические свойства наблюдаются и в живых системах, в частности, в клетках при окислительном стрессе и тканях. На исследование фотофизических механизмов, ответственных за единообразие оптических свойств гетерогенных систем флуорофоров, Е. Ширшиным в 2018 году был получен грант международного сообщества International Humic Substances Society. Была выполнена серия работ, позволившая установить взаимосвязь молекулярного состава гетерогенных систем флуорофоров и их оптических свойств. Центральной стала статья 2021 года, в которой сообщается об открытии эффекта сверхбыстрого переноса энергии в гетерогенных системах флуорофоров, который эффективно «перемешивает» оптические свойства десятков тысяч разных молекул, входящих в состав системы, и проводит к единообразию их спектральных свойств. Показано, что один и тот же эффект определяет оптику и природного органического вещества, и биофлуорофоров — меланина, окисленных белков, ДНК и липидов. Принципиально важным является факт наличия у гетерогенных систем флуорофоров хвоста поглощения в красной и инфракрасной (ИК) спектральных областях, что отвечает на вопрос о механизме ИК-флуоресценции в тканях.
Руководитель направления интраоперационной диагностики группы лазерной биофотоники Г. С. Будылин за измерением гликирования белков кожи на выставке Робоармия-2021
В 2016 году в рамках программы МГУ-DAAD «Владимир Вернадский» состоялась стажировка Е. Ширшина в клинике «Шарите» (Германия), специализирующейся на клинической диагностике с использованием биомедицинской фотоники. Сотрудничество с клиникой «Шарите» стало в дальнейшем стратегическим: так, было опубликовано 10 совместных статей в журналах Q1 и разработано несколько новых методов диагностики кожи. Изначально внимание было сфокусировано на методе многофотонной томографии (МФТ), который позволяет проводить 3D анализ ткани invivo с субклеточным пространственным разрешением. Впервые было показано, как с помощью МФТ проводить диагностику микрососудов и локализовать структурные белки разного типа в ткани, а также описан механизм формирования флуоресценции крови при двухфотонном возбуждении. Далее метод МФТ был использован для анализа отечного синдрома на уровне клеток, что легло в основу метода диагностики пациентов с сердечной недостаточностью. Также впервые с помощью МФТ было показано, как можно детектировать и анализировать состояние единичных иммунных клеток у пациентов invivo. Метод МФТ совместно с методом микроспектроскопии комбинационного рассеяния был также использован для исследования природы ИК-флуоресценции тканей и локализации в них различных молекулярных компонент.
Центральной областью применения полученных результатов является интраоперационная диагностика. По заказу компании IPG Photonics и НТО «ИРЭ Полюс» проведены исследования возможности применения оптической диагностики для определения границы опухоли мочевого пузыря в процессе операции invivo. Исследования, выполненные на базе МНОЦ МГУ, показали работоспособность предложенной технологии, что стимулировало создание прототипа прибора для интраоперационной диагностики и запуск клинических исследований. В основе методики лежит, в том числе, эффект ИК- флуорецсенции гетерогенных систем флуорофоров. Также ведутся работы по интраоперационной диагностике в ортопедии на базе Сеченовского университета.
Большой пласт работ связан с ГБУЗ г. Москвы «ГКБ № 67 им. Л. А. Ворохобова ДЗМ», где решаются задачи лабораторной диагностики, микробиологии и интраоперационной диагностики. По результатам исследований ведется внедрение технологий совместно с АНО «Московский центр инновационных технологий в здравоохранении». Реализован также целый спектр технологий для «прикроватной» диагностики, в частности система для анализа мочи с помощью смартфона, приборы для неинвазивного определения содержания воды в тканях и гемоглобина в крови.
В. В. Фадеев, профессор кафедры квантовой электроники