Евгений, как бы Вы простыми словами объяснили, что такое биомедицинская фотоника? Чем она Вас привлекла?

Это все, что лежит на пересечении наук о жизни и оптики (фотоники). Исследования на уровне:

• молекул — тут оптика может их визуализировать, смотреть структурную динамику, детектировать (находить или определять — прим. ред.)… есть огромное количество технологий на основе оптики для секвенирования (секвенированием называют метод «чтения» ДНК, позволяющий понять, как устроен генетический код — прим. ред.) ДНК, детектирования вирусов, антител и так далее;
• клеток — практически ни одно серьезное исследование в биофизике клеток не обходится без оптической визуализации;
• тканей;
• органов;
• организма человека в целом — это уже биомедицинская оптика.

Грубо говоря, в каждой задаче нужно придумать, как проследить за каким-то процессом в живой системе с помощью света, либо как воздействовать на живую систему с помощью света. Применений огромное множество, мы в лаборатории фокусируемся на хирургии, неинвазивной (метод исследования или лечения, который не требует проникновений, то есть, разрезов, проколов и введения инструментов внутрь тела — прим. ред.) диагностике, молекулярном анализе живых систем.

Исходно в нашей лаборатории занимались лазерной диагностикой живых систем, но в контексте экологии, в основном, задачами фотосинтеза, было интуитивно понятно, что надо с этим заделом идти в медицину — что мы и сделали, причем довольно успешно, так как некоторые методики уже используются врачами. Но тут есть и большая составляющая фундаментальной науки — во-первых, понять, почему у конкретной системы именно такие оптические свойства и как эти свойства использовать для диагностики, во-вторых, как с помощью оптики понять механизмы определенных процессов в организме. 

Вы являетесь лауреатом Премии Правительства Москвы молодым ученым за 2021 год — это очень впечатляет! Расскажите о том, как Вы им стали?

В той заявке были, в основном, результаты из относительно фундаментальной биофотоники — формирование оптических свойств живых систем на уровне молекул, многофотонная томография (метод микроскопии, использующий инфракрасные лазеры для получения трехмерных изображений живых тканей — прим. ред.), эндогенные флуорофоры — те молекулы, которые уже есть в организме и определяют его оптический отклик (изменение характеристик света после взаимодействия с объектом — прим. ред.), по сути, большой этап работы, после которого мы перешли в область практических применений. 

Назовите топ-3 причины, почему Вы любите свою работу?

1) Это интересно.

2) Большая (практически полная) свобода действий.

3) Есть прямая связь с практическими (и коммерческими) применениями в медицине и не только — по сути, речь про осмысленность деятельности и перспективы.

С какими неожиданными междисциплинарными коллаборациями Вы сталкивались и что из этого вышло?

Вот этого у нас по максимуму, один из плюсов направления деятельности. Если говорить не про медицину, то мы успели сделать лазерный сенсор урана (коллаборация с радиохимиками МГУ), поставить установки на предприятиях Росатома и московских ТЭЦ, прибор для анализа аллергенов в бытовой пыли (коллаборация с LG), съездить в экспедицию на орнитологическую станцию на Куршской косе (коллаборация с океанологами), оптический датчик для протезов (АО Моторика).

По медицине — целое направление фотоники в эндокринологии, там и хирургия, и метаболические процессы (лаборатория в НМИЦ эндокринологии). Хирургия любой направленности — от онкологии до пластической хирургии и трансплантологии, вплоть до захода про пересадку головы (с нашей стороны предполагался контроль состояния — к сожалению или к счастью, до экспериментов не дошло). Новые коллаборации с врачами или компаниями возникают по несколько раз в неделю, до конца доходят 10%, но разнообразие задач огромное.

Можете ли «на пальцах» объяснить один любой оптический эффект, который кажется наиболее интересным с точки зрения биомедицины?

Наверное, не самый интересный, но иллюстративный пример — молекула поглощает свет (фотон), переходит в возбужденное состояние, оттуда либо возвращается обратно, иногда высвечивая фотон, либо переходит в метастабильное (долгоживущее промежуточное состояние), которое способствует генерации активных форм кислорода («агрессивные» производные молекулы кислорода — прим. ред.). А они в свою очередь начинают окислять все подряд и «портить» окружающие молекулы. То есть получается, что свет запустил разрушение — ДНК, клеток — через взаимодействие возбужденной им молекулы с окружением. Так работает метод фотодинамической терапии, но последствия этого эффекта более глобальные — например, из него следует, чем вреден ультрафиолет (фотоокисление ДНК, риск меланомы), почему деградируют фоторецепторы и хрусталик глаза и так далее. То есть — молекула поглощает фотон, перешла в некое состояние — и запускается целый каскад реакций, имеющих отдаленные последствия.

Расскажите, какой несложный оптический эксперимент можно провести дома или в школе, чтобы «почувствовать» природу света?

Одно из классических применений биофотоники — определение пульса и содержания кислорода в крови. Работает это так: гемоглобин поглощает синий и зеленый свет (поэтому кровь красная), и при изменении наполненности сосудов кровью в зависимости от того, как сердце ее прокачивает, меняется отражение (цвет) кожи — можно померить параметры пульсовой волны (больше гемоглобина → больше поглощение → меньше отражение, так работает датчик пульса в часах). При этом у гемоглобина меняется цвет (спектр) в зависимости от того, переносит он кислород или нет — артериальная кровь алая, венозная (когда кислород уже отдан тканям) более синяя. На этой разнице работает пульсоксиметр — прибор, позволяющий оценить насыщенность крови кислородом, получивший особую известность в ковид-пандемию; один из маркеров осложнений — резкое падение оксигенации (уровень насыщения крови кислородом — прим. ред.). Оксиметр светит на ткань двумя цветами (на двух длинах волн — под окси- и дезоксигемоглобин), измеряет на на них две пульсовых волны, и из их разницы считает долю гемоглобина с кислородом. Типичное значение в норме — 98-99% оксигенации, ниже 90% — зона риска. Обычно пульсоксиметры продаются в виде прищепки на палец, но есть варианты, встроенные в умные часы.

Вот какой интересный эксперимент можно провести: когда-то сомнологи (врачи, занимающиеся нарушениями сна — прим. ред.) рассказали, что у людей с апноэ (кратковременная остановка дыхания во время сна) за счет меньшего поступления кислорода может резко падать оксигенация, чуть ли не до 60% по пульсоксиметру. Ситуация с апноэ очень опасная и может приводить к смерти, поэтому разрабатывают всевозможные датчики контроля состояния организма во сне. Но что интересно: мы когда-то пробовали для калибровки (настройки — прим. ред.) своих приборов понизить оксигенацию недолгой задержкой дыхания, и у меня ни разу это не удавалось даже до 90%. Поэтому эксперимент предлагаю такой — взять пульсоксиметр и каким-то способом повлиять на оксигенацию. Если получится — расскажите!

Второй связанный с пульсовой волной эксперимент — это так называемая фотоплетизмография (оптический метод регистрации изменений объема крови в тканях с помощью света — прим. ред.) через смартфон. Тут вообще ничего дополнительного не нужно, достаточно скачать приложения типа binah.ai или anura. С помощью камеры смартфона будет измеряться цвет лица — а он, как описано выше, тоже варьируется синхронно с пульсовой волной. А дальше из формы пульсовой волны методами ИИ предсказываются всевозможные физиологические параметры, от пульса до биологического возраста. Эксперимент: попробуйте повлиять на определяемые по фотоплетизмографии параметры — пульс, частоту дыхания и прочее — с помощью простых физиологических тестов, посмотрите, как по незаметным на глаз вариациям цвета тела определяются параметры, связанные с работой сердечно-сосудистой системы. А для более глубокого погружения — подумайте, как такая модель могла бы оценивать риски заболеваний и уровень стресса (это и есть основная задача подобных приложений — понять состояние человека перед выдачей кредита в банке, уровень стресса у работника критической инфраструктуры и т.д.)

Какой сценарий из научной фантастики с точки зрения современной оптики выглядит наиболее реализуемым в ближайшие 20–30 лет? Что для этого нужно?

На самом деле все развивается невероятно быстро. В нашей группе одна из центральных линий — навигация по хирургическому полю, где мы показываем хирургу, например, границы опухоли, где надо резать. Но уже понятно, что хирургии в будущем будет меньше, а лечения онкологии лекарственными средствами — больше. Один из очевидных прорывов — различные лекарства от рака, таргетная терапия (метод лечения рака, при котором лекарства воздействуют точечно на раковые клетки или молекулы в них — прим. ред.), клеточная (перепрограммирование клеток) и генная, мРНК вакцины, редактирование генома. Горизонт тут 5-10 лет. Кстати, там везде тоже нужна биофотоника — визуализировать и контролировать доставку препарата, оценивать состояние препарата (клеток) перед введением — реальный недавний коммерческий заказ, управлять доставкой лекарств светом — так что актуальность фотоники не снижается, а только растет.

Из относительно простых вещей (горизонт 5 лет) — таргетные препараты для контрастирования при операциях, когда можно подсветить хирургу прямо определенные клетки. Технически для этого все есть, вопрос в регуляционных мерах. Есть направление нанороботов — роботов-наночастиц. Название, конечно, условное, но суть в том, что эти наночастицы направленно куда-то доставляются (например, в опухоль) и что-то с ней делают — берут биопсию, воздействуют (тераностика — одновременная диагностика и терапия). Опять же, технически для этого многое есть, горизонт 5-10 лет.

Из области фантастики недавно было такое направление, как оптогенетика — оптическое управление нейронами путем воздействия на генно-модифицированные организмы, а сейчас это уже относительно рутинная область науки, которой 10-15 лет. Вопрос, опять же, в переносе технологии на человека. Нейроинтерфейсы — тут тоже во многих местах используется оптика, например, магнитные оптические квантовые сенсоры для картирования (создания визуально понятной карты или схемы) мозговой активности или робот-хирург для нейропротезирования у Neuralink — посмотрите, все это уже есть. То есть самые прорывные области лежат на стыке оптики (фотоники), биотехнологий (генная инженерия) и применений ИИ.

Как оцениваете роль искусственного интеллекта в современной науке? Используете ли его в своих исследованиях?

Используем, впечатления смешанные. Был негативный опыт, связанный с тем, что мы обучили модель на огромной базе данных, которую собирали два года (делали прибор для клинической диагностики), модель отлично работала, но потом оказалось, что обучалась она не только на корректных оптических данных, но и на шумах (нежелательное искажение сигнала — прим. ред.), а также на том, кто мерил, как мерил, в какой день и т.д. — пришлось потом все переделывать. То есть, если использовать ИИ как черный ящик — даем на вход данные, на выходе получаем предсказательную модель, но как она работает, не знаем — это может плохо кончиться. Но при этом рутинно применяем машинное обучение во всех задачах, конечно, это уже даже не обсуждается — необходимость. Приложения типа binah.ai, которые описаны в разделе с экспериментом — это как раз такой пример, как из некоторых оптических данных (изменение цвета лица) получить, казалось бы, несвязанные с ним физиологические характеристики. 

Что бы Вы посоветовали тому, кто хочет стать ученым в Вашей области?

Первое — понять для себя, что именно исследования на стыке живых систем и оптики представляют интерес, выбрать интересную задачу — либо с очевидным практическим результатом, либо актуальную с фундаментальной точки зрения (тут, конечно, начинающему исследователю сложно будет понять, поэтому проще выбрать что-то очевидно полезное), и погрузиться в область путем конкретной работы, параллельно разбираясь в смежных вопросах — в нашем случае, имея базу по оптике, изучать необходимую информацию о живой системе. Если интерес не пропадает, а растет, есть удовольствие от работы — значит, все делается правильно. 

Кем Вы видите себя через 10 лет?

Точно могу сказать, что хотелось бы довести максимальное число наших разработок до конечного продукта. Сейчас у нас есть опыт доведения технологий до конца в лазерной хирургии (с компанией VPG LaserOne), недавно получили медицинскую регистрацию на тест-систему со смартфоном, еще где-то 10 проектов в стадии реализации — прибор ThyroChrome для эндокринной хирургии, система хирургической визуализации с контрастными агентами, неинвазивные устройства и т.д. Грубо говоря, задача — создать экосистему для полного цикла от исследований до производства конечных устройств, и понятно, как это сделать. С фундаментальными задачами сформулировать сложнее, но это, широкими мазками, необъясненные оптические эффекты в организме человека (например, ИК (инфракрасная — прим. ред.) флуоресценция — но тут мы уже почти разобрались), ИИ в фотофизике молекул, нейрофотоника, молекулярный имиджинг в онкологии.