Философский стиль мышления естествоиспытателя
4.4. Термооптический метод исследования биологических объектов и связанные с ним философские проблемы
4.4.1. Принцип термооптического метода
Лазерный термооптический (ТО) микроскоп создан в АНК «Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова» НАН Б и представляет собой экспериментальный образец анализатора клеток. позволяющего определить различные параметры отдельных живых клеток. принцип действия термооптического микроскопа основан на облучении отдельный клетки сфокусированным импульсным лазерным пучком накачки (видимый диапазон, 10 нс), индуцирующего нагрев в клетке вследствие безизлучательной релаксации поглощенной компонентами клетки световой энергии. Наведенные тепловые эффекты и реакция клетки на них регистрируются оптическим методом с помощью дополнительного пробного лазера, обеспечивающим интегральный отклик клетки на лазерный импульс и визуализацию локальных тепловых эффектов внутри клетки с временным разрешением (термооптическое изображение). Указанные ТО-сигналы могут быть получены при неразрушающем воздействии лазера на клетки и обеспечивают возможность мониторинга состояния отдельных клеток при их взаимодействии с факторами окружающей среды.
|
Получаемая информация отражает не усредненные показатели популяции, а демонстрирует естественную гетерогенность клеток в популяции, подвергаемой какому-либо воздействию, что дает возможность отслеживания устойчивых к воздействию клеток (29, 30).
4.4.2. Термооптический метод и проблема взаимодействия наук
Лазеры и лазерное излучение, будучи изначально собственностью исключительно оптики, как части физики в целом, со временем приобрело все более и более широкое применение.
В настоящее время в большинстве стран мира наблюдается интенсивное внедрение лазерного излучения в биологических исследованиях и в практической медицине. Уникальные свойства лазерного луча открыли широкие возможности его применения в различных областях: хирургии, терапии и диагностике. В России лазеры применяются в биологии и медицине уже более 30 лет. Исторически сложилось так, что приоритет в раскрытии механизмов и в биологическом применении находится в странах бывшего СССР (5, 30, 31).
Началом истории термооптического метода можно считать открытия фундаментальных основ лазерной фотоакустики, ранее называемой акустической оптикой, и термооптического феномена сделанные в начале 70-ых годов ХХ века под руководством проф. Летохова. Это были эксперименты с использованием фотоакустического метода для определения ультранизкой молекулярной концентрации, которые позднее были использованы в изотопном анализе и изучении возбужденных молекулярных состояний. Методы с использованием нелинейного и мультифотонного поглощения, позволяющие пространственное разрешение и чувствительность фотоакустической спектроскопии, и сильно сфокусированные лазерные лучи были предложены в 1978 году. Изначально открытые феномены использовались только для нужд физики, но затем, начиная с 1981 года в той же лаборатории были реализованы первые эксперименты по высокочувствительному определению витамина А в плазме крови. Явление фотоакустической регистрации отдельных малых частиц, движущихся через сильно сфокусированный лазерный луч, было впервые использовано для очистки жидкостей. В 1987 году было исследовано влияние фотоакустических и термооптических волн на клеточные структуры с помощью коротких сфокусированных лазерных импульсов. Давление порядка 2x105 Пa рядом с местом повреждения при энергии 50 мкДж было зарегистрировано с помощью метода изображений Шлирена, который позволяет детектировать рефракцию пробного луча. Было обнаружено, что внешние звуковые волны не приводят к существенному поражению клетки за исключением нарушений проницаемости мембраны. Однако, если такие же звуковые волны генерировались внутри клетки, то повреждение клетки было намного более серьезным и включало разрывы мембраны, обусловленным возникновением внутренних температурных и соответствующих механических волн. Эта теория была позже применена для лечения почечных камней. В 1985-86 годах было предложено регистрировать вторичное инфракрасное излучение от локального лазер-индуцированного нагрева биологических образцов. Различные модификации фотоакустических и термооптических методов, включая термооптический метод с применением двух лазеров с параллельной и перпендикулярной геометрией лучей были предложены для использования в высокочувствительном проточном анализе и детекции при капиллярной хроматографии.
На сегодняшний день термооптическая микроскопия нашла применение при решении следующих биологических задач: дифференцировка тканевой принадлежности клеток, диагностика свойств эритроцитов в норме и при патологии, исследование влияния лекарственных препаратов in vitro и др.
Метод ТО микроскопии по своей сути является скрининговым методом, позволяющим оценить состояние транспорта кислорода и активность дыхательной цепи, а также состояние различных гемопротеинов на клеточном уровне. Поскольку изменение активности дыхательной цепи сопутствует изменению других составляющих метаболизма, то ее можно рассматривать как универсальный сенсор изменения состояния клетки в целом. ТО-метод может быть реализован технически на основе стандартных приборов, включая оптический микроскоп, проточный цитометр и жидкостной хроматограф (28, 29).
Как следует из истории создания термооптической микроскопии, эта область исследований на сегодняшний день находится на стыке наук, таких как физика (в частности оптика, квантовая физика, фотоакустика), биология (биохимия, радиобиология, спектрофотометрия), химия и медицина, и является результатом междисциплинарного взаимодействия вследствие применения метода исследования одной науки (физики) к объектам исследования другой (биологии).
4.4.3. Термооптическая микроскопия и концепция нестабильности
Многие вопросы лазерной медицины до сих пор полностью не раскрыты. Многообразие проявлений эффектов лазерного излучения и природы термооптического сигнала требует построения единой физической концепции взаимодействия когерентного излучения с биообъектами (32).
