СПЕКТРОМЕТРИЯ ЗДОРОВОЙ И ПАТОЛОГИЧЕСКОЙ IN VITRO АГЕНТОВ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ А.С. Колесников

СПЕКТРОМЕТРИЯ ЗДОРОВОЙ И ПАТОЛОГИЧЕСКОЙ
БИОТКАНИ IN VITRO ПОД ДЕЙСТВИЕМ ОСМОТИЧЕСКИХ
АГЕНТОВ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ
А.С. Колесников1, Е.А. Колесникова1, А.П. Попов2, М.М. Назаров3,
А.П. Шкуринов3,4, В.В. Тучин1,2,5
1
Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского
(Саратов, Россия)
2
Университет Оулу (Оулу, Финляндия)
3
Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН
(Шатура, Россия)
4
Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова,
Физический факультет и Международный учебно-научный лазерный центр
МГУ им. М.В.Ломоносова (Москва, Россия)
5
Институт проблем точной механики и управления РАН (Саратов,Россия)
e-mail:aleksandr.s.kolesnikov@mail.ru
Техника импульсной терагерцовой спектроскопии (ИТС) имеет ряд
преимуществ, позволяющих говорить о хороших перспективах применения
ТГц излучения в медицине. Частотная дисперсия биологических тканей и
жидкостей в терагерцовом диапазоне частот мала. Кроме того,
неоднородности размером менее 10 мкм, приводящие к сильному рассеянию
в видимой и ближней ИК областях, не дают значительного рассеяния в
терагерцовом диапазоне. Использование сверхкоротких импульсов позволяет
исследовать широкий диапазон частот за одно измерение, а также достичь
высокого разрешения по времени и получить информацию о фазе и,
соответственно, показателе преломления.
Благодаря чувствительности к изменению концентрации и состоянию
воды [1] техника ИТС применима для спектроскопии жидкостей [2] и
исследования биологических тканей. Методы терагерцовой спектроскопии
были успешно использованы в исследовании раковых опухолей [3] и
определении глубины и степени ожогов кожи [4, 5]. Данные, получаемые
методами терагерцовой спектроскопии, хорошо согласуются с данными
других методов, в частности, оптических и ультразвуковых, являются
дополнительными, выделяя особенности объекта исследования, и
обладают высокой степенью воспроизводимости.
Чувствительность электромагнитных волн терагерцового диапазона к
наличию молекул воды и их состоянию (свободная или связанная вода)
позволяет применить это излучение к диагностике рака [6-8]. Повышенное
содержание воды вместе с другими структурными изменениями ткани
приводит к увеличению коэффициентов поглощения и уменьшению
отражения тканей с опухолями на терагерцовых частотах [9]. Однако,
несмотря на разное соотношение воды в здоровых и патологических
тканях, проведение визуализации и диагностики опухолей затруднено
именно из-за значительного содержания воды в тканях и сильного
поглощения ТГц излучения в тканях, поскольку поглощение излучения в
верхних слоях ткани не позволяет получать информацию от нижних слоев,
где идет развитие опухоли. Это дает толчок к разработке различных
методов
повышения
контраста
получаемых
при
терагерцовой
визуализации изображений. Одним из перспективных методов повышения
контраста является временная обратимая дегидратация тканей под
действием гиперосмотических агентов [10, 11].
В работе приводятся результаты исследования дегидратации кожи
белых лабораторных крыс и тканей привитых крысам рака шейки матки и
карциномы легкого in vitro под действием биологически совместимых
гиперосмотических агентов, проведенных на лазерном терагерцовом
спектрометре в диапазоне частот 0.25-2.5 ТГц. Представлены
широкополосные терагерцовые спектры поглощения и отражения кожи и
тканей перевитых опухолей (рак шейки матки и карцинома легкого) белых
лабораторных крыс под воздействием глицерина, полиэтиленгликоля с
молекулярным весом 600 (ПЭГ-600) и пропиленгликоля (ПГ).
Представленные результаты предлагается применить для разработки
методов повышения контраста изображений и увеличения глубины
зондирования биологических тканей с помощью излучения терагерцового
диапазона частот.
Библиографический список
1. M. van Exter, C. Fattinger, D. Grischkowsky, Terahertz time-domain spectroscopy of
water vapor // Opt. Lett. — Vol.14. — 1989. — p. 1128-1130
2. J. Pedersen, S. Keiding, THz time-domain spectroscopy of nonpolar liquids // J. Quantum
Electronics. — Vol.28. — 1992. — p. 2518 – 2522
3. T. Lofer, T. Bauer, Terahertz dark-field imaging of biological tissue // Opt. Express. —
Vol.9. — 2001. — p. 616-621
4. D. M. Mittleman, M. Gupta, R. Neelmani, Recent advances in terahertz imaging // Appl.
Phys. B. — Vol.68. — 1999. — p. 1085-1094.
5. M. Hassan Arbab, Trevor C. Dickey, Dale P. Winebrenner, Antao Chen, Mathew B.
Klein, and Pierre D. Mourad, Terahertz reflectometry of burn wounds in a rat model //
Biomedical Optics Express — Vol. 2, No. 8 — 2011 — p. 2339-2347,.
6. Wahaia F, Valusis G, Bernardo L M, Almeida A, Moreira J A, Lopes P C, Macutkevic J,
Kasalynas I, Seliuta D, Adomavicius R, Henrique R and Lopes M., Detection of colon
cancer by terahertz techniques // J Mol Struct — 1006 — 2011 — p.77-82,.
7. K.F. Ross, R.E. Gordon, Water in malignant tissue, measured by cell refractometry and
nuclear magnetic resonance // J. Microscopy. — 128. — 1982. — p. 7-21.
8. C.S. Joseph, R. Patel, V.A. Neel, R.H. Giles, and A.N. Yaroslavsky, Imaging ex vivo
nonmelanoma skin cancers in the optical and terahertz spectral regions // J. Biophotonics
— Vol. 7(5) — 2012 — p.295-303.
9. Jung E A, Lim M, Moon K, Do Y, Lee S, Han H, Choi H, Cho K and Kim K Terahertz
pulse imaging of micro-metastatic lymph nodes in early-stage cervical cancer patients //
Journal of the Optical Society of Korea — Vol. 15 — 2011 — p.155-160.
10. А.С. Колесников, Е.А. Колесникова, А.П. Попов, М.М. Назаров, А.П. Шкуринов,
В.В. Тучин, Мониторинг дегидратации мышечной ткани in vitro под действием
гиперосмотических агентов в терагерцевом диапазоне // Квантовая электроника —
44, № 7 — 2014.
11. A. S. Kolesnikov, E. A. Kolesnikova, K. N. Kolesnikova, D. K. Tuchina, A. P. Popov,
A. A. Skaptsov, M. M. Nazarov, A. P. Shkurinov, A. G. Terentyuk, V. V. Tuchin, THz
Monitoring of the Dehydration of Biological Tissues Affected by Hyperosmotic Agents //
Physics of Wave Phenomena — Vol. 22, No. 3 — 2014 — pp. 169–176.
Сведения об авторах
Колесников Александр Сергеевич – аспирант, дата рождения: 06.03.1990г
Колесникова Екатерина Александровна – аспирант, дата рождения:
31.05.1990
Попов Алексей Петрович – к.ф-м.н., дата рождения: 18.05.1980
Назаров Максим Михайлович – к.ф-м.н, дата рождения: 16.04.1976
Шкуринов Александр Павлович –д.ф.-м.н., доцент дата рождения:
13.09.1962
Тучин Валерий Викторович – д.ф-м.н, профессор, дата рождения: 04.02.1944
Вид доклада: стендовый