Родни учени разработват устройство за оптична биопсия

При честването на 60-годишнината от създаването на Института по електроника – БАН, гл. асистент д-р Цанислава Атанасова е отличена с награда за най-добър млад учен в Института. Тя завършва Природо-математическата профилирана гимназия „Св. Климент Охридски“ в Монтана с профил математика. Когато в гимназията се чуди накъде да поеме след XII клас, взима предвид факта, че харесва физиката, че обича да помага на хората и е много състрадателна. Всичко това предопределя избора ѝ да кандидатства и да завърши бакалавърска и магистърска степен по специалност „Медицинска физика“ във Физическия факултет на Софийския университет „Св. Климент Охридски“.

„Никога не съм предполагала, че ще се занимавам с наука – казва Цанислава. – Имам късмет, че много рано се ориентирах към биофотониката, която се оказа моята страст, а това е най-голямата мотивация във всяка професия – да обичаш това, което правиш. Единствено не ми е приятно, като кажа, че работя в Института по електроника на БАН, все се намира някой да коментира, че в Академията има само старчета, които не правят нищо. Това не е така. В нашия, както и в други институти на БАН, има много млади хора. Условията за работа не са най-добрите, но все пак дават възможност за развитие. Убедена съм, че
приносът ни към науката в световен мащаб е по-съществен, отколкото си представят
повечето хора.“

Докато следва във Физическия факултет на СУ, Цанислава посещава специализиран курс за приложенията на лазера в медицината, който се води от доц. д-р Иван Хълтъков. Той разказва на студентите, че в лаборатория „Биофотоника“ в Института по електроника се работи по приложението на лазерите в медицината. Това определено я заинтригува. Свързва се с доц. д-р Екатерина Борисова от Лабораторията, която ѝ предлага да започне работа в Института, и тя приема. Това са първите ѝ стъпки в биофотониката. Доц. Борисова е научен ръководител и на бакалавърската, и на магистърската ѝ дипломна работа. Както и на докторската ѝ дисертация, посветена на флуоресцентната спектроскопия и нейното приложение за идентифициране на тумори на гастроинтестиналния тракт, която защитава през 2020 г. „Доц. д-р Екатерина Борисова беше изключителен учен и прекрасен човек, много вдъхновяващо беше да се работи с нея – казва Цанислава. – За съжаление, през април 2021 г. я загубихме. Това беше изключително голяма загуба за всички нас, нейните колеги. Тя беше невероятен човек и много ерудиран специалист, уважаван в цял свят. Опитваме се да продължим работата ѝ и по този начин да почетем нейната памет.“

Биофотониката съчетава в себе си две основни тематики. Едната е фундаменталната – за взаимодействието на светлината с биологичната тъкан. А другата е приложната – използването на това взаимодействие за разработването на методи за диагностика и терапия на различни патологии и заболявания. Едно от разпространените и използвани във всекидневието приложения на биофотониката в последните години е пулсоксиметрията. Пулсоксиметрите са устройства, които човек може да използва и сам вкъщи, като просто трябва да го сложи на някой от пръстите на ръката и по този начин да си измери т.нар. сатурация – насищането на кръвта с кислород. Те стават много популярни по време на ковид епидемията. Работят на принципа на взаимодействие на светлината с биологичната тъкан, тъй като хемоглобинът, който е свързан с кислород, и хемоглобинът, който не е свързан с кислород, поглъщат светлината различно. В тези устройства има два светодиода, които излъчват светлина в червения и инфрачервения спектрален диапазон. Оценява се преминалият през пръста светлинен сигнал за двете дължини и на тази база се изчислява сатурацията. Сега са модерни и разпространени часовници и гривни, които на базата на подобно измерване показват емпирично изчислени параметри – сатурация, пулс, кръвно налягане, физическо натоварване, изгорени калории и т.н. Пулсоксиметрите са медицински изделия и са по-точни, най-вече благодарение на това, че се прави измерване за поглъщането на светлина с две определени дължини. Часовниците, гривните използват само една дължина на вълната в зеления спектрален диапазон. Измерват отразената светлина и се оценява поглъщането на хемоглобина.
Освен това, важен е не само резултатът от самото измерване, но и алгоритмите, които се използват за обработката на получените данни и извличането на полезната информация.

Друго масово приложение на светлината в медицината е фототерапията при новородени с хипербилирубинемия – т.нар. бебешка жълтеница, която е свързана с натрупването на билирубин. При този метод се използва поглъщането на светлина с определена дължина на вълната (460 – 490 nm)
от билирубина. Под влияние на светлината се получава фотодисоциация и билирубинът са разпада на вещества, които по-лесно се изчистват от организма.

„Занимаваме се най-вече с методи за диагностика и терапия на ракови заболявания – казва д-р Атанасова. – Насочили сме се към диагностика на тумори на кожата и на гастроинтестиналния тракт. Имахме и няколко общи проекта с Университетската МБАЛ „Св. Иван Рилски“, посветени на фотодинамична терапия за третиране на глиобластомни тумори на мозъка. По-голямата част от работата ни в това направление е свързана с измервания и третиране на клетки in vitro. В световен мащаб се прави и терапия на пациенти, но това е свързано с прилагането на медикаменти – фотосенсибилизатори, които на този етап в България нямат разрешително за клинично приложение.“

Работата в лабораторията по разработването на нови методи за диагностика е основно в две направления. Едното е свързано с т.нар. оптична биопсия. Мултидисциплинарен екип от лаборатория „Биофотоника“, УМБАЛ „Царица Йоанна – ИСУЛ“, ЕТ „НЕЛО – Йосиф Салтиел“ и Техническия университет – София, е изработил прототипно устройство за оптична биопсия на кожа, което в момента се тества и усъвършенства. То има няколко източника на светлина. Единият е с бяла светлина и се използва за отражателна спектроскопия на тъканта. Има и три източника с определени дължини на вълните, които се използват за флуоресценция. Устройството анализира отразения и флуоресцентния светлинен сигнал от кожата чрез алгоритъм за диференциране.

В кожата естествено се съдържат молекули, които поглъщат светлината – например меланин, и такива, които флуоресцират при облъчване със светлина с определена дължина на вълната – например аминокиселините тирозин и триптофан. Всеки патологичен процес причинява специфични изменения в структурата и количеството им и следователно в оптичните им характеристики, като това позволява да се използват оптичните методи за диагностика.

„Работим за усъвършенстване на алгоритъма за диагностика – казва д-р Атанасова. – Трябва да поработим върху алгоритъма, който се прилага за диференциране, за да повишим точността му. За тази цел е нужно събирането на по-голям набор от данни за различните видове патологии. Например в момента имаме най-голяма статистика за базоцелуларните карциноми на кожата и за този вид тумори имаме голям брой съвпадения между диагнозата, определена с прототипното устройство, и поставената от лекарите хистологична диагноза.“

При изследване на гастроинтестиналния тракт оптичната биопсия може да се приложи ендоскопски. Има разработени две системи в световен мащаб, които използват автофлуоресценцията на гастроинтестиналните тъкани за диагностика. Едната е разработена в Канада –
XILLIX-LIFE-GI (Xillix Technologies), а другата e GIF-FQ260Z Evis Lucera Gastrointestinal Videoscope (Olympus Medical Systems Corp.). Основният недостатък на тези две системи е, че имат много висока чувствителност, но недостатъчна специфичност. Това означава, че често могат да идентифицират нормална тъкан като патологична. Темата на докторската дисертация на Цанислава е свързана с идентифициране на допълнителни диагностични параметри на базата на автофлуоресценцията на тъканите, които да повишат специфичността на метода.

„Прилагайки сравнително нови техники за оценяване на флуоресценцията, успяхме да идентифицираме такива параметри, които позволяват разграничаването между туморната и здравата тъкан с много висока точност, до 95% – казва младата изследователка. – Това са резултати от изследване на тъкани еx vivo. Много неща трябва да се вземат предвид при транслирането на тази техника от ex vivo към in vivo приложение, където много по-трудно се постига такава висока точност. Но все пак методиката има потенциал и най-вече предимството, че се основава на оптични методи и е неинвазивна.“
Другото направление е т.нар. дигитална хистология. Когато се взима биопсия за хистологичен анализ, тъканта се обработва. В процеса на обработване се оцветява – без такова оцветяване тъканта изглежда прозрачна. След това лекарите патолози правят микроскопски анализ на тъканните срезове.
При дигиталната хистология се използват различни оптични техники, за да се оценят оптичните параметри на здравата и на патологичната тъкан. Впоследствие се прилагат алгоритми, за да се получи контраст и да се идентифицират патологична и здрава тъкан на базата на оптичните им свойства, без да се прави физическо оцветяване на тъканта.

Цанислава Атанасова и нейните колеги изследват оптичните свойства на тъкани в норма и при патология. Анализират получените резултати, идентифицират диагностичните параметри, прилагат алгоритми за диференциране на тези параметри, за да оценят тяхното приложение за диагностика. Важно при такъв тип анализ е и да се свърже съответният параметър с патологично изменение в тъканта, което има диагностично значение, подчертава д-р Атанасова. Например изменението на флуоресценцията на колагена при раковите тъкани е свързано с разрушаването на структурата на тъканта при образуване на тумора.