В последние годы технологии в области электроники и оптики совершили рывок, открыв новые возможности для терагерцовых волн — невидимого света, который находится между инфракрасным излучением и микроволнами. Эти волны могут проникать в ткани иначе, чем привычные методы диагностики, что делает их перспективным инструментом в медицине. Например, с их помощью можно уловить мельчайшие изменения в структуре тканей при раке или ожогах.

Но пока у терагерцовой диагностики есть серьезные ограничения. Большинство методов опираются на разницу в содержании воды между здоровыми и больными тканями, но этого недостаточно для сложных заболеваний. Другой подход — анализ поляризации отраженных волн — дает ценные данные, но ученые до конца не понимают, как именно ткани влияют на поляризацию. Чтобы разобраться в этом, нужны точные компьютерные модели.

Поляризация света — это направление колебаний световой волны. Обычный свет «дрожит» во всех плоскостях, но если пропустить его через фильтр, можно выделить волны с одной ориентацией. Отраженный свет меняет поляризацию в зависимости от поверхности — это и используют для анализа тканей.

Группа исследователей под руководством профессора Хассана Арбаба из Университета Стоуни-Брук (США) провела масштабное исследование, объединив математическое моделирование, компьютерные симуляции и эксперименты. Они изучили, как поляризованный терагерцовый свет взаимодействует с микроскопическими структурами тканей, которые меняются при болезнях.

Результаты опубликованы в издании Journal of Biomedical Optics.

Сначала ученые смоделировали рассеивание волн на сферических частицах в биологических средах — это имитировало опухолевые скопления или поврежденные волосяные фолликулы при ожогах. Для проверки создали искусственные ткани из желатина с частицами полипропилена разного размера.

Моделирование показало два ключевых параметра:

• интенсивность рассеянного света,
• степень его поляризации.

Оба меняются в зависимости от размера и концентрации частиц. Важно, что для анализа хватило всего одного измерения поляризации, тогда как раньше требовалось минимум четыре.

Эксперименты подтвердили предсказания: чем крупнее частицы, тем сильнее рассеивается свет и тем заметнее провалы в поляризации на определенных частотах. Это позволяет оценивать размер структур в тканях. В финале ученые продемонстрировали метод на практике, зафиксировав четкую разницу между обожженной и здоровой кожей у свиньи.

Технология открывает новые возможности для ранней диагностики рака. Например, можно обнаружить микрокластеры опухолевых клеток, которые отрываются от основной опухоли. Сейчас для этого нужны биопсия и сложные анализы, а терагерцовый метод может упростить процесс.

В будущем исследователи планируют испытать метод на реальных образцах раковых тканей и повысить точность измерений. С новыми системами можно будет различать структуры размером 10–30 микрометров, что расширит диапазон применения.

Терагерцовая диагностика делает первые шаги в медицине, но уже ясно: она может изменить подход к выявлению и мониторингу болезней.

Главная ценность работы — в переходе от грубых измерений (типа «больше воды — значит, опухоль») к анализу микроструктур. Если метод доведут до клиник, врачи смогут:

• обнаруживать рак на ранних стадиях без биопсии,
• точно оценивать глубину ожогов без инвазивных процедур,
• отслеживать динамику лечения в реальном времени.

Особенно перспективно направление в онкологии: поляриметрия может выявлять агрессивные формы опухолей по характеру рассеивания.

Отметим, что метод пока тестировали только на искусственных тканях и единичных образцах кожи. Неясно, как он поведет себя в реальных условиях, где ткани неоднородны (например, при фиброзе или воспалении). Кроме того, высокое поглощение терагерцовых волн водой может мешать диагностике глубоких структур.

Ранее ученые выяснили, что именно запускает гибель клеток при ожогах.