Скальпель для эмбриона

О применении лазеров для бесконтактной хирургии

Установка лазерный скальпель — оптический пинцет. Фото: архив фемтосекундного лазерного центра ОИВТ РАН

О лазерном скальпеле и оптическом пинцете, позволяющих делать операции на эмбрионах, в фемтосекундном лазерном центре ОИВТ РАН рассказал «Чердаку» Дмитрий Ситников. Проект по разработке автоматизированного комплекса бесконтактной микрохирургии для репродуктивных технологий (14.604.21.0026) осуществлен в рамках ФЦП ИР.

— Как сделать скальпель при помощи лазера?

— Лазерный скальпель — это остросфокусированное лазерное излучение. Чтобы выжигать по дереву, в детстве многие брали линзу и фокусировали солнечный свет на дощечке. С лазером получается то же самое. Отличие в том, что мы используем фемтосекундный лазер, длительность импульса которого очень и очень мала.

— Что такое фемтосекундный лазер?

— Если мы возьмем секунду и сожмем до фемтосекунды, то время жизни Вселенной уложится в семь с половиной минут. Именно использование фемтосекундных лазерных импульсов и меняет физику воздействия лазерного излучения на объект, в нашем случае — на объект биологический. Из-за малой длительности фемтосекундный лазерный импульс обладает очень большой пиковой мощностью и очень маленькой энергией, а энергия — это тепло. Биологические объекты боятся тепла, при нагреве они погибают. Применение фемтосекундных лазерных импульсов минимизирует тепловое воздействие на нежные, хрупкие биологические объекты.

— Какие операции делают таким скальпелем?

— Прежде всего мы используем нашу разработку в области вспомогательных репродуктивных технологий, для операций на эмбрионах при искусственном оплодотворении. Мы можем решать несколько задач: это вспомогательный хэтчинг и биопсия.

Вспомогательный хэтчинг. Фото: архив фемтосекундного лазерного центра ОИВТ РАН


— Что такое вспомогательный хэтчинг?

— Эмбрион на определенной стадии развития покидает защитную скорлупку, которая называется блестящей оболочкой. Эмбрион прорывает ее, чтобы затем прикрепиться к стенке матки. Когда оплодотворение происходит искусственным путем в пробирке, медики надрезают защитную оболочку, чтобы помочь эмбриону ее покинуть, помогают эмбриону вылупиться. С английского «хэтчинг» так и переводится: «вылупление». Есть механические методы хэтчинга, когда специалист механически повреждает защитную оболочку стеклянными пипетками и иглами, и химические, когда специальный раствор локально разъедает оболочку. У этих методов есть недостатки: их нельзя полностью автоматизировать, а успех зависит от квалификации специалиста. Нельзя до конца исключить риск повреждения самого эмбриона и риск заражения. Мы предлагаем выполнять данную процедуру бесконтактным способом с помощью лазера: сфокусировать лазерное излучение и в области фокусировки сделать надрез защитной оболочки.

— Зачем брать биопсию у эмбриона?

— Мамы хотят быть уверены, что у ребенка не будет генетических отклонений. Для этого проводят генетическую диагностику эмбриона — у него забирают часть клеток. Мы организовали процедуру биопсии трафектодермы. Клетки трафектодермы — это те клетки, из которых потом сформируется плацента. Мы не отщипываем клетки непосредственно от эмбриона, не наносим никакого вреда плоду. Для решения этой задачи мы применяем комбинированную систему «лазерный скальпель — оптический пинцет».

Частица, захваченная при помощи оптического пинцета. Фото: архив фемтосекундного лазерного центра ОИВТ РАН


— Как работает оптический пинцет?

— Оптический пинцет или оптическая ловушка — это тоже сфокусированное лазерное излучение, только гораздо меньшей мощности. Длина волны излучения подбирается таким образом, чтобы клетка была прозрачна на этой длине волны. Затем мы берем клетку и помещаем в сходящийся лазерный пучок. Давайте представим лазерный пучок двумя крайними сходящимися лучами. Проходя через частичку, они преломляются. Из-за того что у нас изменилось направление распространения лучей, по закону сохранения импульса возникает сила, действующая в ту же сторону, что и изменение направления. Если частичка находилась в центре пучка, то равнодействующая этих двух сил равна нулю, и никакого действия на частичку не оказывается. Если же мы сместим лазерный луч так, что частичка окажется вне оси лазерного луча, то возникнет равнодействующая сила, которая заставит частичку сместиться в направлении оси лазерного луча. Таким образом, смещая лазерный луч, мы можем заставить частичку следовать за ним. Это удивительное явление было открыто около 50 лет назад и нашло широкое распространение в биологии, поскольку это удобный бесконтактный способ работы с клетками и даже внутриклеточными структурами.

— Где еще используют оптический пинцет?

— Мы с его помощью исследуем транспорт веществ внутри клетки: захватываем органеллы, отдельные элементы клетки и смотрим, как устроена транспортная система и транспортные белки. Комбинированную систему «лазерный скальпель — оптический пинцет» можно использовать, если нужно сделать небольшую перфорацию — отверстие — в мембране клетки. Это нужно для трансфекции, то есть помещения инородного генетического материала внутрь клетки. Кроме того, таким образом можно сделать гибридные клетки - гибридомы: с помощью двух оптических пинцетов берут две разные клетки и сводят вместе. Образуется область соприкосновения, и если на эту область воздействовать лазерным импульсом скальпеля, то в обеих клетках образуются отверстия, мембрана перестает отделять клетки друг от друга. Получается гибридная клетка с двумя ядрами и единой мембраной. Одно из ядер впоследствии можно отключить.
Анна Шустикова
Теги:

Читать еще на Чердаке: