ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 6, с. 1040-1049
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА
УДК 535.361.13,535.15
ЛАЗЕРНАЯ АВТОФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ ПОЛЯРИМЕТРИЯ ОПТИЧЕСКИ АНИЗОТРОПНЫХ СТРУКТУР БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
В ДИАГНОСТИКЕ РАКА
© 2015 г. Ю. А. Ушенко
Черновицкий национальный университет, 58012 Черновцы, Украина E-mail: yuriyu@gmail.com
Поступила в редакцию 07.10.2014 г.
Окончательный вариант получен 02.12.2014 г.
Представлены результаты нового физического исследования поляризационных проявлений лазерной автофлуоресценции оптически анизотропных структур тканей репродуктивной сферы женщины. Предложена мюллер-матричная модель описания комплексной анизотропии (линейное и циркулярное двулучепреломление, линейный и циркулярный дихроизм) таких биологических слоев. Определены взаимосвязи между механизмами оптической анизотропии и поляризационными проявлениями лазерной автофлуоресценции гистологических срезов ткани шейки матки в различных спектральных областях. Найдены величины и диапазоны изменения статистических моментов 1 — 4-порядков, которые описывают распределения азимутально стабильных элементов матриц Мюллера автофлуоресценции тканей репродуктивной сферы женщины различного физиологического состояния. Определена информативность предложенного метода и впервые реализована дифференциация гистологических срезов биопсии доброкачественных (дисплазия) и злокачественных (аденокарцинома) опухолей шейки матки.
DOI: 10.7868/S0030403415060239
ВВЕДЕНИЕ
Биологические ткани представляют собой структурно неоднородные оптически анизотропные среды с поглощением. Для описания взаимодействия поляризованного света с такими сложными системами необходимы наиболее общие приближения, основанные на использовании мюллер-матричного формализма. В настоящее время в биологических и медицинских исследованиях используются множество практических методик, основанных на измерении и анализе матриц Мюллера исследуемых образцов [1—10].
За последние 10—15 лет в матричной оптике сформировалось самостоятельное направление — лазерная поляриметрия [11]. В результате определены диагностические взаимосвязи между набором статистических моментов 1—4-порядков [11, 12], которые характеризуют распределения элементов матрицы Мюллера, и линейным двулуче-преломлением биологических тканей человека. На этой основе реализована диагностика рака дермы кожи, эпителиальной и соединительной тканей органов женской репродуктивной сферы и др. [11—13]. Основным недостатком данного диагностического направления является невысокая точность, обусловленная азимутальной зависи-
мостью большинства элементов, которые содержит матрица Мюллера.
Параллельно интенсивно развиваются альтернативные спектральные методы, основанные на диагностическом использовании эффектов флуоресценции белковых молекул и их комплексов. На этой основе получены обнадеживающие по чувствительности и точности результаты в области диагностики рака полостных органов [14—29].
Вместе с тем данная оптическая технология остается недостаточно точной в актуальной задаче дифференциации доброкачественных и злокачественных состояний биологических тканей.
Поэтому перспективным заданием как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения может стать объединение диагностических возможностей методов лазерной поляриметрии и спектральной автофлуоресценции.
Настоящая работа направлена на изучение поляризационных эффектов лазерно-индуцирован-ной автофлуоресценции тканей репродуктивной сферы женщины и разработку на этой основе метода спектрально селективной флуоресцентной поляриметрии для дифференциации доброкачественных (дисплазия) и злокачественных (адено-карцинома) состояний ткани шейки матки.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
В основу работы положены следующие модельные положения. Формирование лазерной поляризационной флуоресценции биологических тканей основывается [30] на
— механизмах оптически анизотропного поглощения (линейный и циркулярный дихроизм),
— излучении молекул эндогенных флуорофо-ров ("линейных" осцилляторов) и образованных ими жидкокристаллических сетей ("эллиптических" осцилляторов) [31—34],
— механизмах фазовой анизотропии (линейное и циркулярное двулучепреломление фибриллярных сетей), которое модулирует флуоресцентное излучение [30].
Указанный сценарий можно описать с использованием мюллер-матричного формализма.
Поглощение
Фибриллярные сети, образованные оптически активными полипептидными белковыми цепочками, характеризуются линейным дихроизмом. Оптические проявления такого механизма характеризует [30] следующая матрица Мюллера:
где
т =
1 Ф12 Ф13
ф21 ф22 ф23
Ф31 фз2 Ф33
0 0 0
0 0 0
Ф44
где
(1)
Ф12 = Ф21 =(1 -Ат) cos2p, ф13 = Ф31 = (1 - Ат) sin 2р, Ф22 = (1 + At)cos2 2р + ^л/Атsin2 2р,
Ф23 = Ф32 =(1 - Ai)sin 2р, ф33 = (1 + Ai)sin22p + 2л/Ат cos22p, ф44 = 2ТАт.
Здесь Ат = тх/ту, т x = т cos р, т y = т sin р, т x, ту — коэффициенты поглощения линейно поляризованных ортогональных составляющих амплитуды лазерного излучения, р — ориентация оптической оси фибриллы в плоскости гистологического среза биологической ткани.
Наличие спиралеобразной структуры белковых молекул формирует циркулярный дихроизм, оптические проявления которого описывает следующий матричный оператор:
{Ф} =
1 0 0
Ф41
0 0
Ф22 0
0 Ф33
0 0
Ф14 0 0 1
Ф22 = Ф33 = (1 - Ag 2)/(1 + Ag2),
Ф14 =ф 41 =± 2Аg/(1 + Ag2).
(2)
Здесь Ag = ^® - gф)/(g® + gф) g®, gф - показатель поглощения лево- (®) и правоциркулярно (©) поляризованных составляющих амплитуды индуцирующего флуоресценцию лазерного излучения.
Флуоресценция
Поляризационные проявления флуоресценции порфиринов характеризует матрица Мюллера для ансамблей таких молекул, приведенная в [31]:
{F } =
1 F12 0 0
F21 F22 0 0
0 0 F33 0
0 0 0 F44
где
Fik = F11
(3)
F11 = a - b sin F12 = F21 = -b sin2 Д F22 = b(1 + cos2 fl), F33 = 2b cos F44 = 2c cos ■&.
Здесь ф — угол рассеяния, a и Ь — взаимосвязанные константы, определяемые для системы "линейных" осцилляторов в изотропной среде следующими соотношениями:
a = 0.5 (1 + (cos2 е)), b = 0.25(3(cos2 е}-1),
(4)
(5)
где £ — угол между излучением диполя и азимутом поляризации освещающего пучка. В [31] определены два предельных значения величины (ео82 :
для (ео82 = 3/5 системы коллинеарных диполей,
для (ео82 = 1/3 системы случайно ориентированных диполей.
Параметр c связан с оптической активностью молекул [31]. Здесь рассматривается излучение ансамблей (жидкокристаллических цепей) оптически активных молекул как совокупность "эллиптических осцилляторов". В предельном случае значение указанного параметра достигает c = 5/16.
Фазовая модуляция флуоресценции порфиринов
Сформированное за счет механизмов поглощения (1), (2) флуоресцентное излучение линейных и эллиптических осцилляторов (3)—(5) распространяется в объеме оптически анизотропной биологической ткани. В результате происходит фазовая модуляция такого излучения. Основными механизмами такой модуляции является оптическая активность аминокислот и образованных ими полипептидных цепей {П}, а также дву-лучепреломление протеиновых фибриллярных сетей {£>} [30]:
м =
10 0 0
0 Ю22 «23 0
0 ю32 ю33 0
0 0 0 1
где
«22 = «33 = cos2y, ю23 = -ю32 = sin 2у.
(6)
Здесь у — угол поворота плоскости поляризации флуоресцентного излучения,
Р} =
1 0 0 d 0 d 0d
0 0
22 u 23 U 24
32 d33 d34
42 d 43 d 44
где
(7)
d22 = cos2 2p + sin2 2p cos 5, d23 = d32 = cos2p sin2p(1 - cos5), d33 = sin2 2p + cos2 2p cos 5, d 24 = -d 42 = sin 2p sin 5, d34 = -d 43 = cos2p sin 5, d44 = cos 5.
Здесь 5 — фазовый сдвиг между линейно поляризованными ортогональными компонентами амплитуды флуоресцентного излучения.
Учитывая все рассмотренные механизмы оптически анизотропного поглощения лазерного излучения и последующей фазовой модуляции излучения эндогенных флуорофоров, результирующая матрица флуоресценции биологической ткани может быть записана следующим образом:
{м } = р}М{/- }{^}{Ф} =
(8)
1 M12 M13 M14
M 21 M 22 M23 M24
M31 M 32 M33 M34
M 41 M 42 M43 M44
Анализ (8) показывает, что матричные элементы Мкк характеризуют суперпозицию механизмов линейного (Ах) и циркулярного (А^) дихроизма, флуоресценции линейных (^12;21;22;33) и эллиптических СР44) осцилляторов с последующей фазовой модуляцией такого излучения оптически активными молекулами (0) и двулучепреломляю-щими (5) сетями таких молекул. При этом информационное содержание матричных элементов различно. Так, совокупность элементов М[=1; к=1;2;3;4 (Ри) характеризует флуоресценцию линейных осцилляторов, возникшую за счет оптически анизотропного поглощения. Элементы М1=2;3;к=1;2;3;4 (^21;22;33) определяют фазово-модули-рованную (5,0) флуоресценцию линейных осцилляторов. Наконец, элементы М=4;к=1;2;3;4 (^21;22;33, ^44) несут комплексную информацию о флуоресценции линейных (^21;22;33) и эллиптических (Г44) осцилляторов в оптически анизотропной среде с линейным и циркулярным двулучепреломлени-ем.
Заметим, что практическое использование выражения (8) затруднено. Причиной этому является азимутальная зависимость большинства матричных элементов — в общем случае 12 из 16 элементов изменяются при вращении образца вокруг оси зондирования.
Решить эту проблему позволяют данные исследований [1, 6, 8, 10]. Здесь показано, что ази-мутально стабильными, не зависящими от угла (0) поворота образца, оказываются следующие элементы матрицы {М}, а также их комбинации:
M11 (0) = const, M14 (0) = const, M 41 (0) = const, M 44 (0) = const.
[M23 - M32](0)_AM23;32 (0)
= const.
(9)
(10)
[М22 + М33] (0) 2М22;33 (0)
Для определения "информационного содержания" инвариантов (9) и (10) рассмотрим детальнее процессы автофлуоресцентного излучения молекулярными структурами с последующей фазовой модуляцией в видимой области спектра, где преобладают проявления фазовой анизотропии — линейного и циркулярного двулучепре-ломления [30, 32, 33]. Экстремальные значения параметров линейного (Ат) и циркулярного дихроизма (С) белков лежат в ультрафиолетовой области. Иными словами, выполняется условие
5,0 > Ат,С. (11)
Исходя из (11) матричный оператор фазовой анизотропии среды, в кото
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.