Селективная аблация опухолей с помощью фемтосекундного лазера, резонансного с коллагеном

Преобразование света в целенаправленное средство борьбы с раком

Рак поджелудочной железы — один из самых смертельных видов рака, частично потому, что его трудно удалить, не повредив окружающий хрупкий орган. В этом исследовании изучается новый способ использования ультракоротких импульсов невидимого инфракрасного света для более точного выпаривания опухолей поджелудочной железы, за счёт наведения на структурный компонент, которого в опухолях больше. Работа намекает на будущие методы лечения, которые могли бы сохранить больше здоровой ткани, одновременно нанося серьёзный удар по раку.

Почему опухоли поджелудочной железы так трудно лечить

Плазмоклеточный (ductal) аденокарцином поджелудочной железы, самая распространённая форма рака поджелудочной, растёт агрессивно и часто диагностируется на поздних стадиях. Только небольшая доля пациентов подходит для операции, а даже современные химио- и лучевая терапии дают ограниченный эффект. Тепловые методы разрушения тканей, такие как радиочастотная, микроволновая или стандартная лазерная аблация, могут уменьшать опухоль, но обычно они «сжигают» всё на своём пути. Поскольку поджелудочная железа расположена рядом с жизненно важными кровеносными сосудами и деликатными структурами пищеварительной системы, расширение зоны обработки чревато серьёзными осложнениями. Врачи поэтому нуждаются в методе, который мог бы отличать опухоль от нормальной ткани при разрушении, а не просто обрабатывать широкую область.

Поиск скрытой слабости в ткани опухоли

Авторы сосредоточились на ключевом физическом различии между опухолевой и здоровой тканью поджелудочной: опухоли переполнены жёстким, волокнистым материалом с высоким содержанием коллагена, тогда как нормальная ткань мягче и рыхлее. При использовании стандартных красителей для тканей и электронного микроскопа на образцах после операции они показали, что в раковой ткани присутствуют плотные пучки коллагеновых волокон, тогда как в соседней здоровой поджелудочной их гораздо меньше. Затем они применили инфракрасную спектроскопию, чтобы измерить, насколько сильно эти ткани поглощают разные длины волн среднеинфракрасного света. Обе ткани поглощают в схожих диапазонах, но в опухолях наблюдается гораздо более выраженный пик около длины волны 6,1 микрометра, соответствующий коллагеновым вибрациям. Это наводит на мысль, что лазер, настроенный точно на эту длину волны, мог бы нагревать и разрушать опухолевую ткань эффективнее, чем нормальную поджелудочную.

Создание лазера, «слушающего» коллаген

Чтобы проверить эту идею, команда создала мощный среднеинфракрасный лазер, испускающий ультракороткие импульсы — длительностью всего несколько сотен квадриллионных долей секунды — с центральной длиной волны 6,1 микрометра. Эти «фемтосекундные» импульсы ограничивают ненужное распространение тепла, подобно серии малых контролируемых разрядов молнии. Система преобразует свет от промышленного высокомощного лазера в требуемую длину волны с помощью специальных кристаллов и может выдавать более одного ватта средней мощности; этого достаточно для практической аблации тканей. Исследователи также разработали полый волоконный провод из стекла, способный направлять такой свет по гибкому пути — важный шаг к проведению лазера через тонкую иглу в тело для минимально инвазивных процедур.

Проверка селективности в клетках, на мышах и в образцах человека

В культуре клеток двух линий рака поджелудочной железы лазер 6,1 микрометра оказался значительно более губительным, чем лазеры на 1 или 3 микрометра, резко снижая выживаемость клеток в течение секунд или минут после воздействия. У мышей с под кожей имплантированными опухолями поджелудочной сравнивали три длины волны. Хотя луч 1 микрометра несл в себе гораздо большую мощность, он удалял только поверхностные слои опухоли. Коллаген-резонансный лазер 6,1 микрометра обеспечивал глубину аблации в пять–десять раз большую и замедлял рост опухоли настолько, что у обработанных животных опухоли в итоге были примерно в восемь раз меньше, чем у необработанных. Что важнее, при применении лазера 6,1 микрометра к человеческим образцам опухоли и соседней нормальной поджелудочной разрезы в опухоли были в два–три раза глубже, чем в здоровой ткани при тех же условиях, что демонстрирует реальную селективность. Напротив, при испытании на другом типе опухоли печени, которая не накапливает лишний коллаген, преимущество в основном исчезало, что укрепляет центральную роль коллагена. Наконец, они показали, что полое волокно может доставлять тот же селективный эффект, подтверждая перспективу игольных процедур в будущем.

Что это может означать для будущей онкологической помощи

Исследование демонстрирует, что точно настроенные вспышки среднеинфракрасного света могут использовать материальное различие между опухолью и здоровой тканью для более селективного разрушения. Нацеливаясь на области, богатые коллагеном, фемтосекундный лазер 6,1 микрометра проникает глубже в рак поджелудочной, щадя больше окружающего органа. Хотя работа всё ещё находится на экспериментальной стадии и требует дальнейших испытаний в реалистичных моделях и клинических условиях, она указывает на новый класс процедур с визуальным наведением и доставкой через волокно, которые могли бы лечить не только опухоли поджелудочной, но и другие коллаген-обогащённые раки с большей точностью и меньшими побочными эффектами.

Цитирование: Dunxiang Zhang, Xing Huang, Xuemei Yang, Ning Xia, Kan Tian, Jinmiao Guo, Maoxing Xiang, Linzhen He, Zhizhuo Fu, Ang Deng, Han Wu, Yuxi Wang, Wonkeun Chang, Bole Tian, Junjie Xiong, Qi Jie Wang, Anderson S. L. Gomes, and Houkun Liang, "Selective tumor ablation via femtosecond laser resonant with collagen," Optica 12, 1578-1586 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.561337

Ключевые слова: рак поджелудочной железы, лазерная аблация, коллаген, среднее инфракрасное, минимально инвазивная хирургия