Возможности флуоресцентной спектроскопии биотканей человека в портативном мультимодальном исполнении

Патологические процессы в биотканях характеризуются смещением метаболического гомеостаза, что вызывает биохимические изменения, которые могут быть обнаружены с помощью методов флуоресцентной спектроскопии. Широкий спектр возможностей, простота реализации и ценность получаемой диагностической информации обусловливают высокий интерес к таким методам со стороны научного медицинского сообщества.

Цель исследования — анализ существующих проблем применения метода флуоресцентной спектроскопии биотканей и демонстрация ее новых возможностей в портативном мультимодальном исполнении для решения различных диагностических задач практической медицины.

Теоретическая часть исследования. Рассмотрены факторы, влияющие на регистрацию флуоресценции биотканей. Установлено, что оценка митохондриальной функции (окислительного метаболизма) по спектрам НАДН и ФАД возможна только с определенными допущениями из-за сложности учета вклада коллагена и ряда других флуорофоров во флуоресценцию. Изучены возможности мультимодального подхода: совмещение флуоресцентной спектроскопии и лазерной допплеровской флоуметрии в одном диагностическом устройстве, в частности в виде портативного варианта приборной реализации.

Экспериментальная часть исследования. Для демонстрации возможностей применения портативных анализаторов окислительного метаболизма биотканей проведены пилотные экспериментальные исследования с участием 8 условно здоровых добровольцев. Параметры микроциркуляторно-тканевых систем (окислительного метаболизма) регистрировали с помощью модифицированного мультимодального портативного анализатора, позволяющего измерять спектры флуоресценции кожи в широком спектральном диапазоне — от 320 до 900 нм. Кожную флуоресценцию регистрировали в области лба, дорсальной поверхности запястья, волярной поверхности дистальной фаланги третьего пальца кисти и плантарной поверхности дистальной фаланги первого пальца стопы при длине волны возбуждающего излучения 365 нм.

Проведенный эксперимент показал, что, несмотря на существенное влияние кровенаполнения биоткани совместно с уровнем меланина на регистрируемый спектр флуоресценции, оценка интенсивности кожной флуоресценции в динамике при использовании функциональных тестов отражает изменения метаболических процессов биотканей и может рассматриваться в качестве перспективного диагностического критерия.

1. Дунаев А.В. Мультимодальная оптическая диагностика микроциркуляторно-тканевых систем организма человека. Старый Оскол: ТНТ; 2022; 440 с.
2. Рогаткин Д.А. Физические основы лазерной кли­нической флюоресцентной спектроскопии in vivo. Ме­дицинская физика 2014; 4: 78–96.
3. Жеребцов Е.А., Дремин В.В., Жеребцова А.И., Потапова Е.В., Дунаев А.В. Флуоресцентная диагностика митохондриальной функции в эпителиальных тканях in vivo. Орел: ОГУ имени И.С. Тургенева; 2008; 107 с.
4. Richards-Kortum R., Sevick-Muraca E. Quantitative optical spectroscopy for tissue diagnosis. Annu Rev Phys Chem 1996; 47: 555–606, https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.47.1.555.
5. Alfano R., Tata D.B., Cordero J., Tomashefsky P., Longo F., Alfano M. Laser induced fluorescence spectroscopy from native cancerous and normal tissue. IEEE J Quantum Electron 1984; 20(12): 1507–1511, https://doi.org/10.1109/JQE.1984.1072322.
6. Georgakoudi I., Jacobson B.C., Müller M.G., Sheets E.E., Badizadegan K., Carr-Locke D.L., Crum C.P., Boone C.W., Dasari R.R., Van Dam J., Feld M.S. NAD(P)H and collagen as in vivo quantitative fluorescent biomarkers of epithelial precancerous changes. Cancer Res 2002; 62(3): 682–687.
7. Koenig K., Schneckenburger H. Laser-induced autofluorescence for medical diagnosis. J Fluoresc 1994; 4(1): 17–40, https://doi.org/10.1007/BF01876650.
8. Croce A.C., Bottiroli G. Autofluorescence spectroscopy and imaging: a tool for biomedical research and diagnosis. Eur J Histochem 2014; 58(4): 2461, https://doi.org/10.4081/ejh.2014.2461.
9. Mayevsky A., Chance B. Oxidation-reduction states of NADH in vivo: from animals to clinical use. Mitochondrion 2007; 7(5): 330–339, https://doi.org/10.1016/j.mito.2007.05.001.
10. Mayevsky A. Mitochondrial function in vivo evaluated by NADH fluorescence. Springer; 2015; 276 p.
11. Chance B., Williams G.R. Respiratory enzymes in oxidative phosphorylation. I. Kinetics of oxygen utilization. J Biol Chem 1955; 217(1): 383–393.
12. Chance B., Williamson J.R., Jamieson D., Schoener B. Properties and kinetics of reduced pyridine nucleotide fluorescence of the isolated and in vivo rat heart. Biochem Zeit 1965; 341: 357–377.
13. Alfano R.R., Das B.B., Cleary J., Prudente R., Celmer E.J. Light sheds light on cancer — distinguishing malignant tumors from benign tissues and tumors. Bull N Y Acad Med 1991; 67(2): 143–150.
14. Alfano R., Tang G.C., Pradhan A., Lam W., Choy D., Opher E. Fluorescence spectra from cancerous and normal human breast and lung tissues. IEEE J Quantum Electron 1987; 23(10): 1806–1811, https://doi.org/10.1109/JQE.1987.1073234.
15. Palmer G.M., Keely P.J., Breslin T.M., Ramanujam N. Autofluorescence spectroscopy of normal and malignant human breast cell lines. Photochem Photobiol 2003; 78(5): 462–469, https://doi.org/10.1562/0031-8655(2003)0780462:asonam2.0.co;2.
16. Palmer S., Litvinova K., Dunaev A., Yubo J., McGloin D., Nabi G. Optical redox ratio and endogenous porphyrins in the detection of urinary bladder cancer: a patient biopsy analysis. J Biophotonics 2017; 10(8): 1062–1073, https://doi.org/10.1002/jbio.201600162.
17. Panjehpour M., Julius C.E., Phan M.N., Vo-Dinh T., Overholt S. Laser-induced fluorescence spectroscopy for in vivo diagnosis of non-melanoma skin cancers. Lasers Surg Med 2002; 31(5): 367–373, https://doi.org/10.1002/lsm.10125.
18. Croce A.C., Bottiroli G. Autofluorescence spectroscopy and imaging: a tool for biomedical research and diagnosis. Eur J Histochem 2014; 58(4): 2461, https://doi.org/10.4081/ejh.2014.2461.
19. Apolikhina L.A., Denisova E.D., Bulgakova N.N., Kuzmin S.G., Vorozhtsov G.N. Fluorescence detection and photodynamic therapy of human papilloma virus associated diseases of female genital organs. In: Proceedings of the 6th International Congress of the World Association of Laser Therapy, WALT 2006; 2006; p. 59–61.
20. Bulgakova N., Sokolov V., Telegina L., Vereshchagin K., Frank G., Chissov V. Study of laser-induced autofluorescence emission spectra from normal and malignant bronchial epithelium. Photonics Lasers Med 2013; 2(2): 93–99, https://doi.org/10.1515/plm-2013-0002.
21. Rusakov I.G., Sokolov V.V., Bulgakova N.N., Ul’ianov R.V., Teplov A.A. Fluorescent diagnostic methods and superficial cancer of the urinary bladder: current status. Urologiia 2008; 3: 67–72.
22. Дронова О.Б., Третьяков А.А., Мищенко А.Н., Бул­гакова Н.Н. Исследование возможностей лазер-индуцированной аутофлуоресценции в диагностике пищевода Барретта. Сибирский онкологический журнал 2008; 4: 11–16.
23. Bulgakova N.N., Kazachkina N.I., Sokolov V.V., Smirnov V.V. Local fluorescence spectroscopy and detection of malignancies using laser excitation at various wavelengths. Laser Phys 2006; 16: 889–895, https://doi.org/10.1134/s1054660x06050227.
24. Bulgakova N., Ulijanov R., Vereschagin K., Sokolov V., Teplov A., Rusakov I., Chissov V. In vivo local fluorescence spectroscopy in PDD of superficial bladder cancer. Medical Laser Application 2009; 24(4): 247–255, https://doi.org/10.1016/j.mla.2009.08.005.
25. Harris K., Rohrbach D.J., Attwood K., Qiu J., Sunar U. Optical imaging of tissue obtained by transbronchial biopsies of peripheral lung lesions. J Thorac Dis 2017; 9(5): 1386–1392, https://doi.org/10.21037/jtd.2017.03.113.
26. Braun F., Schalk R., Nachtmann M., Hien A., Frank R., Beuermann T., Methner F.J., Kränzlin B., Rädle M., Gretz N. A customized multispectral needle probe combined with a virtual photometric setup for in vivo detection of Lewis lung carcinoma in an animal model. Meas Sci Technol 2019; 30(10): 104001, https://doi.org/10.1088/1361-6501/ab24a1.
27. Mathieu M.C., Toullec A., Benoit C., Berry R., Validire P., Beaumel P., Vincent Y., Maroun P., Vielh P., Alchab L., Farcy R., Moniz-Koum H., Fontaine-Aupart M.P., Delaloge S., Balleyguier C. Preclinical ex vivo evaluation of the diagnostic performance of a new device for in situ label-free fluorescence spectral analysis of breast masses. Eur Radiol 2018; 28(6): 2507–2515, https://doi.org/10.1007/s00330-017-5228-7.
28. Spliethoff J.W., Evers D.J., Jaspers J.E., Hendriks B.H., Rottenberg S., Ruers T.J. Monitoring of tumor response to Cisplatin using optical spectroscopy. Transl Oncol 2014; 7(2): 230–239, https://doi.org/10.1016/j.tranon.2014.02.009.
29. Ostrander J.H., McMahon C.M., Lem S., Millon S.R., Brown J.Q., Seewaldt V.L., Ramanujam N. Optical redox ratio differentiates breast cancer cell lines based on estrogen receptor status. Cancer Res 2010; 70(11): 4759–4766, https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-09-2572.
30. Sivabalan S., Vedeswari C.P., Jayachandran S., Koteeswaran D., Pravda C., Aruna P.R., Ganesan S. In vivo native fluorescence spectroscopy and nicotinamide adinine dinucleotide/flavin adenine dinucleotide reduction and oxidation states of oral submucous fibrosis for chemopreventive drug monitoring. J Biomed Opt 2010; 15(1): 017010, https://doi.org/10.1117/1.3324771.
31. Palmer S., Litvinova K., Rafailov E.U., Nabi G. Detection of urinary bladder cancer cells using redox ratio and double excitation wavelengths autofluorescence. Biomed Opt Express 2015; 6(3): 977–986, https://doi.org/10.1364/BOE.6.000977.
32. Fokkens B.T., Smit A.J. Skin fluorescence as a clinical tool for non-invasive assessment of advanced glycation and long-term complications of diabetes. Glycoconj J 2016; 33(4): 527–535, https://doi.org/10.1007/s10719-016-9683-1.
33. Bos D.C., de Ranitz-Greven W.L., de Valk H.W. Advanced glycation end products, measured as skin autofluorescence and diabetes complications: a systematic review. Diabetes Technol Ther 2011; 13(7): 773–779, https://doi.org/10.1089/dia.2011.0034.
34. Галкина Е.М., Утц С.Р. Флуоресцентная диагностика в дерматологии. Саратовский научно-медицинский журнал 2013; 9(3): 566–572.
35. Kang U.K., Папаян Г.В., Березин В.Б., Петри­щев Н.Н., Галагудза М.М. Спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований. Оптический журнал 2013; 80(1): 56–67, https://doi.org/10.1364/JOT.80.000040.
36. Тучин В. Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 2. М: ФИЗМАТЛИТ; 2007; 368 с.
37. Castro-e-Silva O., Sankarankutty A.K., Correa R.B., Ferreira J., Vollet Filho J.D., Kurachi C., Bagnato V.S. Autofluorescence spectroscopy in liver transplantation: preliminary results from a pilot clinical study. Transplant Proc 2008; 40(3): 722–725, https://doi.org/10.1016/j.transproceed.2008.03.005.
38. Ershova E.Y., Karimova L.N., Kharnas S.S., Kuzmin S.G., Loschenov V.B. Photodynamic therapy of acne vulgaris. In: Lasers in surgery: advanced characterization, therapeutics, and systems XIII. SPIE; 2003; p. 62–67.
39. De Veld D.C., Witjes M.J., Sterenborg H.J., Roodenburg J.L. The status of in vivo autofluorescence spectroscopy and imaging for oral oncology. Oral Oncol 2005; 41(2): 117–131, https://doi.org/10.1016/j.oraloncology.2004.07.007.
40. Akbar N., Sokolovski S., Dunaev A., Belch J.J., Rafailov E., Khan F. In vivo noninvasive measurement of skin autofluorescence biomarkers relate to cardiovascular disease in mice. J Microsc 2014; 255(1): 42–48, https://doi.org/10.1111/jmi.12135.
41. Tarakanchikova Y., Stelmashchuk O., Seryogina E., Piavchenko G., Zherebtsov E., Dunaev A., Popov A., Meglinski I. Allocation of rhodamine-loaded nanocapsules from blood circulatory system to adjacent tissues assessed in vivo by fluorescence spectroscopy. Laser Phys Lett 2018; 15: 105601, https://doi.org/10.1088/1612-202x/aad857.
42. Lin Y., Gao H., Nalcioglu O., Gulsen G. Fluorescence diffuse optical tomography with functional and anatomical a priori information: feasibility study. Phys Med Biol 2007; 52(18): 5569–5585, https://doi.org/10.1088/0031-9155/52/18/007.
43. Рогаткин Д.А., Приснякова О.А., Моисеева Л.Г., Черкасов А.С. Анализ точности лазерной клинической флюоресцентной диагностики. Измерительная техника 1998; 7: 58–61.
44. Sinichkin Y.P., Utz S.R., Mavliutov A.H., Pilipenko H.A. In vivo fluorescence spectroscopy of the human skin: experiments and models. J Biomed Opt 1998; 3(2): 201–211, https://doi.org/10.1117/1.429876.
45. Konig K., Riemann I. High-resolution multiphoton tomography of human skin with subcellular spatial resolution and picosecond time resolution. J Biomed Opt 2003; 8(3): 432–439, https://doi.org/10.1117/1.1577349.
46. Dunaev A.V., Dremin V.V., Zherebtsov E.A., Rafailov I.E., Litvinova K.S., Palmer S.G., Stewart N.A., Sokolovski S.G., Rafailov E.U. Individual variability analysis of fluorescence parameters measured in skin with different levels of nutritive blood flow. Med Eng Phys 2015; 37(6): 574–583, https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2015.03.011.
47. Dremin V.V., Dunaev A.V. How the melanin concentration in the skin affects the fluorescence-spectroscopy signal formation. J Opt Technol 2016; 83: 43–48, https://doi.org/10.1364/JOT.83.000043.
48. Паршакова В.Е., Жарких Е.В., Локтионова Ю.И., Коськин А.В., Дунаев А.В. Исследование физиологического разброса параметров микроциркуляторно-тканевых систем организма человека с помощью мультимодальных портативных анализаторов. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии 2024; 2(364): 165–176.
49. Na R., Stender I.M., Ma L., Wulf H.C. Autofluorescence spectrum of skin: component bands and body site variations. Skin Res Technol 2000; 6(3): 112–117, https://doi.org/10.1034/j.1600-0846.2000.006003112.x.
50. Kollias N., Zonios G., Stamatas G.N. Fluorescence spectroscopy of skin. Vib Spectrosc 2002; 28(1): 17–23, https://doi.org/10.1016/S0924-2031(01)00142-4.
51. Ryzhkova E., Morgunova T., Potapova E., Ryzhkov I., Fadeyev V. Fluorescence spectroscopy with temperature functional tests in the assessment of markers of intracellular energy metabolism: spatial heterogeneity and reproducibility of measurements. J Biophotonics 2024; 17(10): e202400294, https://doi.org/10.1002/jbio.202400294.
52. Gillies R., Zonios G., Anderson R.R., Kollias N. Fluorescence excitation spectroscopy provides information about human skin in vivo. J Invest Dermatol 2000; 115(4): 704–707, https://doi.org/10.1046/j.1523-1747.2000.00091.x.
53. Potapova E.V., Dremin V.V., Zherebtsov E.A., Makovik I.N., Zharkikh E.V., Dunaev A.V., Pilipenko O.V., Sidorov V.V., Krupatkin A.I. A complex approach to noninvasive estimation of microcirculatory tissue impairments in feet of patients with diabetes mellitus using spectroscopy. Optics and Spectroscopy 2017; 123(6): 955–964, https://doi.org/10.1134/s0030400x1712013x.
54. Дремин В.В. Аналитический обзор подходов к математическому моделированию флуоресценции биологических тканей. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии 2016; 6(320): 92–102.
55. Dremin V.V., Zherebtsov E.A., Sidorov V.V., Krupatkin A.I., Makovik I.N., Zherebtsova A.I., Zharkikh E.V., Potapova E.V., Dunaev A.V., Doronin A.A., Bykov A.V., Rafailov I.E., Litvinova K.S., Sokolovski S.G., Rafailov E.U. Multimodal optical measurement for study of lower limb tissue viability in patients with diabetes mellitus. J Biomed Opt 2017; 22(8): 1–10, https://doi.org/10.1117/1.JBO.22.8.085003.
56. Дунаев А.В., Дрёмин В.В., Жеребцов Е.А., Пал­мер С.Г., Соколовский С.Г., Рафаилов Э.У. Анализ индивидуальной вариабельности параметров в лазерной флуоресцентной диагностике. Биотехносфера 2013; 2(26): 38–45.
57. Dunaev A. Wearable devices for multimodal optical diagnostics of microcirculatory-tissue systems: application experience in the clinic and space. J Biomed Photonics Eng 2023; 9(2): 020201, https://doi.org/10.18287/JBPE23.09.020201.
58. Sidorov V.V., Rybakov Y.L., Gukasov V.M., Evtushenko G.S. A system of local analyzers for noninvasive diagnostics of the general state of the tissue microcirculation system of human skin. Biomed Eng (NY) 2022; 55(6): 379–382.
59. Дунаев А.В. Принципы построения технических средств мультипараметрической оптической диагностики для оценки функционального состояния микроциркуляторно-тканевых систем. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии 2020; 344(6): 131–140.
60. Локтионова Ю.И., Жарких Е.В., Жеребцова А.И., Козлов И.О., Жеребцов Е.А., Масалыгина Г.И., Дуна­ев А.В. Исследование возрастных и патологических особенностей параметров микрогемодинамики в норме и при сахарном диабете 2 типа с помощью носимых лазерных допплеровских флоуметров. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии 2019; 120: 13–20.
61. Горшков А.Ю., Королев А.И., Федорович А.А., Омельяненко К.В., Дадаева В.А., Драпкина О.М. Пара­метры кожной перфузии по данным дистанционной лазерной допплеровской флоуметрии у мужчин с впервые выявленной артериальной гипертензией. Профилактическая медицина 2022; 25(5–2): 19–20.
62. Федорович А.А., Марков Д.С., Малишевский М.В., Юдаков О.О., Горшков А.Ю., Балдин А.В., Жук Д.М., Спасенов А.Ю., Королев А.И., Коптелов А.В., Драп­киона О.М. Нарушения микроциркуляторного кровотока в коже предплечья в острую фазу COVID-19 по данным лазерной допплеровской флоуметрии. Регионарное кровообращение и микроциркуляция 2022; 21(3): 56–63, https://doi.org/10.24884/1682-6655-2022-21-3-56-63.
63. Saha M., Dremin V., Rafailov I., Dunaev A., Sokolovski S., Rafailov E. Wearable laser doppler flowmetry sensor: a feasibility study with smoker and non-smoker volunteers. Biosensors (Basel) 2020; 10(12): 201, https://doi.org/10.3390/bios10120201.
64. Zharkikh E.V., Loktionova Yu.I., Sidorov V.V., Krupatkin A.I., Masalygina G.I., Dunaev A.V. Control of blood microcirculation parameters in therapy with alpha-lipoic acid in patients with diabetes mellitus. Human Physiology 2022; 48(4): 456–464, https://doi.org/10.1134/s0362119722040156.
65. Фролов А.В., Локтионова Ю.И., Жарких Е.В., Си­доров В.В., Крупаткин А.И., Дунаев А.В. Исследование изменений кожной микроциркуляции крови при выполнении дыхательной техники хатха-йоги. Регионарное кровообращение и микроциркуляция 2022; 20(4): 33–44, https://doi.org/10.24884/1682-6655-2021-20-4-33-44.

Dunaev A.V., Yanushin V.S., Loktionova Yu.I., Zharkikh E.V. Capabilities of Human Biotissue Fluorescence Spectroscopy in the Wearable Multimodal Version. Sovremennye tehnologii v medicine 2025; 17(3): 29, https://doi.org/10.17691/stm2025.17.3.03