Реферат: Делают только подготовленные умы

Б.А. МЕДВЕДЕВ, И.Ю. ЯНИНА


МЕТОДИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ИСТОРИЧЕСКОГО ПОДХОДА

К МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ

В ОБЛАСТИ БИОМЕДИЦИНСКОЙ ОПТИКИ


Введение

Случайные открытия

делают только подготовленные умы.

Б. Паскаль

XXI век, по словам Э. Ласло, – век междисциплинарных исследований. Однако методологии, способной интегрировать различные области человеческого знания в общую метамодель знаний, находится на начальной стадии своего формирования. Процесс интеграции научного знания пока запаздывает по отношению к процессам его дифференциации. Тем не менее, не нужно забывать, что язык междисциплинарных исследований уже есть – математика и были приняты попытки создания метаязыка – общая теория систем (Л. фон Берталанфи, 30-е годы XX-го века), кибернетика (У. Эшби) и синергетика (И. Пригожин, Г. Хакен).

Метод междисциплинарных исследований должен включать в себя общие методологические принципы, в частности принцип дополнительности Бора, согласно которому методологии дисциплинарных и междисциплинарных исследований должны находиться в отношении дополнительности друг к другу [1].

Информационно-методологическое обеспечение междисциплинарных исследований, на наш взгляд, включает в себя: информацию о международных исследовательских центрах, работающих по данной тематике; составление глоссариев, содержащих базовые термины, рубрикаторов информационных потребностей научных сотрудников; библиографические указатели.

По мнению [1] в ближайшем будущем, междисциплинарные исследования на стыке различных областей знаний будут компетенцией групп экспертов, представляющих свои выводы, преимущественно, в вербальной, интерпретирующей форме.

В настоящее время бурно развиваются области медицинской диагностики и терапии, использующие нелинейные оптические и лазерные методы в исследованиях. Это направление обусловлено недавними достижениями в описании механизмов рассеяния света и когерентных оптических эффектов в биологических тканях, а также разработками лазерных и волоконно-оптических методов исследования внутренних органов и тканей человека [2, 3].

Биомедицинская оптика – междисциплинарная область исследований. Она стоит на стыке физики, химии, биологии, медицины. Важной проблемой, сдерживающей появление новых разработок в этой области, является существующий разрыв между науками о живом и физической оптикой.

Приоритетным становится поиск путей эффективного взаимодействия между представителями самых разных научных дисциплин [4, 5].

Однако существует много различий между науками о живом и физической оптикой. Они обусловлены следующими причинами:

использование различного понятийного аппарата специалистами, работающими в этих областях;

различие в культуре мышления. Специалисты в науках о живом признают, что не понимают целостной картины функционирования живых объектов ввиду их чрезвычайной сложности. Представители же точных наук сужают рассмотрение окружающего мира за счёт создания модельных подходов;

различные объекты исследований.

Как следствие, возникают трудности в обучении будущих специалистов, которые обладали бы компетенциями в области междисциплинарных исследований. «Преодоление варварства узкой специализации» (Ортега-и-Гассет) – проблема преодоления дисциплинарного типа мышления.

Что дает исторический подход для формирования методологии междисциплинарных исследований? В философском аспекте исторический подход к исследованиям в междисциплинарных областях выступает в качестве гуманитарной составляющей образования, позволяющей сблизить в нашем сознании, отдаляющиеся с каждым столетием (от века Просвещения) не только гуманитарные и точные науки (Ч. Сноу), но и различные разделы естественнонаучного знания. Иначе говоря, такой подход можно рассматривать, как инструментарий, повышающий креативность исследователя – развивающий метафоричность его мышления, способность мыслить отдалёнными категориями, инициирующий воображение, фантазию, интуицию и, в конечном счёте, эвристическую разработку им новых направлений исследования в междисциплинарных областях научного знания.

Хронологический анализ развития фототерапии

Последние 30-40 лет характеризуются лавинообразным ростом научных исследований (тысячи публикаций в год) в области фото- и лазеротерапии, применяемых в клинической и амбулаторной практике лечения уже почти всех систем и внутренних органов человека. Прогресс несомненен, но он был бы еще более впечатляющим, если бы фототерапия успевала за развитием представлений о природе света, механизмах его воздействия на живые организмы. Однако здесь есть и оборотная сторона – поспешность, связанная с коммерциализацией научных исследований, стремление быстрее выйти с ними на рынок новых медицинских технологий, короткий срок, разделяющий лабораторное исследование и его использование в клиниках. Последнее настораживает и потому, вновь обращает наше внимание на афоризмы Гиппократа: «Не навреди» и «Исцеление – это дело времени, но иногда это также дело возможности».

Именно в связи с этим, во избежание врачебных ошибок – с одной стороны, и упущенных возможностей – с другой, представляется актуальным обращение к истории не только фототерапии, но и к истории развития физических представлений о главном инструменте – о свете [6].

В истории фототерапии можно выделить, на наш взгляд, четыре основных этапа:

Первый – самый длительный, охватывает период с XVI века до нашей эры до середины XIX века нашей эры. Характеризуется наличием единственного источника света – Солнца («фототерапия» ≡ «гелиотерапия»), случайными находками светолечебных процедур и исключительно эмпирическим методом их обоснования. Так, в 1550 г. до н.э. фотомедицинские процедуры уже были описаны в Эберском папирусе и священной индийской книге "Atharva Veda" [6]. Основными показаниями к фотолечению были беспигментные очаги кожи, расцениваемые как лепрозные (витилиго). О лечении витилиго с использованием природных фотосенсибилизаторов (псораленов) и последующей инсоляцией упоминается в буддистской литературе примерно с 200 г. н.э. и в китайских документах периода Сунь 10-го столетия. Описание принципов светотерапии находят в трудах древнего Китая, Индии, Греции, Тибета. Первым источником света, который использовали врачи с профилактической и лечебной целью, было солнце. Однако в средние века врачи перестали применять свет как лечебный фактор. Исключение составлял Авиценна, который пытался остановить красным светом эпидемии оспы [6]. Введению солнцелечения в медицинскую практику мы обязаны В. Присницу (Австрия) и А. Пленку (Швейцария) в 1800 г.

Второй – с середины XIX века до середины XX века. Характеризуется созданием первых искусственных источников света – дуговых ламп (П.Н. Яблочков, 1976 г.) и ламп накаливания (А.Н. Лодыгин, 1973-1974 гг.; Т. Эдисон, 1979 г), сравнимых по силе воздействия на организм с солнечным светом, но обладающем частично контролируемыми параметрами излучения, началом систематического поиска методов лечения и их теоретического обоснования. На этом этапе прогресс в области фототерапии отмечен трудами Нильса Финзена, удостоенного Нобелевской премии по физиологии и медицине «за метод лечения заболеваний, особенно волчанки, с помощью концентрированных световых лучей» [6], а также с открытием кислородзависимой фотодинамической реакции при изучении эффектов света и красителей на парамеции и первым сеансом фотодинамической терапии больному раком кожи в 1902 году (фармакологический институт Мюнхенского университета) [6]. В 1905 г. H. Tappeiner и A. Jodlbauer ввели термин "фотодинамическое действие" ("photodynamische wirkung"). Конец XIX века связывают с появлением большого количества институтов, занимающихся изучением и применением светолечения. В клиническом институте великой княгини Елены Павловны открывается первая кафедра физических методов лечения и нелекарственной терапии (Э. Эйхвальд). Организуется светолечебное отделение Академической хирургической клиники в Санкт–Петербурге под руководством Н.А. Вильяминова. В начале XX века известный российский невропатолог В.М. Бехтерев выпустил книгу "Светотерапия в лечении нервных болезней", в которой были заложены основы нынешнего понимания этого метода. 1905 г. был ознаменован проведением Первого Международного конгресса по физиотерапии (Льеж, Франция) [6].

Третий этап – с середины XX века до настоящего времени, берёт начало от создания первых оптических квантовых генераторов (Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, Ч. Таунс, 1952-1960 гг.) – принципиально новых источников света. Характеризуется огромным разнообразием источников света с полностью контролируемыми параметрами излучения, зачастую превосходящими солнечное по действию на организм, хорошо развитой системой разработки и тестирования лечебных методик и наличием мощной теоретической базы для их обоснования. С помощью тонкого моноволоконного кварцевого световода можно произвести прицельное облучение патологических тканей и опухолей. Для опухолей, расположенных снаружи, на поверхности тела, лазер необязателен, хотя и в этом случае узкий пучок света очень удобен с точки зрения манипуляций с пораженной тканью. В 1964 г. сделано первое описание фотодинамической деструкции раковой опухоли после введения гематопорфирина (HpD) (Department of Surgical Oncology, The University of Texas M.D. Anderson Cancer Center, Houston). Реализованы потенциальные возможности селективной деструкции опухолей, содержащих HpD, путем использования его фотодинамических свойств. Были получены объективные данные эффекта фотодинамического воздействия у больной с обширным изъязвленным рецидивным раком молочной железы, которой многократно вводили HpD. На опухоль локально воздействовали фильтрованным от ксеноновой лампы светом [6]. В 1994 году была образована Международная Ассоциация по Лазерной терапии – The World Association for Laser Therapy (WALT).

К настоящему времени фотодинамическая терапия (ФДТ) является эффективным методом лечения некоторых типов рака [6]. Онкологи хотели бы шире применять метод ФДТ, но не было способа сделать накопление фотосенсибилизатора в раковых клетках более избирательным. К недостаткам ФДТ относят небольшую глубину проникновения (несколько мм) лазерного излучения в опухоли. Канцерогенные образования, расположенные глубже (1-2 см), остаются вне досягаемости этого метода. Преодоление этих недостатков связывают с развитием нанобиотехнологий.

В 1960-70-ые гг. фон Хиппель, фон Фестер и Зингсхайм рассматривали молекулярную инженерию как одно из направлений развития биотехнологий. Термин "нано-технология" впервые появился в работе Н. Танигучи в 1974 г., который использовал его для описания новых прецизионных методов обработки материалов [7]. Эти технологии развивались в направлении от макро- к микроуровню вплоть до наноуровня, т.е. в соответствии с подходом "сверху вниз", предложенным Р. Фейнманом в середине ХХ века. Эта схема присутствовала в работах Н. Танигучи на протяжении 1980-х и 1990-х гг. В 1981 г. К.Е. Дрекслер [8] выдвинул новый подход к молекулярной инженерии – "снизу вверх", в основе которого лежало создание молекулярных машин и электронных приборов с атомарной точностью, что в корне отличалось от господствующей до этого логики мышления. Нанотехнология, по словам А. Франкса- это производство наночастиц с размерами и точностями в области 1-100 нм с различным спектром их применения [9]. Окончательно К.Е. Дрекслер ввел термины "молекулярная нанотехнология" и "молекулярные машинные системы" в 1991 и 1992 г. Термин "наномедицина" был впервые использован в книге К.Е. Дреклера, Петерсона и Пергамита "Unbounding the Future" ("Будущее без границ") (1991 г.).

Таким образом, 90-е гг. XX века можно считать началом нового этапа в развитии фототерапии, связанного с успехами нанобиотехнологий – разработке принципиально новых лекарственных средств с использованием магнито-управляемых наночастиц в качестве контейнеров противоопухолевых препаратов, а также в качестве самостоятельных терапевтических агентов и для локальной магнитной гипертермии [10, 11].

Одним из перспективных вспомогательных методов целевой доставки лекарственных средств является использование в качестве «транспортеров» липосом, липидных везикул, состоящих из природных фосфолипидов. Потенциальными преимуществами использования липосом в системах целевой доставки являются предотвращение локального разведения лекарств и ограничение их взаимодействий с биологической средой, в которую они введены. Кроме того, липосомы сходны по строению с биологическими мембранами, что определяет их клеточную биосовместимость.

Удобным способом иллюстративного представления и анализа исторических данных в науке являются хронологические таблицы. Такая таблица была представлена в работе [6].

Авторы отдают себе отчёт в том, что данные, представленные в этой таблице не полны, да и не могут быть отображены полностью в рамках одной статьи. Тем не менее, не смотря на указанную фрагментарность, обзор таблицы позволяет обнаружить ряд закономерностей:

1. На первом этапе отсутствует корреляции между развитием представлений о природе света и светотехникой – с одной стороны, и практикой фототерапии с другой. В частности:

- Во времена античности развитие фототерапии опережало развитие оптики, а некоторые взгляды на природу света (например, «лучи зрения» Эмпедокла), могли бы даже повредить применению света в медицине. Однако использование зеркал в гелиотерапии было вполне возможно и оправдано, но осталось нереализованным.

- Почти 200 лет – с открытия Ньютоном явления дисперсии света вплоть до последней трети XIX века – в практике фототерапии не использовались видимое излучение различных узких спектральных диапазонов.

- Открытие в конце XVIII века ультрафиолетового излучения могло немедленно привести к разработке более эффективных режимов гелиотерапии, однако это произошло только через 100 лет.

2. На втором этапе время между открытиями в оптике и их применением в фототерапии значительно сократилось. Так дуговые лампы и лампы накаливания стали широко применяться менее чем через 20 лет после изобретения. Однако и в это время ряд возможностей оказались упущенными:

- Со времени разработки надёжных способов получения поляризованного света в начале XIX века и до создания лазеров не было попыток исследования влияния поляризованного света на человеческий организм.

- Никак не отразилось на практике фототерапии второй половины XIX века открытие электромагнитной природы света (Дж. Максвелл, 1860-1865 гг.) и возникновение квантовой теории природы света (М. Планк, А. Эйнштейн, Н. Бор, 1900-1913 гг.).

3. Только на третьем этапе можно отметить заметную корреляцию между созданием новых лазерных источников света и техникой волоконных световодов с последующим их применением в лазерной фототерапии.

4. По поводу четвёртого этапа, делать прогнозы относительно прогресса в области ФДТ, связанного с эффективностью использования магнитоуправляемых контейнеров в качестве фотосенсибилизаторов пока еще рано: остаются невыясненными вопросы токсического действия наночастиц в зависимости от их размеров и формы.

Обсуждение

Какие же уроки может извлечь исследователь в области биомедицинской оптики из истории фототерапии и истории развития представлений о природе света? Думая об ответе на этот вопрос, невольно возвращаешься к мысли Паскаля: «Истина так нежна, что чуть только отступил от неё, впадаешь в заблуждение; но и заблуждение это так тонко, что стоит только немного отклониться от него, и оказываешься в истине»… Мы полагаем наиболее значимыми следующие уроки:

▪ Незнание фундаментальных закономерностей о механизмах взаимодействия света с биологическими объектами, или неправильные представления о них, могут привести как к задержке на многие годы развития новых методов лечения, так и неоправданно быстрому внедрению в клиническую практику потенциально опасных методик. Исследователь в области лазерной терапии не в праве, (поскольку дело касается человека), быть во власти эмпирической стихии, с другой стороны, он должен обладать, как иммунитетом к непогрешимости, общепризнанных представлений о природе света и механизмам взаимодействия света с биологической тканью in vivo, так – и разумным скепсисом к новым идеям и гипотезам.

▪ Изучение и систематизация эпизодов прошлого науки (биомедицинской оптики) и ее новейшего периода позволяет определить современные тенденции и направления будущих исследований.

В качестве примеров перечислим некоторые области современной фототерапии, ситуация в которых, возможно, аналогична описанным при анализе таблицы [6]:

1. До сих пор не выяснены вопросы проявления специфических свойств лазерного излучения (монохроматичность, когерентность, поляризация) при его использовании в фотобиологии и фототерапии. Научные дискуссии здесь далеки от своего завершения.

2. Возникновение хронобиологии и хрономедицины в 60х гг. XX века пока не оказали существенного влияния на практику фототерапии. Так, неясно, не приводит ли использование импульсного режима лазерного облучения поражённых тканей к сбою биологических ритмов человека? Не следовало бы для оптимизации процессов фотодинамической терапии учитывать биологические ритмы на внутриклеточном, клеточном, тканевом и организменном уровнях?

3. Открытие сверхслабого излучения биологических объектов (А.Г. Гурвичем, 1934 г.) и регистрация физических полей человека в ИК и видимом диапазоне (Ю.В. Гуляевым и Э.Э. Годиком, 1970-1980 гг.) не привели к изменению представлений о «пороговом» характере воздействия света на человека.

4. Дальнейшие исследования токсичности наночастиц на тканевом, клеточном и внутриклеточном уровне ждут своего продолжения.

Актуальными представляются следующие вопросы:

1. Может ли опыт, накопленный за историю светолечения, насчитывающую более 3,5 тысяч лет, внести коррективы в разработки современных методик лазеротерапии?

2. Не затеняют ли успехи в области лазерной терапии весьма скромные результаты фундаментальных исследований механизмов взаимодействия света с биотканью в режиме нано-, пико- и фемтосекундных импульсов?

3. Не требуются ли, в связи с появлением таких областей как наномедицина, наноонкология, нанофотодинамическая терапия, дополнительных исследований безопасности влияния постоянных магнитных полей (порядка 10 Тл) на организм человека при адресной доставке магнитных наночастиц, используемых в качестве контейнеров противоопухолевых препаратов.

Резюмируя вышесказанное, мы представляем проблематику последующих исследований в направлении лазерной хронотерапии, что может дать положительный импульс, как для поиска алгоритма решения фундаментальной проблемы управления клеточной пролиферацией и апоптозом, так и для прогресса в области фотодинамической терапии онкологических больных.

Авторы надеются, что обсуждение затронутых в статье проблем стимулирует разработку свежих идей и новые фундаментальные и прикладные исследования в области биомедицинской оптики.

___________________

В.Г. Горохов. Междисциплинарные исследования научно-технической революции и инновационная политика // Вопросы философии. – М., 2006. – № 4. – С. 80-96.

Оптическая биомедицинская диагностика // Под ред. В.В. Тучина. М.: Физматлит, 2007, Т.1. – С. 8.

Biomedical photonics Handbook. By ed. Tuan Vo-Dinh. CRC PRESS, New York, 2003, Рр. 125-130.

В.А. Садовничий. Образование в области нанотехнологий в классических университетах (на примере МГУ им. М.В. Ломоносова) // Russnanotech. Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технических секций. – Москва 3-5.12.08, Т.2. – С. 442-444.

Нанотехнология за рубежом: взгляд экспертов // Рос. нанотехнологии, 2008. – Т.3. – №3-4. – С. 18-28.

Медведев Б.А., Стольниц М.М., Янина И.Ю. Несколько уроков истории светолечения // Сборник SFM'08. Оптические технологии в биофизике и медицине X // Под. ред. В.В. Тучина, Proc. SPIE, 2009, с. 223-234.

Norio Taniguchi. On the Basic Concept of 'NanoTechnology // Proc. ICPE Tokyo, 1974, 2, p.18-23.

K. Eric Drexler. Molecular engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1981, Vol. 78, No. 9, pp. 5275-5278.

A. Franks. Nanotechnology // J. Phys. E: Sci. Instrum., 1987, 20, pp. 1442-1451.

Г.А. Меерович, И.Г. Меерович, В.Г. Певгов, З.С. Смирнова, Н.А. Оборотова, Д.Г. Гуревич, А.А. Зорин, В.М. Печенников, Е.А. Лукьянец, В.Б. Лощенов, А.Ю. Барышников. Влияние размеров липосом на накопление липосомального фотосенси-билизатора тиосенс и эффективность ФДТ с его использованием // Russnanotech. Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технических секций. – Москва 3-5.12.08, Т. 2. – С. 416-418.

Меерович И.Г., Меерович Г.А., Волков А.К., Грин М.А., Деркачева В.М.,. Поздеев В.И, Ципровский А.Г. Эффективные наноструктурированные фотосенсибилизаторы ближнего инфракрасного диапазона // Russnanotech. Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технических секций. – Москва 3-5.12.08, Т. 2. – С. 434-435.