"Синхротрон по сравнению с лабораторным оборудованием выглядел, как суперкар"
25.07.2024
Елена Крупович, младший научный сотрудник отдела синхротронных исследований ЦКП "СКИФ" и аспирант Института неорганической химии СО РАН, изучает элементный состав самых разных объектов — от сигарет до красного костного мозга онкогематологических пациентов. Работы Елены получают высокую оценку коллег: они уже несколько раз признавались лучшими на конкурсе молодых ученых Института ядерной физики СО РАН. Мы расспросили Елену об ее прошлом, настоящем и прогнозируемом будущем в синхротронных исследованиях.
Елена, расскажите, как в вашу жизнь вошли синхротронные исследования?
Со школы у меня было желание заниматься именно естественными науками, выбирала между физикой и биологией, но, как впоследствии оказалось, выбирать и не приходится, можно заниматься двумя науками одновременно. Поступила на кафедру биофизики в Сибирском федеральном университете. И примерно на третьем курсе у нас проходил спецкурс по методам исследования биологических объектов физическими методами.
Именно тогда я в первый раз узнала о синхротронах и их применении, и меня это очень вдохновило, в том плане, что на кафедре у нас были только очень банальные спектрометры, использующие видимый свет или ультрафиолетовую область. Я не знала, что на такой большой машине, как ускоритель, можно получать особое излучение. Для меня синхротрон, по сравнению с лабораторным оборудованием, выглядел как какой-то суперкар. И это было просто как-то мощно и круто, и эмоционально меня зацепило.
Потом я участвовала в олимпиаде "Я – профессионал" и в первый раз приехала в НГУ. Здесь проходила зимняя школа в рамках междисциплинарной магистерской программы "Методическое обеспечение физико-химических исследований конденсированных фаз". Я познакомилась с Еленой Владимировной Болдыревой — профессором кафедры химии твердого тела Факультета естественных наук НГУ, доктором химических наук. Она зажгла меня ещё больше — этот момент, наверное, во многом и определил мою дальнейшую профессиональную судьбу. После окончания университета я снова связалась с Еленой Владимировной, она сказала, что можно поступить в магистратуру. Здесь моим научным руководителем стала Трунова Валентина Александровна, старший преподаватель кафедры и сотрудник Института неорганической химии СО РАН, доктор химических наук. Валентина Александровна занимается исследованием преимущественно биологических объектов методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА).
Моё изначальное желание работать на стыке физики и биологии сбылось, и, конечно, я рада, что в скором будущем будет возможность работать на самом передовом оборудовании в СКИФ.
Пока работаю на циклических ускорителях ВЭПП-3, ВЭПП-4 в ИЯФе.
В этом году призовое место на конкурсе молодых учёных Института ядерной физики СО РАН получила ваша работа "Исследование микроэлементного состава компонентов сигарет методом РФА-СИ". Почему вас заинтересовала эта тема?
Надо сказать, что моя специальность – это аналитическая химия, но, мне кажется, специальность в синхротронном сообществе – это нечто условное, все работают в междисциплинарной сфере. Какие задачи нам поступают – такие и берем в работу. В данном случае был запрос со стороны медицинского сообщества.
Мы следовали следующей логике: вот есть табак, который содержится в сигарете, в нём есть какие-то микроэлементы в определённой концентрации, при курении они должны перейти либо в дым, который вдыхается, либо остаться в пепле. Больше им деться, по законам сохранения, некуда. Поэтому мы эти компоненты исследовали, чтобы узнать, как они мигрируют и в итоге понять, что оседает на лёгких курильщиков.
Мы протестировали разные марки сигарет и поняли, что везде содержится нормальный табак, набор и концентрация микроэлементов стандартные. В пепле у разных марок тоже была похожая концентрация, а вот в дыме она уже по некоторым микроэлементам различалась. Например, вы курите одну марку, у вас одно количество меди в лёгких, курите другую марку — меди в 10 раз больше. Мы предполагаем, что это связано с фильтрами.
Надо сказать, что по законодательству только три микроэлемента считаются токсическими и только их концентрации учитываются при сертификации. Это никель, свинец и кадмий. А про другие микроэлементы ничего не сказано, их влияние не изучено. Это проблема. Просто сигареты больше исследуются со стороны содержания органических веществ, которые тоже являются токсическими. Да, никотин вызывает зависимость, но он не так сильно вредит лёгким. А другие вещества, смолы и так далее… Есть такая точка зрения, что сигареты не надо исследовать, просто надо бросить курить. Но, всё-таки, табак исторически сопровождает человека и, мне кажется, мы должны в какой-то мере заботится о здоровье курильщиков и вести соответствующие исследования. Поэтому эта работа имеет дальнейший выход в поле проведения сертификации по другим токсическим элементам.
Скажите, какие исследования вы проводите сейчас?
Сейчас я учусь на первом курсе аспирантуры Института неорганической химии СО РАН, направление "Аналитическая химия". И заявленная тема моей будущей диссертации — исследование биопсийных материалов методом РФА. По результатам обучения первого года стало ясно, что этим биопсийным материалом станет красный костный мозг больных лимфомой и лейкозом. Это основное направление, по которому я сейчас работаю.
По статистике за 2023 год в России каждые 500 человек из 100 тысяч населения имеют злокачественные новообразования лимфатической и кроветворной ткани. И если некоторые формы заболеваний, например, лимфома, имеют более-менее разработанные методики лечения, которые дают результат, и люди излечиваются, то более агрессивные виды — острый лейкоз – нет, к сожалению, летальных исходов очень много.
Для лечения онкогематологических заболеваний используется химиотерапия, которая убивает и больные, и здоровые клетки, угнетает статус здоровья человека. Естественно, мы не можем отказываться от неё, потому что болезнь возьмёт верх. Поэтому важно очень хорошо определять межкурсовые интервалы, потому что факты жизни показывают, что люди могут умирать не от рака крови, а от химиотерапии, которая была к ним применена. Важно делать и расчёт препаратов для поддержания здоровья. Сейчас, разумеется, такие расчеты тоже есть — по биохимическим показаниям, но дополнительные индикаторы того, как именно нужно поступать в терапии, тоже необходимы.
Поэтому мы исследуем возможности использования РФА-метода для определения концентрации важнейших элементов в красном костном мозге в течение болезни. Эти данные могут помочь практикующим врачам- гематологам. В рамках исследования наша группа изучала три набора образцов: те, что были получены до проведения химиотерапии, а также образцы после проведения первого и второго курсов. Показано, что после проведения первого курса резко падает содержание почти всех элементов. Некоторые элементы являются исключениями, причём при лимфоме и при лейкозе разные.
Сейчас персонифицированная медицина — это модно, и я считаю, что это правильно. Мы набрали 49 пациентов, и кажется, что это неплохая статистика, если вывести из этого среднее, отклонения и так далее, но, на самом деле, картинка значительно смазывается, потому что каждый пациент индивидуально реагирует на терапию.
Кажется, медицина — одна из наиболее интересных вам областей?
Да, мы активно сотрудничаем с медицинским сообществом, с Новосибирским государственным медицинским университетом. Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е. Н. Мешалкина обращается к нам с разными запросами.
Например, один из них — исследование аневризмы аорты. Это патологическое состояние, при котором может происходить расслоение и разрыв этой артерии.
Необходимо ли в таком случае делать операцию по замене сосудов? Или стоит оставить пациента в покое, возможно он дольше проживёт без операции, ведь существует риск смерти на операционном столе. Вот эта точка остаётся большой задачей и проблемой для хирургов. И наш метод исследования — метод РФА, вероятно, может помочь в принятии решения.
Есть и другая проблема. При стенозе аорты, то есть сужении сосудов, необходимо ставить стент, чтобы её снова расширить. В стентах присутствует никель-титановая проволока, которая сокращается вместе с ударами сердца. При этом она, естественно, изнашивается, и происходит коррозия. Сейчас мы ведем подготовительную работу по этому направлению, будем вести исследование вместе с томской группой.
С кем еще из ученых вам удалось сотрудничать?
Есть организации, с которыми у нас исторически сложились отношения, для них мы проводим необходимую аналитику. Это, например, Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, Лимнологический институт СО РАН.
Два года назад мы начали заниматься элементным анализом тканей рыб озера Байкал, так как там есть виды-эндемики, которые в мире, в принципе, только на Байкале и живут. Более 10 лет занимаемся исследованиями кернов для восстановления геохронологии региона. Мы сканируем керны разных глубин озера и по изменениям в концентрации различных элементов делаем выводы. Они помогают восстановить картину климата, который был десятки, сотни, даже, думаю, тысячи лет назад. А это помогает прогнозировать изменения климата в будущем.
Также у меня была работа с Еленой Валерьевной Амброс из Центрального сибирского ботанического сада СО РАН. Мы определяли содержание микроэлементов в корнях, в листьях и плодах клубники. Особенно интересовал кремний, так как исследовалось влияние удобрения с органическим кремнием. Изучали, как оно влияет на развитие растений. Оно влияет положительно, но механизмы до конца не известны.
В чем, на ваш взгляд, преимущества синхротронных методов исследования?
В принципе, существует достаточно большой набор методов, которые позволяют произвести элементный анализ практически чего угодно. При этом их можно разделить на две основные группы: деструктивные методы и недеструктивные.
Под деструктивными или, иными словами, разрушающими методами понимают те, для которых образцы с помощью кислот и высоких температур необходимо полностью растворить, довести до бесцветного состояния.
Есть методы недеструктивные – это РФА и РФА-СИ. Проба исследуется под пучком либо нейтронов, либо рентгена. И, с моей точки зрения, эти методы для биологических образцов подходят больше, поскольку они содержат намного меньше микроэлементов, чем почвы, геология, новые материалы. Характеристики синхротронного излучения позволяют определить даже очень маленькие концентрации элементов.
Также с помощью РФА-СИ можно исследовать образцы очень малой массы. А это открывает возможность проведения пространственного сканирования.
Сейчас мы используем источники СИ первого поколения в ИЯФ СО РАН, поэтому есть ограничения. Это и размер пучка, который мы можем достигнуть, и точность подвижки. Конечно, на станции "Микрофокус" на СКИФе это всё будет реализовано гораздо лучше.
Кроме того, наш метод многоэлементный, то есть мы за один эксперимент получаем довольно обширную информацию. И длительность эксперимента — несколько минут, а на СКИФе это будут вообще секунды. Поэтому скорость проведения анализа — еще одно важное преимущество синхротронных методов.
Благодаря скорости РФА-СИ мы сможем какие-то методики сделать рутинными и внедрить их в практику медицинских учреждений. Если экстраполировать данные общероссийской статистики по числу больных с гемобластозами на наш регион, то в Новосибирской области около 6 тысяч человек страдают такими заболеваниями. И, я надеюсь, наша работа поможет им.
Автор: Анастасия Шамова
