Нанобиофотоника: фотонассоциированные нанобиотехнологии для лазерной и персонализированной медицины

Введение

Нанобиофотоника представляет собой пограничную область мультидисциплинарных научных направлений, таких как фотоника, нанофотоника, биофотоника, а также фотобиология, лазерная физика, нанобио­технологии и нанотехнологии в целом.

Из числа аналитических материалов, создаваемых группами экспертов, наибольшего внимания заслуживают Программа развития нанотехнологий, составленная корпорацией RAND («Research and Development», США), и программа Европейской комиссии («Nanoroadmap Medical and Health», 2006), разработанная в рамках подготовки и реализации Седьмой рамочной программы Европейского Союза по научно-исследовательскому и технологическому развитию. Документы анализируют состояние дел в сфере нанобиотехнологий на обозримую перспективу (2015–2020 гг.). Американские эксперты выделяют следующие приложения нанотехнологий в биомедицине (Roco M.C. et al., 1999):

• нанобиофотоника;
• молекулярная визуализация;
• биологические наноструктуры;
• биоаналитические мембраны;
• инкапсуляция лекарств и их адресная доставка;
• молекулярные биосенсоры;
• биочипы и лаборатории на чипе («lab-on-a-chip»);
• функциональные наночастицы, оптические переключатели, нанонасосы, транспортные наносредства;
• биосовместимые наномодифицированные имплантаты;
• инженерия живых тканей и регенеративная медицина;
• геномика и протеомика.

Среди магистральных направлений развития нанотехнологий следует отметить: нанобиофотонику, молекулярную визуализацию, биочипы/лабораторию на чипе, молекулярные биосенсоры, адресную доставку лекарственных соединений.

Прежде чем приступить к рассмотрению и анализу нанобиофотонных технологий, следует кратко остановиться на толковании основных определений понятийного аппарата, формирование которого существенно отстает от динамики рассматриваемого явления.

Фотоника — область науки и техники, которая занимается изучением фундаментальных и прикладных аспектов генерации, передачи, модуляции, усиления, обработки, детектирования и распознавания оптических сигналов и полей в широком спектральном диапазоне — от ультрафиолетового излучения (10–380 нм) до дальнего инфракрасного диапазона (760 нм–1 мм), а также применением указанных явлений при разработке и создании оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств различного назначения (Cubeddu R. et al., 2011).

Термин «фотоника» относится к широкой научно-технической области, объединяющей лазерную физику, оптоэлектронику, электрооптику, волоконную и интегральную оптику, оптическую связь, оптическую обработку сигналов и голографию.

Центральными областями исследований фотоники являются (Gai X. et al., 2010; Benson O., 2011; Duerr F. et al., 2011; Erickson D. et al., 2011; Kalyanasundaram K. et al., 2011; O’Neill M., Kelly S.M., 2011; Sherwood-Droz N., Lipson M., 2011):

• физика и технология полупроводниковых соединений;
• полупроводниковые лазеры и светодиоды;
• физические свойства и технологии получения новых типов оптических волокон;
• материалы и устройства интегральной оптики;
• нелинейная оптика и новые нелинейно-­оптические материалы и устройства;
• оптоэлектронные и электрооптические устройства;
• высокоскоростные устройства обработки оптических сигналов;
• интеграция фотонных и электронных устройств.

Фотоника находится в постоянном развитии: возникают новые направления, технологии и материалы, открываются перспективные области применения. Начало этому процессу было положено созданием и быстрым внедрением волоконно-оптических систем связи, оптимизировавших прогресс в технологии производства полупроводниковых лазеров, оптических усилителей и модуляторов, приемников излучения и устройств коммуникации. Сегодня фотонные устройства применяются также для отображения информации, для преобразования светового и теплового излучения в электрическую энергию, а также для медико-биологических исследований и в целях осуществления лечебно-диагностических программ в области практического здравоохранения (Ehlers J.P., 2011; Washburn A.L., Bailey R.C., 2011).

Нанофотоника — раздел фотоники, занимающийся изучением физических явлений, возникающих при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров, и практическим применением указанных явлений (Prasad P.N., 2004).

Нанофотоника изучает явления распределения, преобразования, испускания и поглощения оптического излучения и сигналов в наноструктурах с целью использования особенностей процессов взаимодействия излучения с веществом при таких масштабах для создания различных функциональных устройств. Нанофотоника возникла на стыке оптики, фотобиологии, лазерной физики, квантовой электроники, физики и химии твердого тела, материаловедения, физической химии (Gaponenko S.V. (Ed.), 2010).

Основная задача нанофотоники — разработка наноматериалов с улучшенными или принципиально новыми оптическими, электрооптическими и оптоэлектрооптическими свойствами для создания на их основе фотонных функциональных устройств нового поколения, к которым относятся (Assefa S. et al., 2010; Hsieh H.S. et al., 2010; Benson O., 2011; Flory F. et al., 2011; Ning Xi, King Lai (Eds), 2011; Ohtsu M. (Ed.), 2011; Senanayake P. et al., 2011; Shen H., Maes B., 2011; Cabrini S., Kawata S. (Eds.) 2012; Dong H. et al., 2012; Gyu-Chul Yi (Ed.), 2012):

• устройства отражения информации, включая дисплеи портативных приборов и большие цветные экраны;
• приемники излучения и детекторы нового поколения;
• оптоэлектронные (фотоэлектронные) преобразователи, в том числе компактные фотоэлектрические источники питания и солнечные батареи повышенной эффективности;
• фотонная (оптическая) оперативная память;
• устройства оптической обработки сигналов, в том числе оптические регенераторы;
• оптические переключатели и коммутаторы, в том числе для целей оптической коммутации пакетов;
• оптические соединения между элементами электронных вычислительных машин (между блоками, платами, чипами и элементами чипов);
• оптические вычислительные устройства, в том числе квантовые;
• интегрированные сенсорно-диагностические системы для контроля окружающей среды и функционального состояния человека.

К новым перспективным материалам нанофотоники относятся следующие (Kurosaka Y. et al., 2010; Barnes W.L., 2011; Felbacq D., 2011; Polo J.A. Jr., Lakhtakia A., 2011; Romanov S.G. et al., 2011; Jiang L. et al., 2012):

• полупроводниковые квантово-размерные материалы, в том числе материалы с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками;
• фотонные кристаллы, фотонно-­кристаллические пленки и волноводы;
• метаматериалы с отрицательным показателем преломления, а также металл-диэлектрические плазмонные наноматериалы и другие.

Важными средствами исследования материалов в нанофотонике являются: ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия с применением возбуждающих фотонов и плазмонная оптика поверхности (Prasad P.N., 2004; Gaponenko S.V. (Ed.), 2010; Liu Y. et al., 2011).

На протяжении последних 20 лет сформировалась новая междисциплинарная область науки, объединяющая ряд направлений фотобиологии, фотохимии, биоорганической химии, физико-химической биологии, нанобиотехнологии, фотоники и получившая название нанобиофотоника (Popescu G. (Ed.), 2010).

Нанобиофотоника — область фотоники, связанная с разработкой архитектуры и технологии производства наноструктурных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения, а также приборов на основе таких устройств для целей биологии и медицины. Наряду с этим в рамках данной дисциплины занимаются изучением физических явлений, определяющих взаимодействие фотонов с наноразмерными структурами как устройств, так и самих биологических объектов (Popescu G. (Ed.), 2010).

Одним из перспективных направлений исследований в области нанобиофотоники в настоящее время является создание новых наноструктурных органических и неорганических материалов для конструирования преобразователей с управляемым оптическим откликом. Наноструктурные материалы открывают для биофотоники новые уникальные возможности. Движущей силой в создании новых наноструктурных материалов является прежде всего понимание важности их широкого применения в разных областях науки и техники, включая биомедицину (Brown C.T. et al., 2010).

Одной из ее основных задач явилось изучение молекулярных механизмов преобразования световой энергии и связанных с этим фотохимических процессов и реакций в различных природных или модельных системах на молекулярном, субмолекулярном и наномолекулярном уровнях (Brown C.T. et al., 2010).

Объектами исследования данного направления послужили уникальные биологические молекулярные преобразователи и конверторы энергии светового кванта в разнообразные виды химического или физиологического ответа. Они представляют собой сложнейшие супрамолекулярные и наномолекулярные системы, созданные природой в процессе эволюции, и подразделяются на ковалентные (хромопротеины — ретинальсодержащие белки) и нековалентные (ядерные рецепторы ретиноевой кислоты, ретиноид-транспортные белки) — комплексы ретиноидов с молекулярными белковыми рецепторами, в которых молекула ретиноида (производного витамина А) представляет собой уникальную природную фототрансформирующую антенну с большим разнообразием функций. При этом геометрия полиеновой цепи молекулы ретиноида служит определяющим фактором, детерминирующим вид физиологического ответа в организме хозяина (Ходонов А.А. и соавт., 2011).

Актуальным направлением исследований в нанобиофотонике является изучение механизмов зрительной рецепции и структурно-функциональных взаимоотношений в молекулах ретинальсодержащих белков путем создания модельных систем, имитирующих одну из особенностей строения центра связывания хромофора, а также детальное комплексное изучение и анализ их свойств (Lasogga L. et al., 2010; Ходонов А.А. и соавт., 2011; Barachevsky V.A. et al., 2012).

Подробно исследуются новые модельные фоточувствительные системы соединений на основе гибридов молекул ретиноидов и фитохромов класса спиропиранов и дитиенилэтенов. Окончательная структурная геометрия молекул целевых аналогов ретиналя была осуществлена на основе анализа результатов компьютерного моделирования топографии хромофорной полости бактериородопсина — хорошо изученного объекта-бионаномишени среди прочих ретинальсодержащих белков (Barachevsky V.A. et al., 2012). Выявленные особенности фотохромных реакций спиропиранов (отсутствие самопроизвольных термохимических эффектов обесцвечивания фотоиндуцированных форм) позволили отнести фотохромы этого класса к наиболее перспективным кандидатам для создания на их основе прототипов различных технических устройств, в частности оптической памяти большой емкости (Lasogga L. et al., 2010; Ходонов А.А. и соавт., 2011).

В основе функционирования нанобиофотонных технологий лежит механизм взаимодействия оптического излучения с наноразмерными биообъектами неорганической и органической природы, находящимися в биоткани. К этим технологиям относятся (Sadik O.A. et al., 2009; Pang Z. et al., 2011; Garcia-Parajo M.F., 2012; Salvador J.P. et al., 2012):

• методы и средства фотомониторинга взаимодействия наночастиц с живыми клетками и тканями для развития сис­тем нанобезопасности;
• создание нанобиосенсоров для высокочувствительного детектирования процессов в биотканях на молекулярном уровне;
• фотонассоциированная нанобиоинженерия для создания искусственных тканей и органов;
• разработка способов направленной доставки лекарственных препаратов к органам и клеткам-мишеням на основе биоинженерных фотончувствительных наноконструкций.

Для обеспечения функционирования вышеперечисленных, а также многих других оптических нанобиотехнологий создаются и развиваются современные аналитические приборные комплексы. Многофотонная флуоресцентная микроскопия (МФМ) предназначена для исследований процессов взаимодействия живых систем (на клеточном и субклеточном уровнях) с наноагентами в целях анализа нанобезопасности и мониторинга этапов нанобиоинженерных разработок (Li P. et al., 2011). Создание нанобиосенсоров основано на спектроскопии комплексов антиген — антитело в целях специфического детектирования отдельных аналитов (Cullum B.M., Vo-Dinh T., 2000; Pine P.S., 2010). Для динамического наблюдения направленной доставки лекарственных препаратов созданы аналитические приборные комплексы, включающие установки диффузной флуоресцентной томографии и компьютерной оптической проекционной томографии, а также специфические маркеры на основе комплексов нано­агент — антитело (van de Ven S. et al., 2010; Leproux A. et al., 2011). Применение этих биотехнологических комплексов хорошо зарекомендовало себя в онкологических и кардиологических медицинских исследованиях. Кроме этого, оптические нанотехнологии стали важнейшим элементом развития молекулярных и наномолекулярных программ лазерной и персонифицированной медицины (Залесский В.Н., 2010).

Более 50 лет прошло с тех пор, как первый лазер был продемонстрирован Т. Майманом в 1960 г. , и это событие инициировало революционные преобразования в технологиях и медицинских исследованиях.

В конце прошлого столетия окончательно было сформулировано такое понятие, как лазерная медицина, которая объединила лазерную диагностику, лазерную терапию и лазерную хирургию. Активное внедрение лазерных биотехнологий во врачебную деятельность позволило не только осуществить качественный скачок в деле оказания помощи пациентам, но и реализовать многое, что ранее было исключительно в компетенции фантастов. Сегодня лазерное излучение все более уверенно входит в арсенал средств, используемых в медицине. Лазерами оснащены не только университетские лаборатории, крупные медицинские центры, но и районные больницы и поликлиники (Залесский В.Н., 2010).

Медицина, в функции которой входят профилактика, лечение и диагностика заболеваний, представляет собой благодатное поле для практического внедрения большинства достижений физики и техники — новых физических явлений, приборов, устройств и нанотехнологий. В последнее время широкое развитие получили молекулярные и наномолекулярные аспекты лазерной биомедицины.

Наномолекулярная медицина — область знаний и умений, позволяющая визуализировать или использовать с лечебной целью единичные молекулы или их нанокомплексы в условиях нанометровой шкалы (Залесский В.Н., 2009). Нанометровую шкалу постепенно «осваивает» и персонализированная медицина (ПМ) — сравнительно новое направление, получившее развитие благодаря использованию методов направленного пациентассоциированного лечебно-диагностического воздействия на основе учета влияний генетических, внешнесредовых и региональных факторов. Другими словами, это узкоцелевая диагностика (геномно-протеомная, метаболомная, транскриптонная, цитомная и т.д.), а также лечение больного (индивидуально-ориентированные воздействия, в том числе лекарственное, клеточное и другие терапевтические подходы) в соответствии с исходным состоянием генетического профиля пациента (Залесский В.Н., Мовчан Б.А., 2012).

Вклад фотонассоциированных нанобиотехнологий в персонализированную и лазерную медицину

Сегодня ПМ — бурно развивающаяся область медицинских знаний. Оценка Бостонской консалтинговой группы (Boston Consulting Group — BCG) свидетельствует, что до 2020 г. темпы роста ПМ составят 37% ежегодно (цит. по: Залесский В.Н., Мовчан Б.А., 2012).

Важно отметить, что современное развитие наномолекулярной медицины рассматривается в связи с применением нанобиотехнологий (Залесский В.Н., 2009). В то же время нанобиотехнологии вносят существенный вклад в развитие ПМ благодаря использованию инновационных методик для лечебно-диагностических целей (Залесский В.Н., 2010).

В основе развития ПМ лежит анализ особенностей генома человека. Так, в клиническом плане в первую очередь речь идет о том, чтобы с помощью генного анализа установить, стоит ли вообще конкретному пациенту принимать тот или иной препарат. Это необходимо потому, что даже незначительные индивидуальные различия генома у двух пациентов могут привести к тому, что одно и то же лекарственное соединение будет действовать на них совершенно по-разному (Залесский В.Н., Мовчан Б.А., 2012).

В ПМ роль биомаркеров в качестве референтных точек для диагностики и терапии общеизвестна. С помощью биомаркерных молекул определяют, в частности, состояние процессов повреждения клетки, ДНК, РНК, а также наличие метаболитов или белков-предшественников, которые детектируются благодаря инновационным нанобиотехнологиям (Залесский В.Н., 2010).

Существенная роль отведена нанобио­технологиям в персонифицированной диагностике. Сегодня становятся очевидными высокие темпы оптимизации методов направленной диагностики ДНК, РНК и белков. Отмечается повышение их точности и чувствительности, превышающее общепринятые методы молекулярного анализа. Начиная с диагностики простых белковых молекул, ДНК, РНК и их функцио­нальных субъединиц в наношкальном формате, нанобиотехнологические подходы обеспечивают высокую прецизионность протеомных методов исследования (Залесский В.Н., Мовчан Б.А., 2012).

Современные инновационные технологии секвенирования генома (ДНК) позволяют сравнительно быстро и эффективно считывать геномную информацию непосредственно от этих молекул благодаря замедлению и контролю скорости движения молекул через поры наноразмерного формата (цит. по: Залесский В.Н., 2009).

Оперативное и действенное секвенирование молекул ДНК человека сегодня стало реальным благодаря новаторской технологии декодирования молекул ДНК при их транслокации через нанопоры, размещенные на кремниевом чипе. Эта технология доступна для широкомасштабного геномного анализа с помощью серийно выпускаемых систем (454 Sequencing System), которые генерируют сотни тысяч высококачественных данных о секвенс-последовательностях за считанные часы. При этом платформа 454 Sequencing System может стать первой технологией секвенирования нового поколения, разработанной для применения в клинических условиях (цит. по: Залесский В.Н., Мовчан Б.А., 2012).

Особенно перспективным оказалось устройство, в котором измерения осуществляются на отдельной молекуле ДНК благодаря созданию мельчайших нанопор в графене (слое углерода толщиной всего в 1 атом) для регистрации перемещения отдельных молекул ДНК, проходящих через наноразмерную пору. Оказалось, что находящуюся в водном растворе молекулу ДНК можно транспортировать через графеновую нанопору, и, что особенно важно, отдельно каждую молекулу ДНК можно выявить по падению электрического тока в области нанопоры. Такая нанопора позволяет считывать всю последовательность (основание за основанием) перемещающейся через пору молекулы ДНК. Авторы считают, что графеновые нанопоры открывают новые, гораздо большие, чем только секвенирование ДНК, возможности. Они включают область разработки новых сенсоров для осуществления как фундаментальных, так и прикладных научных исследований в области ПМ (цит. по: Залесский В.Н., Мовчан Б.А., 2012).

В целом активно разрабатываемые новые биотехнологии секвенирования ДНК на основе использования нанобиотехнологических решений имеют широкие перс­пективы для применения в здравоохранении. Они могут позволить оптимизировать персонализированную диагностику, способствуя получению данных о предрасположенности к развитию сердечно-­сосудистых заболеваний, рака, сахарного диабета и др.

Молекулярная визуализация — важнейшая диагностическая модальность, позволяющая комбинировать лечебные и диагностические подходы и являющаяся базовой биотехнологией ПМ. Наночастицы в составе суперпарамагнитных контрастных соединений и перфлюороуглеродных нанокомпозиций используются в качестве инструмента для формирования молекулярного изображения, что позволяет проводить отбор пациентов для персонализированной терапии (Залесский В.Н., 2009).

Развитие многофункциональных транспортных наноплатформ для наноассоциированной доставки визуализирующих меток оптимизирует такие современные молекулярные визуализирующие технологии, как оптическая когерентная томография, рентгеновская компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, однофотонная компьютерная томография, позитронно-эмиссионная томография (Залесский В.Н., Мовчан Б.А., 2012).

Мишеньассоциированные лиганды, визуализирующие метки, наноплатформы и многие другие нанобиоконструкции позволяют проводить таргетную наномолекулярную персонализированную диагностику в условиях клиники (Залесский В.Н., 2009). Сравнительно недавно разработан метод молекулярной визуализации с использованием наночастиц золота для диагностики состояния уязвимости атеросклеротических бляшек коронарных артерий при использовании многоцветной компьютерной томографии. Данная инновация может способствовать проведению надежной персонализированной диагностики и лечения кардиальных событий у пациентов в клинических условиях (цит. по: Залесский В.Н., Мовчан Б.А., 2012).

ПМ является многообещающей областью интеграции современных нанобиотехнологических подходов в медицинской практике, оптимизирующих понимание патофизиологических принципов развития заболеваний человека, а также особенностей их наномолекулярной диагностики и лечения (Chan I.S., Ginsburg G.S., 2011). Кроме этого, такие активно развивающиеся направления медико-биологических исследований, как фармакогенетика, фармакогеномика, метаболомика и другие, в частности фармакопротеомика, фармакометаболомика, фармакоцитомика вносят свой посильный вклад в развитие ПМ (Chan I.S., Ginsburg G.S., 2011; Mestroni L., Taylor M.R., 2011).

Многие лазеро- и нанофабрикационные программы развития нанотехнологий в недалеком будущем могут оказаться чрезвычайно полезными для нанобиофотоники. Так, возможности, связанные с получением нано-, пико- и фемтосекундных лазерных импульсов, уже сегодня обеспечивают революционизирующие преобразования в решении задач нанохирургии (Залесский В.Н., 2010).

К области применения лазерных устройств подобного рода относятся: фемтосекундные лазерные нанобиотехнологические комплексы для биомедицинских целей; гибридизация клеток малых размеров; оптическая модификация нанообъектов; фемтосекундная лазерная диагностика наноструктур и др. Известно, что данные технологии имеют важное значение для развития клеточных биотехнологий, генной инженерии, молекулярной биологии и генетики, а также наномолекулярной медицины (Залесский В.Н., 2010).

Объединение двух биотехнологий (лазерной нанохирургии и оптического удержания) позволило расширить объем проводимых лазерных наноманипуляций на клетке. Результаты сочетанных подходов для реконструкции внутриклеточных процессов были впервые опубликованы K.O. Greulich и соавторами в 1989 г. В настоящее время известными группами коммерческих производителей созданы серии роботизированных устройств комбинированного типа — фемтосекундные лазерные пинцеты-наноскальпели («Arryx», США; «Coll Robotic», США; «Elliot Sci», США; «PALM», США; «MMI», Швеция; «OUBT», Россия), предназначенные для удержания и альтернативного манипулирования нанообъектами или массивом нанообъектов (кластерами) в трехмерном пространстве (Greulich K.O., 2007).

Необходимость создания элементной базы для сложной оптоэлектроники и прецизионных электрических компонентов молекулярного масштаба способствовала появлению и развитию новых наноинструментальных методов исследования. На этом уровне большое внимание уделяется проведению точных измерений, поскольку кинетические и квантовые эффекты существенно изменяют электрические и тепловые свойства материалов и устройств. Проводящие наноструктуры сегодня стали широко использоваться для наномасштабных измерений. Некоторые лаборатории уже активно «эксплуатируют» в нанокристаллах движение отдельных электронов для стандартных измерений электрического тока и емкости (Son J.S. et al., 2011). Кроме того, специалисты научились измерять характеристики атомарных проводов и других электромагнитных наноструктур (Kohiki S. et al., 2011). В будущем оптические наноструктуры, вероятно, будут использоваться чрезвычайно широко — от осуществления квантовых вычислений до создания биосенсоров на основе единичных наночастиц и анализа межатомных кооперативных взаимодействий (Hwang W.S., Sim S.J., 2011).

Некоторые микроскопические системы, несмотря на свой гораздо больший размер по сравнению с наносистемами, демонстрируют свойства, присущие последним. Чаще всего такие наносвойства возникают при создании новых материалов и их взаимодействии. Например, наносвойства проявляются при создании биочипов для секвенирования генов и других биомедицинских приложений (Oleǐnikov V.A., 2011). Обычно стенки макроскопических сосудов слабо влияют на ток жидкости в них. Однако в микро- и наноскопических сосудах это влияние становится довольно отчетливым и может привести к непрогнозируемым по важности результатам (микро- и нанофлюоидные технологии) (Arayanarakool R. et al., 2011; Liu C. et al., 2011).

Благодаря развитию наноэлектроники сегодня сделаны существенные шаги в создании оптических нанопереключателей в оптоволоконных сетях. С помощью световых волн с длиной волны в несколько сотен нанометров удалось переносить гигабайты данных. Последующая обработка светового потока стала возможной с помощью оптических коммутаторов, создаваемых в виде колец из оптических линз и массива зеркал, преобразующих и расщепляющих потоки фотонов, несущих значительные массивы данных. Это имеет первостепенное значение для оптимизации функционирования роботизированных комплексов медико-биологического назначения (Rocha F.R et al., 2001; Matharoo I. et al., 2011; Song H. et al., 2011).

Значительного уровня развития в области прикладной нанофотоники достигло производство эпитаксиальных пластин для высокоскоростных оптических компонентов, которое на сегодняшний день является одним из самых передовых и наукоемких направлений в осуществлении процессов эпитаксиального роста полупроводниковых наногетероструктур (Wang J. et al., 2003; Kumaran R. et al., 2009; Lo S.S. et al., 2011). Продукция на основе эпитаксиальных пластин рассчитана на применение в оптических контактных соединениях следующего поколения: USB (Universal Serial Bus), телевидение сверхвысокой четкости (High-Definition Multimedia Interface — HDMI), Display Port, в активных оптических волноводах компьютерных систем со стандартом Infiniband, в устройствах со стандартом Fiber Channel, а также в биоэлектронных преобразователях медико-биологического назначения (Yakimova R. et al., 2007; Lo S.S. et al., 2011).

Вертикально-излучающие волноводные лазеры, созданные на основе эпитаксиальных пластин, за 1 мин способны передать по одному оптическому каналу данные, помещающиеся на одном стандартном DVD-диске (4 Гб) (Kumaran R. et al., 2009). Если представить себе флэш-карту нового поколения с USB-разъемом, где для приема/передачи данных будут использованы специальные лазеры и фотодиоды, то за 10 с на нее можно будет перезагрузить всю Википедию на всех языках мира; также может появиться возможность осуществления мгновенной обработки и передачи геномно-протеомных и метаболомных диагностических массивов данных для целей ПМ.

С целью создания современных оптических телекоммуникационных систем предпринимаются попытки использовать принцип так называемого квантового запутывания (Rafat M., Popelier P.L., 2007). Оказалось, что на основе одного высокоэнергетического фотона можно получить два фотона с меньшей энергией, которые становятся квантово-запутанными. Квантовое запутывание возникает, когда разные фотоны не удается описать отдельно, поскольку измерение характеристик одного из них оказывает влияние на другой. Поведение таких квантово-запутанных фотонов является связанным, и именно эта особенность лежит в основе квантового принципа передачи информации. Потенциал квантового запутывания начал оцениваться по достоинству только недавно, поскольку ранее его просто не удавалось наблюдать, анализировать и использовать. Это принцип может стать основой безопасной (квантовой) криптографии (Franz T. et al., 2011, Gerhardt I. et al., 2011; Hughes R., Nordholt J., 2011), квантового интернета (Kimble H.J., 2008), современных вычислительных алгоритмов и фотонной телепор­тации (Lee N. et al., 2011).

Нанофотоника охватывает процессы взаимодействия света с частицами, размеры которых гораздо меньше, чем длина волны излучения оптического диапазона электромагнитного спектра. Под воздействием света наночастицы колеблются с оптической частотой и взаимодействуют как электромагнитные волны. Когда свет рассеивается на атомах и молекулах, большинство фотонов упруго отражаются от них. Это явление получило название рамановское рассеяние (Raman scattering). Рассеянные фотоны обладают той же энергией (частотой) и длиной волны, что и окружающие их фотоны. Однако в газах небольшая часть света (≈1%) рассеивается с оптическими частотами, которые меньше частоты окружающих фотонов и это приводит к изменению колебательной или вращательной энергии. Эффект усиленного поверхностного рамановского рассеяния наблюдается в пределах золотой или серебряной наноподложек. Наносеребро и нанозолото легко возбуждаются лазером, а результирующие электрические поля вызывают рамановское рассеяние в окружающих молекулах. Используя это явление, оказалось возможным изучать химические связи внутри молекул (Serdiuk I.N., Deriusheva E.I., 2011), геометрию структуры хиральных молекул (He Y. et al., 2011), проблемы нанобиосенсорики, связанные с детектированием белковых аналитов, токсинов (Bantz K.C. et al., 2011; Ray P.C. et al., 2011), а также молекулярные процессы уязвимости атеросклеротических бляшек (Suh W.M. et al., 2011) и дифференцирования стволовых клеток (Downes A. et al., 2010).

Важную роль в изучении оптических свойств наноповерхностей благородных металлов играют плазмоны — коллективные колебания свободных электронов в пределах поверхности металлических нанопленок. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые прогнозированный еще в начале XX в. Длина волны плазмонного резонанса для сферической наночастицы серебра диаметром 50 нм составляет ≈400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (Cubeddu R. et al., 2011). В начале ХХІ в. благодаря быстрому прогрессу в развитии технологий изготовления наноразмерных частиц был дан толчок к формированию новой области биофотонных технологий — наноплазмонике (Lee S.E., Lee L.P., 2010). Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью лазерного воз­буждения плазмонных колебаний для усовершенствования оптических ДНК-биосенсоров (Peng H.I., Miller B.L., 2011), осуществления высокочувствительной диагностики онкомаркеров (Arima Y. et al., 2009), развития иммуносенсорики и изучения конформационных изменений биомолекул (Aslan K. et al., 2005), а также проведения биоанализа с помощью SERS (surface-enhanced Raman scattering)-спектроскопии (Kekatpure R.D. et al., 2009; Vo-Dinh T. et al., 2005) и других целей.

Известны интересные факты из истории изучения влияния плазмонов на оптические свойства наноматериалов, которые были выявлены еще в 1989 г., причем совершенно случайно (как это довольно часто происходит с научными открытиями). Томас Эббесен, сотрудник научно-исследовательского центра компании NEC в Принстоне, США, проводил опыты по прохождению видимого света сквозь золотую пластину со 100 млн отверстий диаметром около 300 нм. Отверстия были уже, чем длина волны падающего света (≈400 нм). Если представить себе сетку, в которую бросают волейбольные мячи, по аналогии с перфорированной пластиной, то согласно квантовой теории, существует вероятность того, что ¹/₁₀₀₀ часть светового потока может пройти сквозь такую пластинку. В примере с сеткой это значит, что один из тысячи мячей протиснется сквозь сетку. Однако в опытах Эббесена сквозь пластину прошло даже больше чем 100% падающего света. С обратной стороны пластины оказалось больше света, чем с лицевой. Ученый тщательно проверил методику эксперимента и несколько раз повторил все измерения. Однако результат оставался неизменным. Исход эксперимента был настолько необычным, что Т. Эббесен предположил наличие какой-то неустановленной ошибки эксперимента и даже не опубликовал свои результаты.

С 1998 г. в компании NEC работал физик-теоретик Петер Вольф. Он изучил результаты необычных опытов Т. Эббесена с наноразмерными отверстиями и светом. Поскольку П. Вольф уже знал, как электроны ведут себя на поверхности металлов (они образуют волнистую «рябь»), он попробовал повторить этот эксперимент. Действительно, ученый выявил, что электроны ведут себя как волны, а не как частицы, и при определенных условиях можно наблюдать эффект, замеченный Т. Эббесеном. В настоящее время проводится активное исследование плазмонов, и, возможно, они вскоре будут применяться для передачи компьютерной информации, поскольку передают ее гораздо быстрее обычных электронов и могут с успехом использоваться в стандартных микропроцессорах (Kekatpure R.D. et al., 2009).

Установлены удивительные оптические и электромагнитные свойства золотых наноколец с диаметром ≈60 нм, причем эти свойства могут быть оптимизированы за счет изменения радиуса и толщины кольца (Ahmadi A., Mosallaei H., 2010). При освещении нанокольца внутри и вне его генерируются сильные электромагнитные колебания в диапазоне, близком к инфракрасному. Они возникают в результате взаимодействия фотонов с электронами кольца, которые возбуждаются и создают волну колебаний. Параметры этих колебаний зависят от геометрии кольца и длины волны лазерного излучения. Последующая синхронизация деятельности электронов и фотонов осуществляется так, что их колебания приобретают одинаковую длину волны. Электромагнитное поле внутри кольца имеет частоту, близкую к инфракрасной части спектра, поэтому такие нанокольца могут быть использованы в качестве контейнера — усилителя инфракрасных сигналов для тестирования молекул, а также для изучения поведения белков в химических реакциях (при лазерном облучении и фиксации поглощенной и переизлученной энергии) (Ahmadi A., Mosallaei H., 2010; Hatab N.A. et al., 2010).

Оптические нанобиосенсоры применяют в различных областях, для многих приложений, включая здравоохранение, мониторинг и защиту окружающей среды, фармацевтику, химию, защиту от биологического терроризма и управление биологическими процессами (Bellan L.M. et al., 2011). Они предназначены для выявления специализированных сигналов от особых биологических или химических объектов. Использование новых научных методов, например микро- и нанопроизводства, а также успехи оптоэлектроники позволили создать улучшенные биомедицинские наносенсоры. Применение оптических биосенсоров способствовало развитию новых технологий в медицинской и фармацевтической промышленности. Например, сейчас разрабатываются наномасштабные биосенсоры глюкозы, которые способны оптическим путем зарегистрировать наличие сахарного диабета (Wu W. et al., 2010).

Биологические наносенсоры делают возможным процесс избирательной идентификации очень низких концентраций токсических соединений в промышленной продукции, химических материалах, воздухе, воде, почве, биологических системах (например в бактериях, клетках и вирусах) и т.д. Комбинируя специфические биологические маркеры (например красители) с методами оптического детектирования и высокопроизводительными компьютерными системами анализа, удалось создать оптические нанобиосенсоры для поиска и дифференциации сложных соединений (Vo-Dinh T., 2005).

Экстремальная специфичность биологических зондов, а также сверхчувствительность оптических детекторов на основе использования лазерного излучения позволяет биологическим наносенсорам выявлять и различать химические компоненты сложных биологических систем. Благодаря их тонко настроенной схеме можно четко определять и точно измерять наноколичества биологических аналитов. Новая группа нанобиосенсоров с использованием антител и ДНК-зондов существенно расширяет арсенал уже имеющихся оптических сенсорных устройств. Например, для идентификации канцерогенов уже применяются флуороиммуносенсоры (fluoroimmunosenors — FIS) на основе антител. Антитела располагают в конце оптоволоконного зонда или сенсора (внутри FIS) для количественного анализа in vivo и in vitro. Экстремальная чувствительность достигается с помощью лазерного излучения с более высокой энергией и управляемых оптических сигналов (Mastichiadis C. et al., 2009).

В настоящее время фотонно-кристаллические волноводы рассматриваются как один из перспективных фоточувствительных элементов волоконно-оптических датчиков физико-химических величин, использование которых позволит в будущем существенно расширить возможности традиционных оптоволоконных нанобиосенсоров (El Beheiry M. et al., 2010). К их основным преимуществам можно отнести защищенность от воздействия электромагнитных полей (как и у многих волоконно-­оптических датчиков), высокую чувствительность, надежность, воспроизводимость и широкий динамический диапазон измерений, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, расположенных в одном или нескольких волноводах, малое время отклика на изменение измеряемой величины, малые габариты, возможность сочетания волноводных принципов и микрофлуидистики (Leng H.Y. et al., 2011).

Рассмотренные выше наномасштабные фотонно-оптические волноводы позволяют создавать единичные безметочные сенсорные элементы устройств, получивших название «лаборатория на чипе» (lab-on-а-chip). Это миниатюрная система, позволяющая осуществлять сотни и тысячи биохимических реакций, включая стадии разделения, концентрирования, смешивания промежуточных продуктов, перемещения их в различные реакционные микрокамеры и одновременного считывания конечных результатов с целью диагностики заболевания (в условиях развития ПМ) и выявления реагентов биотерроризма (Leng H.Y. et al., 2011).

Такие малые объекты, как отдельные атомы и единичные молекулы, сегодня можно перемещать и использовать в наноразмерных электрических схемах в качестве нанопереключателей на атомарном уровне. Возможности контроля состава и структуры нанообъектов являются огромным скачком в создании новых материалов. Среди достижений в манипулировании нанообъектами следует отметить возможность использования оптического пинцета (Stevenson D.J. et al., 2010).

Оптический пинцет является одним из способов захвата и перемещения нанометровых структур в трехмерном пространстве. Такая возможность особенно востребована при изучении динамики процессов между атомами и молекулами, поскольку специалистам в области молекулярной биофизики важно понимать особенности поведения отдельных молекул. Оптический пинцет позволяет непосредственно наблюдать за их структурными параметрами. Принцип работы оптического пинцета основан на фокусировке пучка света на частице в нанообъеме жидкости. При этом воздействие света достаточно велико, чтобы удержать молекулу в одном месте: если молекула слегка смещается к краю сфокусированного пучка, то свет воздействует на нее таким образом, что молекула возвращается в центр пучка. С помощью оптического пинцета можно исследовать реакции белков и других сложных молекул, например полимеров, на внешнее воздействие (Fazal F.M., Block S.M., 2011).

Прижизненная визуализация процессов, происходящих в клетке и организме, с высоким пространственным разрешением в реальном масштабе времени, с использованием в качестве флуоресцентных маркеров зеленого флуоресцентного белка (green fluorescence protein — GFP) и его производных, стала в последнее десятилетие одним из наиболее востребованных методов исследования в биологии и медицине (Masuko T. et al., 2011).

В отличие от других природных пигментов, GFP-подобные белки формируют хромофор без участия внешних ферментных систем или кофакторов, кроме молекулярного кислорода. Таким образом, образование хромофора и возникновение свечения происходит непосредственно в живых организмах, тканях или клетках. Концевые фрагменты флуоресцентных белков (fluorescence protein — FP) доступны для связывания с другими белками, что позволяет осуществлять сшивку FP с белками-мишенями. Это делает FP уникальными генетически кодируемыми флуоресцентными маркерами — независимым инструментом для изучения кооперативного взаимодействия белков, их локализации, внутриклеточного транспорта и создания молекулярных нанобиосенсоров для регистрации различных внутриклеточных метаболитов (Ibraheem A., Campbell R.E., 2010).

Возможность одновременного использования нескольких фотоактивируемых FP с разными спектральными характеристиками привела к развитию новых методов оптической микроскопии высокого разрешения (наноскопии), позволяющих изучать многофакторные процессы в живой клетке и многоклеточном организме. Последующие исследования посттрансляционных изменений, структуры и свойств GFP-подобных белков позволили разработать подходы для целенаправленного создания новых FP с улучшенными и заданными свойствами, которые нашли свое применение в биомедицинских исследованиях и нанобиотехнологических инновациях (Nienhaus G.U., Wiedenmann J., 2009).

Фотоактивируемые FP активно применяются в качестве маркеров при использовании ультрасовременных методов оптической наноскопии, таких как регистрация резонансного безызлучательного переноса энергии (forster resonance energy tranfer — FRET); двухфотонного (two-photon — 2Р) возбуждения флуоресценции; регистрация изображений сверхвысокого разрешения единичных молекул (photo-activated localization microscopy — PALM); микроскопия сверхвысокого разрешения ансамбля молекул (stimulated emission depletion — STED), а также микроскопия полного внутреннего отражения (total internal reflection fluorescence — TIRE), микроскопия сверхвысокого разрешения траекторий единичных частиц (sptPALM) и FLIM (fluorescence-lifetime imaging microscopy)-микроскопия. При этом фотоактивация FP используется для решения задач наномолекулярной биологии, включая мечение структур в живых клетках, детекцию внутриклеточных взаимодействий и выявление колокализованных белков-мишеней, определение внутриклеточного возраста белков-метаболитов (Stepanenko O.V. et al., 2008).

Разработан метод биофотонной визуа­лизации, дающий возможность в реальном времени осуществлять мониторинг изменений, происходящих с молекулами в процессе апоптоза — запрограммированной клеточной гибели (Pliss A. et al., 2010). Апоптоз необходим для нормального развития, правильного функционирования иммунной системы и предотвращения рака. Процесс резко трансформирует клеточные структуры, однако ограниченные возможности обычной светооптической микроскопии оставляли загадкой многое из этой структурной реорганизации.

Для изучения мультиплексного изоб­ражения клеток учеными был использован передовой подход, сочетающий три фотонные технологии: нелинейную оптическую систему визуализации — когерентное антистоксово комбинационное рассеяние (сoherent anti-Stokes Raman scattering — CARS), двухфотонно-возбуждаемую флуо­ресценцию (two-photon excited fluorescence — TPEF), с помощью которой можно визуализировать живые ткани и клетки со значительной глубиной проникновения, и метод восстановления флуоресценции после фотообесцвечивания (fluorescence recovery after photobleaching — FRAP) для изучения динамики свечения белков. Такой подход впервые позволил за одно сканирование осуществить мониторинг четырех различных типов изображений, характеризующих распределение в клетке белков сигнальной трансдукции, ДНК, РНК и липидов. При этом сложное изображение объединило в одной картинке информацию о четырех типах молекул, каждый из которых представлен своим цветом: белки — красным, РНК — зеленым, ДНК — синим, липиды — серым (Pliss A. et al., 2010).

Такое мультиплексное изображение предоставило новую информацию о скорости, с которой белки диффундируют через клеточное ядро. До запуска программы апоптоза белки распределялись относительно равномерно, однако с его началом ядерные структуры подвергались распаду, распределение белков становилось неравномерным, скорость их диффузии замедлялась. Такая точная информация оказалась особенно полезной для мониторинга влияния конкретных противоопухолевых препаратов на единичные клетки. Например, оказалось, что если больному раком назначается химиотерапия, то эта система позволяет отслеживать изменения в клетках с апоптотическим сценарием гибели на протяжении всего курса лечения и помогает управлять процессом возникновения побочных эффектов противоопухолевых антибиотиков при проведении персонализированной терапии у пациентов онкологического профиля.

Для нановизуализации хронологических и пространственных событий на клеточном уровне большой интерес представляет создание флуоресцентных таймеров (fluorescent timer — FT) — белков, у которых положение спектра флуоресценции изменяется во времени, при трансформации флуоресценции с синей на красную. Использование FT для изучения внутриклеточных процессов позволило уточнить механизмы транспорта лизосомного рецептора LAMP-2A шаперон-опосредованной аутофагии (Eskelinen E.L. et al., 2002), что выявило особенности обмена между компартментами; помогло проследить за молекулами сигнальной трансдукции до и после отдельного клеточного события и определить время внутриклеточных посттрансляционных изменений, а также хронологию белок-белковых взаимодействий.

Современную науку характеризует постепенный переход от изучения объектов на макроуровне к изучению свойств нанообъектов на уровне единичных молекул. Этот общий тезис применим и к нанобиофотонике, где в последнее время особенно активно стали использоваться такие методы изучения наномолекулярных структур, как атомно-силовая микроскопия, высокоразрешающая флуоресцентная микроскопия отдельных молекул, изучение функциональной активности одиночных каналов биологических мембран и некоторые другие. К таким технологиям относится и метод флуоресцентной корреляционной спектроскопии, который основан на регистрации флуктуаций флуо­ресценции отдельных частиц, возникающих в результате броуновского движения в освещенном лазером малом объеме пространства (конфокальном объеме) (Mazza D. et al., 2012).

Современные объективы позволяют сфокусировать лазерный луч в пятно (размером в доли микрона) и регистрировать отраженный сигнал от объема ≈10–5 л. Временная зависимость интенсивности свечения F(t) флуоресцирующих молекул в растворе или частиц определенной дисперсной фазы характеризуется появлением скачков (или пиков) сигнала на фоне практически постоянного (низкоамплитудного) сигнала базового уровня. Каждый скачок соответствует прохождению отдельной частицы через конфокальный объем. Метод флуоресцентной корреляционной спектроскопии (его еще называют методом динамического светорассеяния) получил широкое использование для измерения размеров наночастиц в суспензиях (Wenger J., Rigneault H., 2010).

Биосовместимые светочувствительные материалы были созданы более 20 лет назад. Подобные наномолекулярные биоконструкции используются при создании липосом, способных высвобождать лекарства в ответ на освещение (Alvarez-Lorenzo C. et al., 2009). Известно, что проникновение электромагнитных волн внутрь тела в значительной степени зависит от длины волны светового потока. Ультрафиолетовая и синяя части видимого спектра проникают на >1–2 мм и позволяют управлять процессами на поверхности и в глубине кожи. Свет с длиной волны >700 нм (красный и ближний инфракрасный диапазон) проникает приблизительно до ≤1 см и может с успехом использоваться для управления светочувствительными сенсорами в организме, а также для визуа­лизации различных процессов, протекающих во внутренних органах (Mochizuki-Oda N. et al., 2002). Сегодня новейшие разработки нанобиофотоники позволяют создавать на основе фотолипосом биосовместимые молекулярные SMART-наноразмерные контейнеры, обладающие свойствами искусственного интеллекта, с сенсорными исполнительными модулями (Wang J.Y. et al., 2010; Shchukin D.G., Möhwald H., 2011).

Флуоресцирующие полупроводниковые нанокристаллы, или квантовые точки (quantum dots — QD), с ядром из селенида кадмия и оболочкой из сульфида цинка представляют собой новый класс флуоро­хромов, которые обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными органическими флуорохромами и флуоресцентными белками. Квантовые точки отличаются более высоким коэффициентом экстинкции, широким спектром возбуждения, бóльшим сдвигом Стокса, высокой фотостабильностью, узкими и симметричными спектрами эмиссии. Благодаря этим свойствам применение квантовых точек в оптической наномикроскопии и лазерной проточной цитометрии является крайне перспективным. Использование конъюгатов квантовых точек с антителами, стрептавидином и ДНК (РНК)-зондами позволяет получать высокостабильные многоцветные флуоресцентные препараты, которые применяют для научных и клинико-диагностических целей (Mittal R., Bruchez M.P., 2011). Это особенно важно для частиц с длинноволновым спектром испускания, большие размеры которых затрудняют их широкое применение с целью внутриклеточного окрашивания белков.

В настоящее время квантовые точки выпускаются компанией «Crystalplex» (США). Ограниченная стабильность коммерческих препаратов квантовых точек и их производных (конъюгаты со стрептавидином), составляющая ≤1—6 мес, обусловлена собственными химическими свойствами квантовых точек, в частности тонкой оболочкой из сульфида цинка, которая постепенно окисляется при хранении. Поэтому для повышения стабильности водорастворимых квантовых точек требуются дальнейшие разработки в области химического синтеза (Mittal R., Bruchez M.P., 2011).

Необходимость углубленного понимания динамических особенностей развития биологических процессов в клетках, тканях и организме в целом требует идентификации и анализа множества биологических объектов. Технология биологических чипов (биочипов) является одним из наиболее эффективных инструментов, способных помочь в решении этой проблемы. Биочипы обладают высокой производительностью и способны одновременно количественно регистрировать в мультиплексных тестах наличие сразу многих молекул, содержащихся в микрообъемах. Биочипы позволяют проводить параллельный геномно-протеомный анализ здоровых или измененных болезнью тканей и клеток, выполнять сравнительный анализ, выявляя изменения, связанные с заболеванием. Одновременное применение полупроводниковых квантовых точек даст возможность не только существенно увеличить мультиплексность биочипов, но и улучшить их фотостабильность и чувствительность.

Кроме того, использование в жидких биочипах эффекта FRET (Förster resonance energy transfer) позволяет повышать специ­фичность детекции аналитов. Отсутствие фонового сигнала от несвязанных с наночастицами флуоресцентных меток повышает чувствительность метода биочипирования, что оптимизирует возможности мультиплексного анализа и оптической диагностики (Geho D.H. et al., 2007). Сочетание технологии биочипирования и полупроводниковых квантовых точек позволяет обеспечить существенный прорыв в решении задач протеомики, в частности при разработке новых лекарственных соединений, в клинической персонализированной диагностике, при идентификации молекулярных маркеров и уточнении механизмов внутриклеточной сигнализации (Rosenblatt K.P. et al., 2012).

В нанобиофотонике стали широко использовать и применять наночастицы золота, в частности золотые нанооболочки (gold nanoshell) на ядрах из двуокиси кремния, благодаря развитию технологий синтеза и функционализации поверхности наночастиц, а также уникальным оптическим свойствам, связанным с возбуждением одночастотных и коллективных плазмонных резонансов (Дыкман Л.А. и соавт., 2008).

Плазмонный резонанс золотых нано­оболочек на ядрах из двуокиси кремния может быть настроен в области ближнего инфракрасного диапазона спектра (700–1000 нм), а главное, что в этом случае имеется возможность контролировать соотношение между сечением поглощенного и рассеянного пучков. Эти важные свойства уже нашли интересные приложения в селективном лазерном фототермолизе опухолевых клеток (Choi J. et al., 2011; Ungureanu C. et al., 2011), в повышении контрастности оптической томографии и чувствительности твердофазного иммуноанализа (Khlebtsov B., Khlebtsov N., 2008).

Специалисты в области лазерной фототермической терапии проявляют большой интерес к наночастицам золота. Золотые наносферы и золотые наностержни прошли преклиническую апробацию при проведении лазерного фототермолиза опухолей (Huang X. et al., 2008). Следует отметить, что традиционные лазеры, генерирующие нано-, пико- и фемтосекундные импульсы (работающие в режиме синхронизации мод со скважностью >100 и, соответственно, с малой средней мощностью и энергией, но очень большой пиковой мощностью), могут вызывать нелинейные термические эффекты при фототермолизе наночастиц и клеток, механизмы развития которых остаются малоизученными.

И наконец, современное развитие нанотехнологических и биотехнологических подходов привело к созданию мультифункциональных наночастиц в качестве передовой нанобиофотонной технологии для осуществления синхронного терагностического (imaging and therapy) воздействия. Интеграция отдельных визуализирующих наночастиц с различными свойствами в мультифункциональные биоконструкции позволяет более локально и быстро осуществлять молекулярную диагностику онкологических заболеваний, а также благодаря их адресной доставке осуществлять терапевтические (в том числе лазерные) воздействия в рамках ПМ (Lee D.E. et al., 2012).

Заключение

Вероятно, истоки нанобиофотоники связаны с первыми экспериментами по реализации возможностей ближнепольной (near-field) оптики и последующим развитием методов оптической визуализации ниже дифракционного предела. Становление нанобиофотоники как междисциплинарной области знаний способствовало, наряду с наномикроскопией, оптимизации таких доминирующих сегодня технологий, как оптическое зондирование, оптическое распознавание и оптическое управление биологическими нанообъектами. На данном уровне развития нанобиофотоника стремится построить своеобразный мост между светооптической микроскопией и наномикроскопией высокого разрешения, как бы заполняя собой брешь в 200 нм (спектральный диапазон шкалы электромагнитного излучения 1–200 нм), одновременно со становлением таких областей, как оптическая наносенсорика и оптическое наноманипулирование на чипах. Особой характеристикой нанобиофотоники является возможность использования так называемой неинвазивной природы поглощения света для наносенсорики единичных живых клеток. Существенным преимуществом нанобиофотонных технологий является почти полный охват ими многих наноаналитических и прикладных направлений исследований, возникших в последние годы

Список использованной литературы

• Дыкман Л.А., Богатырев В.А., Щеголев С.Н., Хлебцов Н.Г. (2008) Золотые наночастицы: синтез, свойства, биомедицинское применение. Найка, Москва, 318 с.
• Залесский В.Н. (2009) Наномолекулярная медицина: современные биотехнологии наномолекулярной диагностики, лучевые томографические методы визуализации, наномодифицированная клеточная и лекарственная терапия. ВИПОЛ, Київ, 320 с.
• Залесский В.Н. (2010) Лазерная медицина на рубеже XX–XXI веков. ВИПОЛ, Київ, 896 с.
• Залесский В.Н., Мовчан Б.А. (2012) Персонализированная медицина: перспективы использования нанобиотехнологий. Укр. мед. часопис, 1(87): 38–42.
• Ходонов А.А., Лаптев А.В., Лукин А.Ю. и др. (2011) Гибридные аналоги ретиноидов как инструменты для исследования в области нанобиофотоники. Вестн. МИТХТ, 2(6): 15–36.
• Alvarez-Lorenzo C., Bromberg L., Concheiro A. (2009) Light-sensitive intelligent drug delivery systems. Photochem. Photobiol., 85(4): 848–860.
• Ahmadi A., Mosallaei H. (2010) Plasmonic nanoloop array antenna. Opt. Lett., 35(21): 3706–3708.
• Arima Y., Teramura Y., Takiguchi H. et al. (2009) Surface plasmon resonance and surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy for sensitive detection of tumor markers. Methods Mol. Biol., 503: 3–20.
• Arayanarakool R., Shui L., van den Berg A., Eijkel J.C. (2011) A new method of UV-patternable hydrophobization of micro- and nanofluidic networks. Lab. Chip., 11(24): 4260–4266.
• Assefa S., Xia F., Vlasov Y.A. (2010) Reinventing germanium avalanche photodetector for nanophotonic on-chip optical interconnects. Nature, 464(7285): 80–84.
• Aslan K., Lakowicz J.R., Geddes C.D. (2005) Plasmon light scattering in biology and medicine: new sensing approaches, visions and perspectives. Curr. Opin. Chem. Biol., 9(5): 538–544.
• Bantz K.C., Meyer A.F., Wittenberg N.J. et al. (2011) Recent progress in SERS biosensing. Phys. Chem. Chem. Phys., 13(24): 11551–11567.
• Barachevsky V.A., Khodonov A.A., Belikov N.E. et al. (2012) Properties of photochromic retinals. Dyes Pigm., 92(2): 831–837.
• Barnes W.L. (2011) Metallic metamaterials and plasmonics. Philos. Transact. A Math. Phys. Eng. Sci., 369(1950): 3431–3433.
• Bellan L.M., Wu D., Langer R.S. (2011) Current trends in nanobiosensor technology. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol., 3(3): 229–246.
• Benson O. (2011) Assembly of hybrid photonic architectures from nanophotonic constituents. Nature, 480(7376): 193–199.
• Brown C.T., Deckert V., Sergeev A.M., Zheltikov A.M. (2010) Nanobiophotonics: photons that shine their light on the life at the nanoscale. J. Biophotonics, 3(10/11): 639–640.
• Cabrini S., Kawata S. (Eds.) (2012) Nanofabrication Handbook. CRS Press, 536 p.
• Chan I.S., Ginsburg G.S. (2011) Personalized medicine: progress and promise. Annu. Rev. Genomics Hum. Genet., 12: 217–244.
• Choi J., Yang J., Jang E. et al. (2011) Gold nanostructures as photothermal therapy agent for cancer, Anticancer Agents Med. Chem., 11(10): 953–964.
• Cubeddu R., Bassi A., Comelli D. et al. (2011) Photonics for life. IEEE Pulse, 2(3): 16–23.
• Cullum B.M., Vo-Dinh T. (2000) The development of optical nanosensors for biological measurements. Trends Biotechnol., 18(9): 388–393.
• Dong H., Zhu H., Meng Q. et al. (2012) Organic photoresponse materials and devices. Chem. Soc. Rev., 41(5): 1754–808.
• Downes A., Mouras R., Elfick A. (2010) Optical spectroscopy for noninvasive monitoring of stem cell differentiation. J. Biomed. Biotechnol., 2010: 101864.
• Duerr F., Meuret Y., Thienpont H. (2011) Tracking integration in concentrating photovoltaics using laterally moving optics. Opt. Express., 19 (suppl. 3): A207–A218.
• El Beheiry M., Liu V., Fan S., Levi O. (2010) Sensitivity enhancement in photonic crystal slab biosensors. Opt. Express, 18(22): 22702–22714.
• Ehlers J.P., Tao Y.K., Farsiu S. et al. (2011) Integration of a spectral domain optical coherence tomography system into a surgical microscope for intraoperative imaging. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 52(6): 3153–3159.
• Erickson D., Serey X., Chen Y.F., Mandal S. (2011) Nanomanipulation using near field photonics. Lab. Chip, 11(6): 995–1009.
• Eskelinen E.L., Illert A.L., Tanaka Y. et al. (2002) Role of LAMP-2 in lysosome biogenesis and autophagy. Mol. Biol. Cell, 13(9): 3355–3368.
• Fazal F.M., Block S.M. (2011) Optical tweezers study life under tension. Nat. Photonics, 5: 318–321.
• Felbacq D. (2011) Commentary: Quantum way for metamaterials. J. Nanophoton.,5: 050302–050303.
• Flory F., Escoubas L., Berginc G. (2011) Optical properties of nanostructured materials: a review. J. Nanophoton., 5: 052502.
• Franz T., Furrer F., Werner R.F. (2011) Extremal quantum correlations and cryptographic security. Phys. Rev. Lett., 106(25): 250502.
• Gai X., Han T., Prasad A. et al. (2010) Progress in optical waveguides fabricated from chalcogenide glasses. Opt. Express, 18(25): 26635–26646.
• Garcia-Parajo M.F. (2012) The role of nanophotonics in regenerative medicine. Methods Mol. Biol., 811: 267–284.
• Gaponenko S.V. (Ed.) (2010) Introduction to nanophotonics. Tokyo, CambridgeUniversity Press, 484 p.
• Geho D.H., Killian J.K., Nandi A. et al. (2007) Fluorescence-based analysis of cellular protein lysate arrays using quantum dots. Methods Mol. Biol., 374: 229–237.
• Gerhardt I., Liu Q., Lamas-Linares A. et al. (2011) Full-field implementation of a perfect eavesdropper on a quantum cryptography system. Nat. Commun., 2: 349.
• Greulich K.O., Bauder V., Monajembashi S. et al. (1989) Laser Mikrostrahl und optische Pinzette, Labor 2000: 36–46.
• Greulich K.O. (2007) Selected applications of laser scissor and tweezers and new applications in heart research. Berus M.W., Greulich K.O. (Eds). Laser Manipulation of Cells and Tissues. New York, Academic Press, 59–80.
• Gyu-Chul Yi (Ed.) (2012) Semiconductor Nanostructures for Optoelectronic Devices: Processing, Characterization and Applications (NanoScience and Technology. New York, Springer, 349 p.
• Hatab N.A., Hsueh C.H., Gaddis A.L. et al. (2010) Free-Standing optical gold bowtie nanoantenna with variable gap size for enhanced Raman spectroscopy. Nano Lett., Nov. 19 [Epub. ahead of print].
• He Y., Wang B., Dukor R.K., Nafie L.A. (2011) Determination of absolute configuration of chiral molecules using vibrational optical activity: a review. Appl. Spectrosc., 65(7): 699–723.
• Hsieh H.S., Feng K.M., Lee M.C. (2010) Study of cross-phase modulation and free-carrier dispersion in silicon photonic wires for Mamyshev signal regenerators. Opt. Express, 18(9): 9613–9621.
• Huang X., Jain P.K., El-Sayed I.H., El-Sayed M.A. (2008) Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles. Lasers Med. Sci., 23(3): 217–228.
• Hughes R., Nordholt J. (2011) Physics. Refining quantum cryptography. Science, 333(6049): 1584–1586.
• Hwang W.S., Sim S.J. (2011) A strategy for the ultrasensitive detection of cancer biomarkers based on the LSPR response of a single AuNP. J. Nanosci. Nanotechnol., 11(7): 5651–5656.
• Ibraheem A., Campbell R.E. (2010) Designs and applications of fluorescent protein-based biosensors. Curr. Opin. Chem. Biol., 14(1): 30–36.
• Jiang L., Sun Y., Huo F. et al. (2012) Free-standing one-dimensional plasmonic nanostructures. Nanoscale, 4(1): 66–75.
• Kalyanasundaram K., Zakeeruddin S.M., Grätzel M. (2011) Photonic and optoelectronic devices based on mesoscopic thin films. Chimia, 65(9): 738–742.
• Khlebtsov B., Khlebtsov N. (2008) Enhanced solid-phase immunoassay using gold nanoshells: effect of nanoparticle optical properties. Nanotechnology, 19(43): 435703.
• Kekatpure R.D., Hryciw A.C., BarnardE.S., Brongersma M.L. (2009) Solving dielectric and plasmonic waveguide dispersion relations on a pocket calculator. Opt. Express, 17(26): 24112–24129.
• Kimble H.J. (2008) The quantum internet. Nature, 453(7198): 1023–1030.
• Kohiki S., Okada K., Mitome M. et al. (2011) Magnetic and magnetoelectric properties of self-assembled Fe(2.5)Mn(0.5)O(4) nanocrystals. ACS Appl. Mater. Interfaces, 3(9): 3589–3593.
• Kumaran R., Webster S.E., Penson S. et al. (2009) Epitaxial neodymium-doped sapphire films, a new active medium for waveguide lasers. Opt. Lett., 34(21): 3358–3360.
• Kurosaka Y., Iwahashi S., Liang Y. et al. (2010) On-chip beam-steering photonic distal lasers. Nat. Photon, 4: 447–450.
• Lasogga L., Rettig W., Otto H. et al. (2010) Model systems for the investigation of the opsin shift in bacteriorhodopsin. J. Phys. Chem. A., 114(5): 2179–2188.
• Lee N., Benichi H., Takeno Y. et al. (2011) Teleportation of nonclassical wave packets of light. Science, 332(6027): 330–333.
• Lee S.E., Lee L.P. (2010) Biomolecular plasmonics for quantitative biology and nanomedicine. Curr. Opin. Biotechnol., 21(4): 489–497.
• Lee D.E., Koo H., Sun I.C. et al. (2012) Multifunctional nanoparticles for multimodal imaging and theragnosis. Chem. Soc. Rev., 41(7): 2656–2672.
• Leng H.Y., Yu X.Q., Gong Y.X. et al. (2011) On-chip steering of entangled photons in nonlinear photonic crystals. Nat. Commun., 2: 429.
• Leproux A., van der Voort M., van der Mark M.B. et al. (2011) Optical mammography combined with fluorescence imaging: lesion detection using scatterplots. Biomed. Opt. Express, 2(4): 1007–1020.
• Li P., Duan X., Chen Z. et al. (2011) A near-infrared fluorescent probe for detecting copper(II) with high selectivity and sensitivity and its biological imaging applications. Chem. Commun., 47(27): 7755–7757.
• Liu Y., Xu H., Stief F. et al. (2011) Far-field superfocusing with an optical fiber based surface plasmonic lens made of nanoscale concentric annular slits. Opt. Express, 19(21): 20233–20243.
• Lo S.S., Mirkovic T., Chuang C.H. et al. (2011) Emergent properties resulting from type-II band alignment in semiconductor nanoheterostructures. Adv. Mater., 23(2): 180–197.
• Matharoo I., Peshko I., Goldenberg A. (2011) Robotic reconnaissance platform. I. Spectroscopic instruments with rangefinders. Rev. Sci. Instrum., 82(11): 113107.
• Mastichiadis C., Petrou P.S., Christofidis I. et al. (2009) Bulk fluorescence light blockers to improve homogeneous detection in capillary-waveguide fluoroimmunosensors. Biosens. Bioelectron., 24(8): 2735–2739.
• Masuko T., Ohno Y., Masuko K. et al. (2011) Towards therapeutic antibodies to membrane oncoproteins by a robust strategy using rats immunized with transfectants expressing target molecules fused to green fluorescent protein. Cancer Sci., 102(1): 25–35.
• Mazza D., Stasevich T.J., Karpova T.S., McNally J.G. (2012) Monitoring dynamic binding of chromatin proteins in vivo by fluorescence correlation spectroscopy and temporal image correlation spectroscopy. Methods Mol. Biol., 833: 177–200.
• Mestroni L., Taylor M.R. (2011) Pharmacogenomics, personalized medicine, and heart failure. Discov. Med., 11(61): 551–561.
• Mittal R., Bruchez M.P. (2011) Biotin-4-fluorescein based fluorescence quenching assay for determination of biotin binding capacity of streptavidin conjugated quantum dots. Bioconjug Chem., 22(3): 362–368.
• Mochizuki-Oda N., Kataoka Y., Cui Y. et al. (2002) Effects of near-infra-red laser irradiation on adenosine triphosphate and adenosine diphosphate contents of rat brain tissue. Neurosci. Lett., 323(3): 207–210.
• Ning Xi, King Lai (Eds) (2011) Nano-Optoelectronic Sensor and Devices, Elsevier, 224 p.
• Nienhaus G.U., Wiedenmann J. (2009) Structure, dynamics and optical properties of fluorescent proteins: perspectives for marker development. Chemphyschem., 10(9/10): 1369–1379.
• Ohtsu M. (Ed.) (2011) Progress in Nano-Electro-Optics: Nanophotonic Fabrications, Devices, Systems and their Theoretical Bases. New York, Springer, 202 p.
• Oleǐnikov V.A. (2011) Semiconductor fluorescent nanocrystals (quantum dots) in biological biochips. Bioorg. Khim., 37(2): 171–189.
• O’Neill M., Kelly S.M. (2011) Ordered materials for organic electronics and photonics. Adv. Mater., 23(5): 566–584
• Pang Z., Gao H., Yu Y. et al. (2011) Brain delivery and cellular internalization mechanisms for transferrin conjugated biodegradable polymersomes. Int. J. Pharm., 415(1–2): 284–292.
• Peng H.I., Miller B.L. (2011) Recent advancements in optical DNA biosensors: exploiting the plasmonic effects of metal nanoparticles. Analyst., 136(3): 436–447.
• Pliss A., Kuzmin A.N., Kachynski A.V., Prasad P.N. (2010) Biophotonic probing of macromolecular transformations during apoptosis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107(29): 12771–12776.
• Pine P.S. (2010) Overview of laser microbeam applications as related to antibody targeting. Methods Mol. Biol., 588: 203–217.
• Polo J.A. Jr., Lakhtakia A. (2011) Surface electromagnetic waves, Laser Photonics Rev., 5: 234–245.
• Popescu G. (Ed.) (2010) Nanobiophotonics. New York, McGraw-Hill, 432 p.
• Prasad P.N. (2004) Nanophotonics. Hoboken, Wiley, 432 p.
• Rafat M., Popelier P.L. (2007) Visualization and integration of quantum topological atoms by spatial discretization into finite elements. J. Comput. Chem., 28(16): 2602–2617.
• Ray P.C., Yu H., Fu P.P. (2011) Nanogold-based sensing of environmental toxins: excitement and challenges. J. Environ. Sci. Health C. Environ. Carcinog. Ecotoxicol. Rev., 29(1): 52–89.
• Rosenblatt K.P., Huebschman M.L., Garner H.R. (2012) Construction and hyperspectral imaging of quantum dot lysate arrays. Methods Mol. Biol., 823: 311–324.
• Rocha F.R., Reis B.F., Rohwedder J.J. (2001) Flow-injection spectrophotometric multidetermination of metallic ions with a single reagent exploiting multicommutation and multidetection. Fresenius J. Anal. Chem., 370(1): 22–77.
• Romanov S.G., Korovin A.V., Regensbur­ger A., Peschel U. (2011) Hybrid colloidal plasmonic-photonic crystals. Adv. Mater., 23(22–23): 2515–2533.
• Roco M.C., Williams S., Alivisatos P. (1999) Nanotechnology Research Directions: Vision for Nanotechnology in the Next Decade. IWGN Workshop Report (http://www.wtec.org/loyola/nano/IWGN.Research.Directions).
• Salvador J.P., Kreuzer M.P., Quidant R. et al. (2012) Nanobiosensors for in vitro and in vivo analysis of biomolecules. Methods Mol. Biol., 811: 207–221.
• Sadik O.A., Zhou A.L., Kikandi S. et al. (2009) Sensors as tools for quantitation, nanotoxicity and nanomonitoring assessment of engineered nanomaterials. J. Environ. Monit., 11(10): 1782–1800.
• Serdiuk I.N., Deriusheva E.I. (2011) Biophysics of single molecules. Biofizika, 56(5): 899–927.
• Senanayake P., Hung C. H., Shapiro J. et al. (2011) Surface plasmon-enhanced nanopillar photodetectors. Nano Lett., 11(12): 5279–5283.
• Shen H., Maes B. (2011) Combined plasmonic gratings in organic solar cells. Opt. Express, 19 (suppl. 6): A1202–A1210.
• Shchukin D.G., Möhwald H. (2011) Smart nanocontainers as depot media for feedback active coatings. Chem. Commun., 47(31): 8730–8739.
• Sherwood-Droz N., Lipson M. (2011) Scalable 3D dense integration of photonics on bulk silicon. Opt. Express, 19(18): 17758–17765.
• Son J.S., Yu J.H., Kwon S.G. et al. (2011) Colloidal synthesis of ultrathin two-dimensional semiconductor nanocrystals. Adv. Mater., 23(28): 3214–3219.
• Song H., Kim K., Lee J. (2011) Development of optical fiber Bragg grating force-reflection sensor system of medical application for safe minimally invasive robotic surgery. Rev. Sci. Instrum., 82(7): 074301.
• Stepanenko O.V., Verkhusha V.V., Kuznetsova I.M. et al. (2008) Fluorescent proteins as biomarkers and biosensors: throwing color lights on molecular and cellular processes. Curr. Protein Pept. Sci., 9(4): 338–369.
• Stevenson D.J., Gunn-Moore F., Dholakia K. (2010) Light forces the pace: optical manipulation for biophotonics. J. Biomed. Opt., 15(4): 041503.
• Suh W.M., Seto A.H., Margey R.J. et al. (2011) Intravascular detection of the vulnerable plaque. Circ. Cardiovasc. Imaging, 4(2): 169–178.
• Ungureanu C., Kroes R., Petersen W. et al. (2011) Light interactions with gold nanorods and cells: implications for photothermal nanotherapeutics. Nano Lett., 11(5): 1887–1894.
• van de Ven S., Wiethoff A., Nielsen T. et al. (2010) A novel fluorescent imaging agent for diffuse optical tomography of the breast: first clinical experience in patients. Mol. Imaging Biol., 12(3): 343–348.
• Vo-Dinh T. (2005) Optical nanosensors for detecting proteins and biomarkers in individual living cells. Methods Mol. Biol., 300: 383–401.
• Vo-Dinh T., Yan F., Stokes D.L. (2005) Plasmonics-based nanostructures for surface-enhanced Raman scattering bioanalysis. Methods Mol. Biol., 300: 255–283.
• Wang J., Neaton J. B., Zheng H. et al. (2003) Epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures. Science, 299(5613): 1719–1722.
• Wang J.Y., Wu Q.F., Li J.P. et al. (2010) Photo-sensitive liposomes: chemistry and application in drug delivery. Mini Rev. Med. Chem., 10(2): 172–181.
• Washburn A.L., Bailey R.C. (2011) Photonics-on-a-chip: recent advances in integrated waveguides as enabling detection elements for real-world, lab-on-a-chip biosensing applications. Analyst., 136(2): 227–236.
• Wenger J., Rigneault H. (2010) Photonic methods to enhance fluorescence correlation spectroscopy and single molecule fluorescence detection. Int. J. Mol. Sci., 11(1): 206–221.
• Wu W., Zhou T., Aiello M., Zhou S. (2010) Construction of optical glucose nanobiosensor with high sensitivity and selectivity at physiological pH on the basis of organic-inorganic hybrid microgels. Biosens. Bioelectron., 25(12): 2603–2610.
• Yakimova R., Steinhoff G., Petoral R.M. Jr. et al. (2007) Novel material concepts of transducers for chemical and biosensors. Biosens. Bioelectron., 22(12): 2780–2785.

Адрес для переписки:
Залесский Вячеслав Николаевич
03151, Киев, ул. Народного ополчения, 5
Национальный научный центр «Институт кардиологии имени Н.Д. Стражеско» НАМН Украины