Mana stāsta virsraksts ir ļoti īss – “Gaisma ādā”. Ceru, ka kolēģis Linards Skuja neapvainosies, ka esmu daļēji nozadzis viņa ideju, jo viņš pirms diviem gadiem uzstājās ar lekciju “Gaisma stiklā”.

Laikraksts "Zinātnes Vēstnesis" 11 (616), 2021. gada 20. decembris

GAISMA ĀDĀ –

LZA Lielās medaļas laureāts akadēmiķis Jānis Spīgulis

Mana stāsta virsraksts ir ļoti īss – “Gaisma ādā”. Ceru, ka kolēģis Linards Skuja neapvainosies, ka esmu daļēji nozadzis viņa ideju, jo viņš pirms diviem gadiem uzstājās ar lekciju “Gaisma stiklā”. Vēlos uzsvērt gaismu, jo gan vienā, gan otrā gadījumā ir pierādīts, ka gaisma ir izcils instruments zinātnieku rokās. Ar gaismas palīdzību varam iegūt ļoti vērtīgu informāciju gan par procesiem, kas notiek neorganiskajās vielās (kā stiklā), gan arī dzīvās dabas objektos, tostarp cilvēkos.

Tehnoloģijas, kas izmanto gaismu, mūsdienās mēģina apzīmēt ar vienu vārdu – “fotonika”. Ja runājam par gaismas tehnoloģijām attiecībā uz dzīviem objektiem, lietojam vārdu “biofotonika”. Šodien pastāstīšu, kā mums šajā virzienā ir klājies.

Taču vispirms aplūkošu jautājumu par zinātnes attiecībām ar medaļām, kas tomēr vairāk asociējas ar sportu (medaļas saņem čempioni). Kā ir zinātnē? Mana zinātnes definīcija ir apmēram šāda – tā ir balansēšana uz zināmā un nezināmā robežas, kaut kas pa vidu starp reliģiju, narkomāniju un infekcijas slimību. Kas reiz inficējies, to ir grūti izārstēt. Un to lieliski saprot politiķi – kāds jau pieminēja, ka kārtējo reizi budžetā pietrūka naudas zinātnei. Politiķi pat reizēm ciniski izsakās, ka izsalkums taču veicina jaunradi. Kā māksliniekiem – labākie darbi radīti, esot pusbadā. Arī no zinātniekiem varbūt pašu labāko var izspiest, ja viņi nav sevišķi labi paēduši.

Tagad par medaļām. Sportā medaļas piešķir tiem, kas ir pārspējuši sāncenšus saskaņā ar noteiktiem kritērijiem – punktiem, sekundēm, metriem, kilogramiem un tamlīdzīgi. Sportā visiem ir vienādi apstākļi un ir skaidri kritēriji, kurš ir pelnījis medaļu un kādu medaļu. Zinātnē ir citādi – tajā neskrien pa paralēliem celiņiem, un pētnieku komandas darbojas katra savā virzienā, turklāt motivācija nebūt nav pārspēt citus jebkādā veidā, bet drīzāk kopīgi ar citiem radīt kaut ko jaunu vai vismaz kaut ko noderīgu sabiedrībai.

Atceros sarunu ar akadēmiķi Agri Gailīti, kuru labi zina ne tikai fiziķi un kurš 20 gadu vadīja Salaspilī komandu, kas pirmo reizi pasaulē sekmīgi veica eksperimentu, kurš pierādīja, kā varētu veidoties Zemes magnētiskais lauks. Drīz pēc tam es viņu apsveicu, teikdams: “Malači, jūs bijāt pirmie!” Viņa atbilde mani pārsteidza: “Paklau, nav jau hipodroms. Nav jau jāskatās, kurš ir pirmais. Mēs savu darbu izdarījām kārtīgi un nonācām pie rezultāta, nav tik svarīgi – pirmie vai septītie. Tas jau ir sekundāri.”

Tāpēc vēlos uzsvērt, ka zinātnē čempionu nav, turklāt komandu sasniegumus nemaz nevar objektīvi salīdzināt. Tomēr komandu pārstāvjiem reizēm piešķir apbalvojumus un arī medaļas. Arī es esmu tikai komandas pārstāvis, un par šo komandu nedaudz vēlāk pastāstīšu. Protams, neliekuļošu – katra atzinība, pat nesapņojot par Latvijas Zinātņu akadēmijas Lielo medaļu, vairo pārliecību, ka kaut kas no tā, ko daru, ir tiešām izdevies.

Es šo infekciju saķēru, vēl būdams Latvijas Valsts universitātes fizmatu 4. kursa students 1971. gada septembrī, tātad apmēram pirms 50 gadiem. Tiku oficiāli pieņemts darbā uz noteiktu laiku par laborantu pusslodzē Latvijas Valsts universitātes Spektroskopijas problēmu laboratorijā (SPL). Šī laboratorija laika gaitā ir diezgan izaugusi un vairākkārt mainījusi nosaukumu, bet tā joprojām ir mana darbavieta. Galvenie virzieni, kuros esmu strādājis šajā pusgadsimtā, vienmēr bijuši saistīti ar gaismu un tās praktisko izmantojumu.

Manā pētnieka karjerā bijuši trīs lielāki posmi. Pirmais noslēdzās 1979. gadā ar kandidāta disertācijas aizstāvēšanu. Tajā pētīju atomu sadursmju procesu kinētiku, meklējot iespējas veidot aktīvās vides jauna veida lāzeriem. Nākamais posms jau bija “tuvāk zemei” – tie bija praktiski izpētes jautājumi par optoelektroniku un šķiedru optiku sakaru sistēmu elementiem un to izmantojumu. Šis laikposms beidzās ar Latvijas habilitētā doktora disertāciju. Sekoja trešais posms, par ko stāstīšu šodien, un tas bija saistīts ar biomedicīnisko optiku un biofotoniku. Praktiskais izmantojums šeit ir gaismas izmantošana medicīnā, galvenokārt diagnostikai un monitoringam. 

Viss sākās ar vienu nedēļu Oksfordā 1995. gadā. Man tika piešķirta Londonas Karaliskās biedrības stipendija uz sešiem mēnešiem, un jūlijā, kad stipendijas periods jau tuvojās beigām, parādījās iespēja apmeklēt vasaras skolu “Optika medicīnā”. Kaut arī iepriekšējos mēnešos biju diezgan daudz strādājis virzienos, kas saistīti ar optikas medicīnisko izmantojumu, tomēr šī nedēļa faktiski uzlika “punktu uz i”. Daudzas tēmas vēlāk kļuva par manu lekciju kursu vai vismaz to daļu nosaukumiem. Toreiz tur ieradās viss šā virziena pasaules zieds, un nedēļas laikā ieguvu ļoti daudz kvalitatīvu zināšanu. Kad atgriezos Rīgā, mani aicināja fizmatu fakultātē veidot jaunas maģistru studiju apakšprogrammas, un diezgan avantūristiski pieteicos vadīt Biomedicīniskās optikas apakšprogrammu. Laikposmā līdz 2007. gadam šo programmu absolvēja vairāk nekā 50 maģistrantu. Šobrīd gan tas viss ir iespiests četru kredītpunktu kursā “Biofotonika”, ko lasa Latvijas Universitātes (LU) fizikas maģistrantiem.

Diezgan drīz sapratu, ka nepietiek tikai stāstīt citiem, ko un kā pasaulē dara, bet jādara arī pašam, jāmācās no savas pieredzes. Pēc pāris gadiem izveidojās nelielā Biooptikas un šķiedru optikas grupa, kurā bija arī šīs apakšprogrammas maģistranti. Tā šobrīd ir izaugusi par LU Atomfizikas un spektroskopijas institūta (ASI) Biofotonikas laboratoriju. 2020. gadā laboratorijā jau bija ap 30 darbinieku (pusei ir doktora grāds), vienlaikus īstenojām 15 projektus un paguvām publicēt 29 SCOPUS rakstus, tostarp piecus – Q1 žurnālos. Laboratorijas budžets bija tuvu miljonam (~0,93 mlj. eiro), gandrīz tāds pats kā Izglītības un zinātnes ministrijas piešķirtais budžets LZA.

To var dēvēt par lokālpatriotismu, bet kopš 2000. gada, kad sākām aktīvi publicēties, 95% mūsu publikāciju un 96% patentu pieteikumos visi līdzautori bijuši no Latvijas, tātad esam nesuši Latvijas produktus pasaules tirgū. Galvenais mūsu interešu objekts ir cilvēka āda un tās optiskās īpašības (tāpēc arī šāds virsraksts), kā arī, kā šīs optiskās īpašības izmantojamas ādas klīniskajā diagnostikā un veselības parametru monitoringā.

Āda ir lielākais cilvēka orgāns. Tās laukums sasniedz pat divus kvadrātmetrus, un ādā rit apmēram piektā daļa no visām asinīm. Ādas uzbūve ir ļoti sarežģīta, jo tur ir arī matu saknes, sviedru un tauku dziedzeri un daudz kas cits. Āda piedalās temperatūras regulācijā, ūdens un sāļu apmaiņā, aizsargā iekšējos audus gan mehāniski, gan bioķīmiski, turklāt ādas receptori nodrošina mūsu sajūtas. Protams, ir svarīgi, lai āda būtu vesela. Mūsu jautājums ir, kā ar optikas metodēm varētu to veicināt.

Bioloģiski āda ir ļoti komplicēta – pat ap milimetra desmitdaļu plānajā epidermas kārtiņā ir četru dažāda veida šūnu slāņi, un ir arī daudzi citi elementi, ko pēta biologi. Cenšoties izmantot vienkāršotus modeļus, fiziķu uztverē āda visbiežāk sastāv no trim plakanparalēliem slāņiem – augšpusē ir epiderma jeb ārējais ādas slānis, tad dziļāk derma, un tai seko tauku slānis jeb hipoderma. Kas var notikt, ja gaisma krīt uz ādu? Pats vienkāršākais – krītošā gaisma atstarojas no ādas virsmas. Tas varbūt nav tik interesanti, bet gaisma spēj arī iespiesties ādā, un reizēm tas izdodas diezgan dziļi. Ādā var notikt gaismas izkliede, un gaisma, kas ir iestarota ādā, var arī atgriezties atpakaļ – notiek tā dēvētā difūzā atstarošanās. Protams, gaisma var arī pazust jeb tikt absorbēta ādā; ir arī iespēja, ka pēc tam gaisma tiek atkal izstarota fluorescences veidā. Centāmies izpētīt šīs divas optiskās parādības – difūzo atstarošanos un fluorescenci – un iegūt jaunu informāciju, kas varētu noderēt arī medicīnā.

Runājot par ādas absorbciju, ir molekulas, kas gaismu absorbē, un par tām varam kaut ko uzzināt, salīdzinot tās gaismas spektrus, kas krīt uz ādu, un tās, kas atgriežas no ādas pēc daudzkārtējas gaismas izkliedes. Ādā ir četras galvenās hromoforas jeb absorbētāji – ūdens (praktiski visās šūnās), melanīns, kas atrodas ādas epidermas slānī, un asins hemoglobīna (eritrocītu krāsvielas) divas modifikācijas – oksihemoglobīns un deoksihemoglobīns. Diviem pēdējiem ir nedaudz atšķirīgs absorbcijas spektrs, bet abos gadījumos pie sarkanās gaismas robežas ap 600 nanometriem abām šīm asins sastāvdaļām ļoti strauji samazinās absorbcija. Rezultātā veidojas tāds īpašs diapazons – tā dēvētais terapeitiskais vai diagnostiskais logs spektra laukā starp 600 un 1400 nanometriem, kurā absorbcijas varbūtība ir zema, bet izkliedes varbūtība – augsta. Šajā diapazonā varam sagaidīt samērā dziļu gaismas iespiešanos ādā, pat līdz vairākiem milimetriem. Zaļās gaismas absorbcija ir iedarbīgāka, salīdzinot ar sarkano. Interesanti, ka gaisma iespiežas zonā, kur atrodas virsējie ādas asinsvadi, turklāt zaļā gaisma var sasniegt tikai augšējos asinsvadus, bet sarkanā gaisma un tuvais infrasarkanais starojums jau spēj iespiesties daudz dziļāk.

Medicīnā šīs ādas optiskās īpašības izmanto dažādos veidos, piemēram, lāzeru akupunktūra biostimulācijai un lāzeru fotodinamiskā terapija onkoloģijā. Fototerapiju jeb gaismas terapiju plaši izmanto zīdaiņu dzeltes novēršanai, ar zilo gaismu sadalot ādas bilirubīna molekulas. Fototerapijas paveids ir arī dažādas sauļošanās tehnoloģijas, ieskaitot solārijus. To, ka gaisma spēj iespiesties vairākus milimetrus zem ādas, izmanto dažādu sporta traumu un sasitumu ārstēšanā, ar infrasarkano lāzeru starojumu lokāli uzsildot locītavas, šādi veicinot mikrocirkulācijas aktivizēšanos un līdz ar to ātrāku dzīšanu. Ar lāzeru palīdzību ir iespējams novērst dažādus kosmētiskus defektus, piemēram, tā dēvētās ugunszīmes, arī tetovējumus, kas pēdējā laikā ir īpaši aktuāli. Ar lāzerepilāciju var arī likvidēt nevēlamu apmatojumu. Šis stāsts būs par iespējām ar gaismu veikt diagnostiku vai veselības stāvokļa monitoringu.

Mūsu laboratorijā vēsturiski pirmā tika pētīta metode, kuras nosaukumu tajos laikos reti kurš spēja uzreiz izrunāt – fotopletizmogrāfija, ko mūsdienās plaši izmanto viedpulksteņos, lai mērītu pulsu un tā izmaiņas. Pamatprincips – gaismai iespiežoties nedaudz zem ādas virsmas līdz dermas slānim, kur artērijas pulsējot izplešas un saraujas, ar katru sirdspukstu nedaudz pieaug un pēc tam samazinās asins daudzums apgaismotajā zonā. Tas izraisa gaismas absorbcijas izmaiņas, kā rezultātā arī difūzi atstarotajā gaismā parādās pulsējoša komponente, ko var atdalīt un ātri noteikt pulsa biežumu, aritmiju vai vēl kādus asinsrites parametrus. Tehniski tas izdarāms visai vienkārši, izmantojot gaismas diodi, fotodiodi un attiecīgu elektronikas slēgumu, turklāt divos veidos – reģistrējot audiem cauri izgājušo vai arī no ādas difūzi atstaroto gaismu.

Pēdējā laikā strauji attīstās arī bezkontakta fotopletizmogrāfija, reģistrējot difūzi atstarotās gaismas signālus ar videokameru un nosakot pulsa parametrus no attāluma. Vēlāk pievērsāmies ādas difūzās atstarošanas cita veida pētījumiem – spektrometrijai, kinētikas mērījumiem, izmantojot pikosekunžu impulsu lāzerus, kā arī multispektrālai attēlošanai, uzņemot ādas veidojumu attēlus dažādās šaurās spektra joslās un pēc tam tos savstarpēji salīdzinot. Tā varam iegūt visai plašu informāciju par to, kas ir zem ādas un kādi procesi tur notiek. Trešā mūsu izmantotā optiskā parādība ir ādas fluorescence, tās spektrometrija un attēlošana, fotoizbalēšana un kinētika pikosekunžu diapazonā.

Kas tad ir izdarīts pa šiem gadiem? Ieskatīsimies mūsu laboratorijā izstrādātajos promocijas darbos, kuru tematika un rezultāti sniedz priekšstatu par paveikto. Līdz šim ir sekmīgi aizstāvēti 10 promocijas darbi, un ikviens doktorants ir sniedzis pietiekami nopietnu ieguldījumu ādas biofotonikas turpmākajā attīstībā.

Mans pirmais doktorants bija Renārs Erts. Viņš strādāja ar fotopletizmogrāfijas tēmu un izveidoja portatīvu ierīci, kurā bija dators, elektronika un kontaktzonde optisko signālu mērīšanai reāllaikā. Šādu koferīti varēja aiznest gan uz slimnīcu, gan uz sporta laukumu, gan citām vietām. Kontaktzondi varēja pievienot gan pirksta galā, kas ir tradicionāla mērījumu vieta, gan arī citās ķermeņa vietās. Dažiem cilvēkiem novērojām, ka sirsniņa pukst un tad viens sirds puksts vienkārši izkrīt, pēc tam atkal pukst tālāk. Kardiologs Andrejs Ērglis droši vien piekritīs, ka tas nav nekas traģisks, arī mūsu sadarbības ārsts Indulis Kukulis teica, lai nesatraucamies, bet mums, fiziķiem, tas likās ļoti savādi.

Vēl interesantas izmaiņas pulsācijas signālu formās ieraudzījām cilvēkiem pēc fiziskām slodzēm. Piemēram, vieglatlētiem pēc 100 metru skrējiena mērījām signālus, kuros reizēm pēc slodzes parādījās negaidīti pīķi, kas pēc laika izzuda. Nozīmīgākais Renāra darbā bija piedāvātā bilaterālās fotopletizmogrāfijas metode. Ideja diezgan vienkārša – sirds cilvēkam anatomiski ir apmēram ķermeņa vidū, un pie katra sirds puksta artēriju sistēmā izplatās tā dēvētais pulsa vilnis. Varam sagaidīt, ka pulsa vilnis sasniegs abu roku pirkstgalus vienlaikus, ja artēriju sistēma ir kārtībā; tas pats attiecas uz abu kāju īkšķiem. Savukārt, ja artērija ir vienā pusē bojāta, piemēram, izveidojies aizdambējums jeb stenoze, tad pulsa vilnis šajā pusē aizkavējas, izplatās lēnāk. Šādu aizkavēšanos tiešām konstatējām kāju stenozes pacientiem Paula Stradiņa klīniskajā slimnīcā. Izrādījās, ka viņiem ne tikai parādās šāda impulsu nobīde laikā, bet ka nobīdes ilgums labi korelē ar asinsspiediena atšķirībām dažādās ķermeņa vietās, ko slimnīcā nosaka ar standarta metodiku apmēram pusstundas laikā. Mūsu mērījumus var veikt daudz ātrāk – apmēram piecpadsmit līdz divdesmit sekunžu laikā. Par šo publicējām rakstu, kam pašlaik ir sešdesmit divi Google Scholar citējumi. Renārs dažus gadus pēc darba aizstāvēšanas sāka strādāt Rīgas Stradiņa universitātē, lai tur vadītu Fizikas katedru.

Otra mana doktorante tolaik bija Lāsma Gailīte, un arī viņa fotopletizmogrāfijas jomā attīstīja savu novitāti. Lāsma izveidoja iekārtu, ar kuru bija iespējams vienlaikus izsekot artēriju pulsācijām dažādos dziļumos zem ādas virsmas. Tas viņai izdevās, izmantojot piecus dažādus lāzerus. Gaismas iespiešanās dziļums ādā ir atkarīgs no krāsas jeb viļņu garuma, un šādi variējot ar dažādiem lāzeru viļņu garumiem, izdevās izpētīt asinsvadu pulsācijas gan pašā ādas virspusē, gan apmēram divu milimetru dziļumā zem ādas. Rezultātā izrādījās, ka dažādos dziļumos fizioloģiskās reakcijas ir dažādas. Piemēram, ja cilvēks aiztur elpu, pulsācijas virsējos asinsvados reaģē līdzīgi, bet dziļākajos asinsvados tomēr citādi. Lāsma pārcēlās uz Vāciju, un šis viņas publicētais darbs joprojām tiek plaši citēts.

Trešo promocijas darbu izstrādāja Uldis Rubīns. Viņš bija viens no mūsu grupas pirmajiem dalībniekiem, tad dažus gadus strādāja citur un vēlāk atgriezās. Jautājums bija par fotopletizmogrāfijas signālu formu, ja mērām šos signālus dažādās ķermeņa vietās. Izrādījās, ka signālu forma ļoti atšķiras, ja tos mēra, piemēram, no rokas, pieres un kakla artērijas. Tāpat atšķiras signālu formas, kas mērītas no tās pašas ķermeņa vietas, bet dažādiem cilvēkiem. Darba uzdevums bija to izskaidrot un izveidot modeļus, kā veidojas šie signāli. Uldis iedziļinājās dažādās iespējamās teorētiskās metodēs, tostarp arī salīdzinājumos ar signāliem elektronikas shēmās. Arī viņa publicētais darbs guvis gandrīz 100 citējumu.

Nākamais mans doktorants bija Aleksejs Ļihačovs, kurš pievērsās citai tēmai – ādas fluorescencei. Tas, ko viņš novēroja, sākotnēji likās eksperimenta defekts: ilgstoši uzņemot fluorescences spektru pie nemainīgas ierosmes, starojuma intensitāte visai jūtami samazinājās. Vēlāk izrādījās, ka tas nav ierīču vai mērīšanas defekts, bet gan objektīva parādība, proti, tā dēvētā fluorescences fotoizbalēšana. Aleksejs sāka to nopietni pētīt, uzņēma dažādus ādas fluorescences videoattēlus un veidoja no tiem parametriskas kartes dzišanas ātrumu sadalījumiem. Viņš un kolēģi iegāja vēsturē ar ādas “fotoatmiņas” efekta demonstrāciju. Iepriekš uzskatīja, ka zemas jaudas lāzeru apstarojums ādā nekādas izmaiņas nerada, bet izrādījās, ka pat šāda vāja apstarojuma vietā vēl nākamajā dienā ir novērojama pazemināta ādas fluorescences intensitāte, tātad ādas struktūra ar tikusi mainīta. Šādi gaismas “nospiedumi” ādā tika pētīti un rezultāti publicēti, turklāt arī ar pieklājīgu citējumu skaitu.

Nākamā promocijas darbu aizstāvēja Ilona Kuzmina, kas pievērsās ādas difūzās atstarošanas spektrometrijai. Spektri tika uzņemti no pacientu ādas jaunveidojumiem, izmantojot gan parastu spektrometru, gan hiperspektrālās attēlošanas kameru. Tie bija pirmie mēģinājumi klasificēt ādas patoloģiskos veidojumus pēc spektru analīzes. Ilonai izdevās pierādīt, ka korelācijās starp hemoglobīna un melanīna pieaugumu veidojumos ir iespējams izšķirt zonas, kas raksturīgas noteikta veida patoloģijai. Ir zona, kurā iekļaujas gandrīz visas mērītās melanomas, un zona, kurā iekļaujas dzimumzīmes jeb nevusi, vēl citā iekļaujas ādas asinsvadu veidojumi. Arī šis darbs tika gan publicēts, gan pietiekami labi citēts. Ilona joprojām strādā pie mums, un arī Uldis un Aleksejs joprojām mūsu laboratorijas vadošo speciālistu vidū.

Nākamo disertācija 2013. gadā aizstāvēja Edgars Kviesis-Kipge, kurš sākotnēji studēja ģeoloģijas bakalauros, pēc tam fizikas maģistros un arī doktora darbu aizstāvēja fizikā. Viņš ir “dzimis” radioelektroniķis un izveidojis lielāko daļu mūsu laboratorijas prototipa ierīču, piemēram, pirksta kontaktsensors ar radioraidītāju, lai fotopletizmogrāfijas signālus varētu uztvert no attāluma. Kaut kas līdzīgs tika iestrādāts cepurē, un uzliekot šādu cepuri galvā, līdz 10 metru attālumam varēja uztvert šā cilvēka sirdspukstus. Arī cimdā tika iestrādāti šādi raidoši sirdsdarbības sensori. Edgars izgatavoja ierīci ādas rekapilarizācijas laika noteikšanai, jo tas ir svarīgs jautājums mediķiem – cik ātri atjaunojas asinsrite pēc asinsvadu aizspiešanas. Izveidotas vēl dažādas ierīces, un Edgars joprojām ir galvenais mūsu maketierīču konstruktors un izgatavotājs.

Dainis Jakovels mums pievienojās no Rīgas Tehniskās universitātes (RTU) akadēmiķa Jura Dehtjara komandas. Pēc RTU bakalaura studijām medicīnas fizikā viņš izrādīja interesi par mūsu tematiku un sāka attīstīt laboratorijā ādas multispektrālās attēlošanas virzienu. Dainis to apguva, stažējoties Linšēpingas universitātē, un pie mums to izmantoja ādas hromoforu kartēšanai. Metožu pārbaudi Dainis veica uz savas ādas, izraisot ādas iekaisumu jeb eritēmu dažādos veidos. Pēc tam, analizējot hiperspektrālo attēlu datus, viņš attēloja oksihemoglobīna koncentrācijas sadalījumu ādā un izveidoja arī pirmās maketierīces vienkāršākiem attēlu mērījumiem tikai dažās spektra joslās, izmantojot nelielu kameru komplektā ar dažādu krāsu gaismas diodēm. Savā citētākajā publikācijā Dainis piedāvāja analītisku pieeju ādas hromoforu kartēšanai. Pēc disertācijas aizstāvēšanas Dainis sāka strādāt Vides risinājumu institūtā, kur ir viens no vadošajiem speciālistiem.

Nākamais mans doktorants bija Andris Grabovskis, kurš turpināja fotopletizmogrāfijas tēmu, bet attiecībā uz maģistrālajām jeb lielajām artērijām. Andris pētīja pulsa viļņu izplatīšanās ātrumu un to, kā tas saistās ar dažādām slimībām. Promocijas darba izstrādes laikā viņš daudz laika pavadīja vienā no drūmākajām vietām Latvijā – Rīgas Austrumu klīniskās universitātes slimnīcas intensīvās terapijas nodaļā, kurā regulāri ievieto sepses pacientus. Sepse ir daudz nāvējošāka slimība par Covid-19, tā ļoti strauji progresē, tāpēc ir ļoti svarīgi veikt agrīnu diagnostiku. Andris savos pirmajos pētījumos atrada zināmas korelācijas starp pulsa viļņa izplatīšanās ātrumu un sepses pacientu izdzīvošanas spēju. Pēc darba aizstāvēšanas Andris joprojām intensīvi strādā šajā virzienā, ir pieteicis un sekmīgi īstenojis vairākus projektus kopā apmēram miljons eiro vērtībā. Arī pašlaik viņš strādā pie projekta sepses izpētes un diagnostikas virzienā. 

Nākamā bija Ilze Ļihačova (pirmslaulības uzvārds: Diebele), un viņas darba novitāte bija tāda, ka pēc ilgstošiem pētījumiem Latvijas Onkoloģijas centrā, analizējot dažādu ādas veidojumu spektrālos attēlus, tika piedāvāts jauns algoritms melanomas atšķiršanai no citiem pigmentētiem ādas veidojumiem. Ilze piedāvāja izmantot spektrālos attēlus trijās viļņu garumu joslās – sarkanajā, zaļajā un tuvajā infrasarkanajā joslā. Viņas algoritms nodrošināja ap 90% jutību un specifiskumu, kas ir ļoti labi rādītāji dermatoloģijā. Ilzes darbam, kas tika publicēts 2012. gadā, pašlaik jau ir gandrīz 100 citējumu. Arī Ilze joprojām strādā mūsu laboratorijā.

Inga Saknīte aizstāvēja promocijas darbu 2015. gadā, un arī tas bija iepriekš maz pētītā virzienā. Līdz tam mēs vairāk strādājām spektra redzamajā daļā, savukārt Inga sāka pētīt ūdens absorbciju un dažādus ar ādas mitrumu saistītus procesus tuvajā infrasarkanajā spektra rajonā starp 700 un 1700 nanometriem. Reizēm arī neizdevās tas, kas bija sākotnēji iecerēts, bet kopumā tika veikti daudzi interesanti pētījumi, kuru rezultāti tika apkopoti, un darbs aizstāvēts. Inga vēlāk ieguva Fulbraita stipendiju un aizbrauca strādāt gadu Kalifornijā, kur viņu “pārtvēra” Vanderbilta universitātes dermatologi. Inga nostrādāja Nešvilā vēl četrus gadus, bet šobrīd viņa ir ieguvusi mūsu pēcdoktorantūras stipendiju un atsāk darbu Rīgā. Pētniece ar piecu gadu Amerikas darba pieredzi noteikti būs liels ieguvums mūsu laboratorijai.

Pēdējā disertāciju aizstāvēja Vanesa Lukinsone, kura arī iedibināja jaunu virzienu – pikosekunžu lāzeru ierosinātas ādas fluorescences kinētikas pētījumus. Viņa izveidoja visai sarežģītu mēriekārtu ar vairāku veidu lāzeriem, fotonu skaitīšanas detektoru un lāzerstaru skeneri, kas ļāva iegūt ādas fluorescences dzīves laiku sadalījuma attēlus. Vanesa pierādīja, ka ādas fotoizbalēšanas zonās mainās fluorescences dzīves laiks, kas norāda uz fluoroforu sastāva izmaiņām ādā. Arī viņa turpina darbu mūsu laboratorijā.

Vēl divas doktorantes ir ceļā uz aizstāvēšanos – Marta Laņģe un Ilze Ošiņa. Marta arī ir no Rīgas Tehniskās universitātes prof. J. Dehtjara komandas. Viņa gadu stažējās Hjūstonas medicīnas centrā, ASV, bet pirms tam aktīvi piedalījās projektā par ādas melanomas izpēti, izmantojot pašu izstrādātu diagnostiskas ierīces prototipu. Pašlaik Marta ir bērna kopšanas atvaļinājumā, taču ceru, ka Marta drīz atgriezīsies un pabeigs savu promocijas darbu.

Ilze arī strādā jaunā virzienā, analizējot ādas spektrālos attēlus, kas iegūti ļoti šauros spektra rajonos, kuri saspiesti līdz spektrāllīnijas platumam. Viņa piedalījās divu attiecīgu ierīču izstrādē – vienā ādas apgaismošanai izmantotas trīs lāzeru spektrāllīnijas, bet otrā četras. Rezultātā panākta ļoti augsta attēlu spektrālā izšķirtspēja, kas dod iespēju iegūt kvalitatīvus ādas hromoforu sadalījuma kartējumus. Te ir salīdzināts melanīna un abu hemoglobīnu sadalījums ādas pigmentētā un asinsvadu veidojumā ilustrācijai, ka labi spējam abus atšķirt.

Esam izveidojuši dažādas maketierīces, piemēram, SkImager jeb ādas attēlotāju. Savukārt melanomas ekspressdiagnostikas ierīce, kas izgatavota četros eksemplāros, tiek aprobēta arī Ungārijā. Ar iekārtām anestēzijas bezkontakta kontrolei, kas arī guvušas labas atsauksmes no mediķiem, var no attāluma noteikt brīdi, kad drīkst sākt operāciju. Vairākās iekārtās izmantoti viedtālruņi ar papildu aprīkojumu, kas nodrošina ādas multispektrālo un fluorescento attēlu iegūšanu. Šādas maketierīces tika ne vien izgatavotas, bet arī klīniski aprobētas. Varbūt tās neizskatās īpaši skaistas, bet ir pierādīts, ka tās visas labi funkcionē.

Kāds no tā labums mediķiem? Kādi varētu būt nozīmīgākie klīniskie lietojuma veidi? Lūk, tikai daži: ātra artēriju stenozes konstatēšana, dažāda dziļuma asinsvadu pulsāciju analīze, bezkontakta anestēzijas iedarbības kontrole, dažādu ādas fluoroforu atšķiršana, agrīna sepses diagnostika, ādas melanomas operatīva atpazīšana, pigmentu jeb hromoforu kartēšana ādas jaunveidojumos, kā arī medicīnas ierīču, piemēram, pulsoksimetru precizitātes uzlabošana, izmantojot eksperimentālo metodi fotonu noskrējiena ādā noteikšanai. Šīs divas pēdējās metodes LZA ierindoja starp pagājušā gada nozīmīgākajiem zinātnes sasniegumiem, ar ko ļoti lepojamies.

Apkopojot teikto, jāsaka, ka biofotonikas virziens Latvijā ir sekmīgi attīstījies un iedzīvojies Latvijas zinātnes ekosistēmā. Laboratorijas projektos ir izaugusi jauna pētnieku paaudze, kas šo virzienu attīsta turpmāk. Galvenais novēlējums viņiem – nebaidīties no jauniem izaicinājumiem, rast oriģinālus problēmu risinājumus un censties īstenot savas trakās idejas pat tad, ja “veselais saprāts” saka, ka tur nekas neiznāks. Pagaidām jārisina jautājums, kā mūsu piedāvātās koncepcijas un konstruktīvos risinājumus ievest līdz ikdienas klīniskajā praksē. Šāda veida tehnoloģiju pārnese nav viegls uzdevums, bet tas ir noteikti risināms tuvākā nākotnē.

Saku milzīgu paldies par atbalstu un auglīgu sadarbību visiem kolēģiem – gan no laboratorijas (arī tiem, kuri netika šeit pieminēti), gan no dažādām LU struktūrvienībām, sākot ar mūsu Atomfizikas un spektroskopijas institūtu un turpinot ar Cietvielu fizikas institūtu, Ķīmiskās fizikas institūtu, fizmatu un Bioloģijas fakultāti, tāpat kolēģiem no Rīgas Tehniskās universitātes, Elektronikas un datorzinātņu institūta un Biomedicīnas studiju un pētījumu centra. Paldies visiem mūsu sadarbības ārstiem un jo īpaši brīvprātīgajiem pacientiem, kuri ļāva uz sevis izmēģināt visas šīs ierīces, riskējot ar savu ādu zinātnes vārdā.

LU ASI Jāņu ielīgošanas pasākums 2019. gada 18. jūnijā. Foto: A. Lūcija-Frīdmane

Laikrakstam “Zinātnes Vēstnesis”
sagatavoja akadēmiķis Jānis Spīgulis