Экспериментальный образец фемтосекундного лазерного «пинцет-скальпеля» создан в Объединенном институте высоких температур (ОИВТ) РАН. Прибор позволяет выполнять в полностью бесконтактном режиме наиболее деликатные и трудоемкие процедуры, требующие применения вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ).
До настоящего времени в клиниках ВРТ (старое название — клиники искусственного оплодотворения) для микрохирургии клеточного материала эмбриона использовали преимущественно механический, микроманипуляционный метод, обладающий рядом недостатков. Во-первых, требуется высокая квалификация специалиста-эмбриолога; во-вторых, всегда существует риск механического повреждения эмбриона, нарушения его стерильности — риск, который сводится к минимуму при использовании лазерной методики; и в-третьих, сами операции в целом — трудоемкие.
Не случайно на смену «скальпелю» и здесь пришел лазер. Еще несколько десятилетий назад стало возможным использование лазерных скальпелей в клеточной биологии и биологии развития. Первые эксперименты в этой области были поставлены на преимплантационных эмбрионах млекопитающих. В настоящее время лазерные скальпели широко применяются при изучении развития млекопитающих, а также в клинической практике. Ведущие ВРТ-клиники уже используют все преимущества бесконтактной лазерной микрохирургии.
Пока что в клинической практике лазерное излучение применяется в основном лишь на одном этапе процедуры биопсии, а именно для проделывания отверстия в оболочке эмбриона. Последующий забор клеточного материала осуществляется механическими средствами — вручную, с помощью микропипеток. Отсечение части клеток (биоптата) также в большинстве случаев осуществляется механически, хотя "активные" лазерные системы последнего поколения — с управляемым положением лазерного луча — позволяют решать и эту задачу.
Система Zylos-tk была первой разрешенной к использованию в США (2004 год), затем были разрешены системы Octax (2006) и Saturn Active (2008 год). При этом их применение было разрешено только для абляции (истончения малой области прозрачной оболочки эмбриона) и с разрешения пациента.
Отличительной особенностью этих лазерных систем является большая длительность лазерного импульса — микро- и даже миллисекунды. Воздействие лазерного импульса на объект сопровождается поглощением лазерного излучения в области фокусировки, нагревом этой области, а также неизбежным — в силу теплопроводности тканей — контролируемым переносом тепла в прилегающую область. При этом температура в прилегающей зоне диаметром несколько микрометров может достигать нескольких десятков и даже сотни градусов. Программное обеспечение одного из производителей позволяет даже рассчитать температуру вне области лазерной фокусировки при заданных параметрах – энергии лазера и длительности импульса. Рассчитанные изотермы в виде концентрических окружностей накладываются прямо поверх изображения биологического объекта (эмбриона), что позволяет специалисту-эмбриологу оценить планируемое термическое воздействие на эмбрион.
Особые надежды сегодня связывают с фемтосекундными лазерами. Ультракороткая длительность лазерного импульса в сочетании с малой энергией делают его уникальным при воздействии на биологические объекты: малая энергия означает малый нагрев, а следовательно, максимальную безопасность. Вследствие гигантской пиковой мощности в основе воздействия фемтосекундных лазерных импульсов лежат нелинейные оптические эффекты, за счет которых достигается высокая точность проводимых процедур. Кроме того, минимизируется риск повреждения живых тканей и клеток, так как вне области воздействия сфокусированного лазерного пучка излучение практически не поглощается, а ткани не нагреваются.
Механизм фемтосекундного лазера лежит в основе комбинированной системы «фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель», экспериментальный образец которой разработан и создан в ОИВТ РАН. Система представляет собой совокупность двух лазерных инструментов: оптического пинцета на основе непрерывного лазера и скальпеля на основе фемтосекундного лазера. Этот комплекс позволяет выполнять процедуры в полностью бесконтактном режиме (без использования микропипеток, холдеров, игл), сохраняя тем самым стерильность и снижая риск заражения и повреждения эмбриона. При помощи данного комплекса уже не раз успешно проводили биопсию полярного тельца в полностью бесконтактном режиме. Последние разработки связаны с автоматизацией процедур вспомогательного хэтчинга и биопсии трофэктодермы эмбриона — трудоемких операций, проводимых в клиниках ВРТ.
Данная разработка была поддержана Минобрнауки в 2014-15 годах, а ее авторы получили премию Правительства Москвы для молодых ученых в 2016 году.