Учёные создали метод 3D-картирования температуры в живых тканях с помощью света и ИИ

Трёхмерная (3D) термальная визуализация in vivo. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-59681-7

Группа исследователей из Университета Ка' Фоскари (Венеция) и Автономного университета Мадрида разработала революционный метод трёхмерного картирования температуры внутри биологических тканей с использованием невидимого света и искусственного интеллекта.

Этот подход, опубликованный в журнале Nature Communications, может изменить способы мониторинга температуры внутри человеческого тела, потенциально улучшив раннее выявление заболеваний и контроль лечения без необходимости в дорогостоящих или инвазивных технологиях визуализации.

«Мы превращаем оптические искажения, которые обычно считаются проблемой, в источник информации», — говорит Риккардо Марин, доцент Ка' Фоскари и один из ведущих авторов исследования. «С этим методом мы можем определить как температуру ткани, так и её глубину под поверхностью».

Метод основан на люминесцентных нанотермометрах — ультрамалых частицах из сульфида серебра (Ag₂S), которые светятся в ближнем инфракрасном диапазоне при стимуляции светом. Цвет и интенсивность этого свечения зависят как от температуры частицы, так и от количества биологической ткани, через которую проходит свет.

Для расшифровки этих тонких спектральных изменений команда обучила двухслойную нейронную сеть на сотнях гиперспектральных изображений, собранных в различных условиях. В результате получилась модель, способная воссоздавать точные трёхмерные тепловые карты тканей даже в биологически сложных сценариях.

Эксперименты подтвердили способность системы обнаруживать температурные градиенты как в искусственных тканевых фантомах, так и в реальных биологических образцах. Исследователям также удалось визуализировать кровеносные сосуды у живого животного, что стало первым случаем удалённого трёхмерного теплового изображения высокого разрешения с использованием только света.

В отличие от традиционных методов, таких как фМРТ или ПЭТ-сканирование, требующих дорогостоящего оборудования и специальной подготовки, этот новый оптический метод портативен, безопаснее и значительно дешевле, что потенциально позволяет проводить диагностику даже вне больничных условий.

Помимо измерения температуры, те же принципы можно адаптировать для оценки других жизненно важных параметров, таких как концентрация кислорода и уровень pH, путём настройки оптических свойств наночастиц.

«Мы считаем, что это только начало», — добавляет Эрвин Шимендес, доцент и стипендиат программы Рамон-и-Кахаль в Автономном университете Мадрида. «Машинное обучение предлагает мощный инструмент для работы со сложностью реальных биологических систем — далеко за пределами возможностей традиционных моделей».

Исследование также подчёркивает ценность международного сотрудничества. Проект был начат во время работы Марина в Автономном университете Мадрида и включал участие Анны Ромелли, студентки Ка' Фоскари по программе Erasmus. Публикация совпала с возвращением Марина в Ка' Фоскари, его альма-матер, в рамках усилий университета по привлечению выдающихся исследователей и укреплению глобальных научных связей.

Перспективы: исследование внутренней жизни клеток

Эта работа закладывает основу для нового пятилетнего проекта под руководством Марина, который недавно получил грант в размере 1,5 млн евро (~135 млн рублей) на развитие технологий люминесцентного наносенсинга. Его проект MAtCHLESS будет разрабатывать сенсоры и системы визуализации нового поколения для мониторинга ключевых внутриклеточных параметров, таких как температура, pH и кислород, с беспрецедентной скоростью и разрешением.

Проект, реализуемый в Ка' Фоскари в тесном сотрудничестве с мадридскими коллегами, будет изучать функции как клеток млекопитающих, так и экстремофильных микроорганизмов, способных выживать в экстремальных условиях. Он направлен на достижение прорывов в медицинской диагностике, биотехнологиях и даже астробиологии, углубляя наше понимание жизни в экстремальных условиях — на Земле и, возможно, за её пределами.

Дополнительная информация: Liyan Ming et al, Luminescence-enabled three-dimensional temperature bioimaging, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-59681-7

Источник: Ca' Foscari University of Venice