КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-15-00325

НазваниеРазработка мультимодальной оптической диагностической технологии для анализа структурно-функционального состояния печени при чрескожной пункционной биопсии

РуководительДунаев Андрей Валерьевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева", Орловская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография

Ключевые словамалоинвазивная хирургия, абдоминальная хирургия, чрескожная пункционная биопсия печени, гепатоциты, гепатоцеллюлярная карцинома, биофотоника, биомедицинская инженерия, флуоресцентная спектроскопия, время жизни флуоресценции, спектроскопия диффузного отражения

Код ГРНТИ76.13.33


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы биологии и медицины, связанной с изучением энергетического метаболизма клеток в норме и при онкопатологии. Цель проекта заключается в научном обосновании новой диагностической технологии распознавания патологических изменений паренхимы печени при проведении чрескожной пункционной биопсии (ЧПБ) с использованием мультимодальной спектроскопии и интеллектуальных систем анализа данных. В структуре онкологической заболеваемости населения мира рак печени занимает шестое место среди наиболее часто диагностируемых видов онкопатологии и является четвертой из основных причин летальности от онкологических заболеваний. Злокачественные опухоли развиваются из клеток печени (гепатоцеллюлярная карцинома, гепатобластома, ангиосаркома, эмбриональная саркома, эпителиоидная гемангиоэндотелиома, саркома Капоши, лейомиосаркома, рабдомиосаркома, синовиальная саркома, холангиокарцинома, гепатохолангиоцеллюлярный рак, карциносаркома, недифференцированный рак), но чаще являются результатом метастазирования другой (первичной) опухоли иных органов, что связано с характером кровообращения и функцией печени в организме. Несмотря на высокий уровень смертности в более поздних стадиях развития онкопроцесса, уровень излечения может быть достаточно высоким, если болезнь выявлена на раннем этапе. Согласно современным медицинским взглядам, объективная верификация наличия и характера опухолевой патологии проводится лишь на основании данных гистологического и цитологического исследований, и ЧПБ остается золотым стандартом для диагностики злокачественного поражения печени. Однако, при проведении ЧПБ вероятность ложноотрицательных результатов может достигать 10 %. Это связано с получением неинформативного биоптата, гетерогенной структурой опухолей, нарушением методологии забора образцов ткани и, реже, с неправильной оценкой при проведении цитологического и гистологического исследований. Ошибки врача в получении информативного образца ткани обусловлены проблемами визуализации кончика пункционной иглы, физиологическим перемещением органов и непроизвольными движениями пациента во время проведения оперативного вмешательства. Таким образом, разработка новых методов повышения диагностической эффективности стандартной процедуры ЧПБ по-прежнему остается вопросом первостепенной важности с точки зрения своевременной диагностики и лечения рака. Улучшение технологии диагностического процесса и внедрение новых современных методов исследования могут не только позволить выявить патологические изменения на начальных этапах развития заболевания, но и предварительно оценить их резектабельность. Функциональное состояние культи печени после резекции зависит от ряда факторов, основным из которых является исходное перед операцией перфузионно-метаболическое состояние паренхимы печени. Именно от этого зависит развитие в послеоперационном периоде такого серьезного осложнения как печеночная недостаточность. Несмотря на многообразие существующих методов оценки функциональных резервов печеночной ткани, решение о возможности выполнения резекционного вмешательства принимается в большей степени на основании ориентировочных данных, а задача прогнозирования острой послеоперационной печеночной недостаточности до сих пор является актуальной. Предлагаемый в проекте подход к изучению характерных состояний энергетического метаболизма клеток печени в норме и при онкопатологии методами флуоресцентной спектроскопии с временным разрешением (определение времени жизни флуоресценции) и спектроскопии диффузного отражения позволит обосновать возможность разработки новой диагностической системы на основе интеллектуальных систем анализа данных, позволяющей не только повысить точность процедуры ЧПБ, но и оценить функциональные резервы паренхимы печени, окружающей опухоль, для определения степени гепатоцеллюлярной недостаточности, и таким образом прогнозировать течение послеоперационного периода после резекций печени. В рамках проекта предполагается решить следующие основные задачи: 1) исследовать изменения метаболического состояния клеточной культуры гепатоцитоподобных клеток и карциномы при различных условиях (аноксия, гипоксия, ацидоз) с целью более глубокого понимания процессов развития гепатоцеллюлярной недостаточности; 2) выявить взаимосвязь в изменении спектрально-временных характеристик срезов ткани с основными клиническими проявлениями и гистологическими особенностями патологических тканей; 3) сопоставить данные о перфузионно-метаболическом состоянии печени, полученные на основе методов спектроскопии в срезах ткани и измеренных in vivo в печени модельных животных с перевитой опухолью; 4) на основании проведенных исследований в клеточных культурах и срезах живых тканей обосновать комплекс диагностических параметров, измеряемых через тонкоигольный оптический зонд для ЧПБ печени; 5) разработать прототип устройства для проведения ЧПБ печени на основе мультимодальной спектроскопии; 6) провести пилотные клинические исследования мультимодальной оптической диагностической технологии для анализа структурно-функционального состояния печени при ЧПБ. Таким образом, будут получены новые для науки данные о перфузионно-метаболических изменениях в паренхиме печени при раке на клеточном, тканевом и органном уровне, с расшифровкой возможных механизмов наблюдаемых изменений. Эти результаты лягут в основу разработки диагностической технологии распознавания патологических тканей, а также оценки функционального состояния паренхимы печени при проведении ЧПБ на основе мультимодальной спектроскопии и интеллектуальных систем анализа данных. Предлагаемый в проекте подход имеет первостепенное значение при определении стратегии лечения в каждом конкретном клиническом случае и играет решающую роль в переходе к персонализированной медицине.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется получение результатов, соответствующих мировому уровню исследований в области онкологии, а также разработки инструментария на основе биомедицинской оптики для прижизненной диагностики in vivo и in situ. Понимание механизмов метаболических изменений крайне важно как для фундаментальной науки, так и для применения в клинической практике. Будут получены данные об изменении метаболического состояния клеточной культуры гепатоцитоподобных клеток и карциномы, при различных условиях (аноксия, гипоксия, ацидоз). Будут предложены критерии оценки функциональных резервов печени. Будет проведен поиск взаимосвязей спектрально-временных характеристик ткани печени и опухоли in vitro и in vivo с основными клиническими проявлениями и гистологическими особенностями тканей модельных животных (на преклинической стадии разработки) и пациентов (на этапе пилотных клинических исследований). Будут предложены алгоритмы для оценки состояния опухолевых клеток и ткани печени в реальном масштабе времени на основе анализа данных флуоресцентной спектроскопии с временным разрешением и спектроскопии диффузного отражения с использованием интеллектуальных систем анализа данных. Раковые клетки имеют специфический по сравнению с нормальными клетками тип метаболизма. Такие факторы, как гипоксия, депривация глюкозы, накопление лактата и внеклеточный ацидоз, вносят большой вклад в прогрессирование опухоли, формируя специфическое микроокружение и определяя её метаболический фенотип. Однако влияние этой метаболической активности на окружающие ткани печени на сегодняшний день изучено недостаточно, так как существует очень ограниченное число методов, позволяющих оценить перфузионно-метаболические процессы в тканях in vivo. В результате выполнения проекта будет разработана методологическая база для эффективной диагностики перфузионно-метаболических изменений в тканях печени на основе регистрации сигналов флуоресцентной спектроскопии с временным разрешением эндогенных флуорофоров тканей и спектроскопии диффузного отражения in vivo и в реальном масштабе времени. Это позволит надежно отличать опухолевую и неизмененную ткани, получать адекватный целевой (диагностически информативный) образец для гистологического и цитологического анализа во время проведения ЧПБ, а также оценивать функциональные резервы паренхимы печени, окружающей опухоль. По результатам работы над проектом, будет рассмотрена возможность осуществить внедрение разработанной методологии в производственную деятельность ООО «БИОФОТОНИКА», ООО НПП «ЛАЗМА», ООО «НТЦ Волоконно-оптических Устройств», а также в медицинскую практику БУЗ Орловской области «Орловская областная клиническая больница» (в частности, в отделение рентгенохирургических методов диагностики и лечения). Полученные передовые новые знания и методики будут использованы в учебном процессе ОГУ имени И.С. Тургенева для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Биотехнические системы и технологии» и специалистов по направлению «Лечебное дело». Проведение предложенных фундаментальных научных исследований позволит получить и развить компетенции, способные в дальнейшем обеспечить развитие высокотехнологичного конкурентоспособного медицинского оборудования в РФ. Результаты, полученные в ходе проекта, будут опубликованы в ведущих российских и международных журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus и доведены до сведения мировой научной общественности на всероссийских и международных форумах по тематике проекта.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
За отчетный период получены следующие результаты: 1) Получены количественные данные оценки митохондриального мембранного потенциала, уровня NADH, FAD в клеточных культурах онколинии H33. 2) Разработана методика перфузирования печени с целью оценки оптических характеристик ткани для дальнейшего моделирования взаимодействия света и тканей в разработке новых оптических диагностических технологий, а также для получения культуры гепатоцитов. 3) Оценено влияние онкологических процессов на метаболическое состояние окружающих тканей печени. 4) Проведена оценка продукции АФК и системы антиоксидантной защиты ткани печени и гепатоцеллюлярной карциномы Н33. 5) Получены количественные данные параметров времени жизни флуоресценции в клеточных культурах онколинии H33 с использованием методов флуоресцентной микроскопии. 6) Разработана методика изготовления оригинального оптического фантома для верификации измерений флуоресценции PPIX в опухолях. 7) Разработана методология мультимодальной оптической диагностики микроциркуляторно-тканевых систем организма человека, базирующаяся на методе синтеза биотехнической системы. 8) Разработана экспериментальная установка для проведения измерений параметров времени жизни флуоресценции через тонкоигольный зонд совместно с измерениями параметров диффузного отражения. 9) Проведены совместные количественные измерения параметров времени жизни флуоресценции и диффузного отражения через тонкоигольный зонд, а также оценена их точность. 10) Получены следующие результаты интеллектуальной деятельности: опубликовано 7 работ, в том числе 4 публикации из баз данных Scopus и Web of Science, 1 из которых в журнале уровня Q1. О результатах проекта доложено на следующих конференциях: - I-ая международная научно-практическая конференция имени академика Е.В. Шмидта «Инженерные решения и цифровые технологии в биологии, медицине и приборостроении» (9 апреля 2021, Карачев, онлайн); - XXX Международная научно-техническая конференция «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (14-20 сентября 2021, Алушта); - XXV международная конференция «Saratov Fall Meeting 2021» (27 сентября – 1 октября 2021, Саратов, онлайн); - Международная конференция EExPolytech-2021: Electrical Engineering and Photonics (14-15 октября 2021, Санкт-Петербург, онлайн); - Научно-практическая конференция с международным участием, посвященная 35-летию ФГБУ «ГНЦ ЛМ им. О.К. Скобелкина ФМБА России» «ЛАЗЕРЫ В МЕДИЦИНЕ 2021» (15 октября 2021, Москва); - XIX Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике (9-13 ноября 2021, Самара, онлайн); - XXXIV Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы, измерительные устройства и робототехнические комплексы – Биомедсистемы-2021» (8-10 декабря 2021, Рязань, онлайн). Все заявленные в проекте работы выполнены в полном объеме: выбрано и закуплено необходимое оборудование; осуществлено исследование биоэнергетических процессов и окислительно-восстановительного гомеостаза опухоли, проведены преклинические и пилотные клинические исследования разработанного оборудования. В 2021 году командой проекта выполнены заявленные показатели по публикационной активности и сделан существенный задел для продолжения проекта. Сведения о данном проекте (объявления, новости, опубликованные статьи, постеры, фотографии экспериментальных исследований и т.д.) публикуются на сайте научно-технологического центра биомедицинской фотоники ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева», а также в соответствующих аккаунтах Instagram и YouTube по адресам: http://www.bmecenter.ru https://www.instagram.com/biomedical_photonics https://www.youtube.com/user/BmeCenterOrel Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: 1. Участие студентов в I-ой международной научно-практической конференции имени академика Е.В. Шмидта (http://oreluniver.ru/media/news/show/1/10864) 2. Участие в XXV международной конференции «Saratov Fall Meeting 2021» (http://oreluniver.ru/media/news/show/1/11947) 3. Участие в международной конференции EExPolytech-2021: Electrical Engineering and Photonics (http://oreluniver.ru/media/news/show/1/12086) 4. Успешное выступление на Научно-практической конференции с международным участием "Лазеры в медицине 2021" (http://oreluniver.ru/media/news/show/1/12084) 5. Участие в XVIII Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (http://oreluniver.ru/media/news/show/1/12325)

 

Публикации

1. - Участие студентов в I-ой международной научно-практической конференции имени академика Е.В. Шмидта ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - ).

2. - Участие в XXV международной конференции «Saratov Fall Meeting 2021» ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - ).

3. - Участие в международной конференции EExPolytech-2021: Electrical Engineering and Photonics ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - ).

4. - Успешное выступление на Научно-практической конференции с международным участием "Лазеры в медицине 2021" ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - ).

5. - Участие в XVIII Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - ).

6. Голубова Н.В., Дрёмин В.В., Потапова Е.В., Шуплецов В.В., Дунаев А.В. Multimodal Laparoscopic System for Biological Tissue Perfusion and Metabolism Assessment 2021 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), С. 241-243. (год публикации - 2021).

7. Голубова Н.В., Поленов Н.И., Закураева К.А., Потапова Е.В., Дрёмин В.В., Ярмолинская М.И., Крутикова В.Ю., Дунаев А.В., Коган И.Ю. Интраоперационное исследование органов малого таза женской репродуктивной системы при лапароскопических вмешательствах с помощью флуоресцентной спектроскопии Биотехнические, медицинские и экологические системы, измерительные устройства и робототехнические комплексы – Биомедсистемы-2021: сб. тр. XXXIV Всерос. науч.-техн. конф. студ., мол. ученых и спец., 8-10 декабря 2021 г., С. 71-74. (год публикации - 2021).

8. Голубова Н.В., Потапова Е.В., Дрёмин В.В. Исследование изменения перфузии биотканей с помощью гиперспектральной лапароскопической системы Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Тезисы докладов XXX Междунар. науч.-техн. конф., 14-20 сентября 2021 г., Алушта., С. 49. (год публикации - 2021).

9. Дунаев А.В. Methodology of Microcirculatory-Tissue Systems Multimodal Optical Diagnostics Proceedings of SFM21 XXV Annual Conference Saratov Fall Meeting 2021 and IX Symposium on Optics and Biophotonics: Optical and Nano-Technologies for Biology and Medicine, - (год публикации - 2022).

10. Жеребцов Е.А., Потапова Е.В., Мамошин А.В., Шуплецов В.В., Кандурова К.Ю., Дрёмин В.В., Абрамов А.Ю., Дунаев А.В. Fluorescence Lifetime Needle Optical Biopsy Discriminates Hepatocellular Carcinoma Biomedical Optics Express, - (год публикации - 2021).

11. Мамошин А.В., Сумин Д.С., Кандурова К.Ю., Шуплецов В.В., Потапова Е.В., Дремин В.В., Жеребцов Е.А., Дунаев А.В. Внедрение оптических технологий для повышения эффективности пункционной биопсии при диффузных и очаговых поражениях печени Лазерная медицина, Т. 25, № 3S, с. 24. (год публикации - 2021).

12. Шуплецов В.В., Микенькина М.А., Жеребцов Е.А., Дрёмин В.В., Быков А.В., Потапова Е.В., Дунаев А.В., Меглинский И.В. Low-cost fabrication of PPIX liquid phantoms for use in fluorescence measurements Proceedings of SFM21 XXV Annual Conference Saratov Fall Meeting 2021 and IX Symposium on Optics and Biophotonics: Optical and Nano-Technologies for Biology and Medicine, - (год публикации - 2022).