КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 19-75-10077
НазваниеМолекулярный имиджинг и оптическая томография с эндогенным контрастом: исследование фотофизических процессов и применение для биомедицинской диагностики
Руководитель Ширшин Евгений Александрович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва
Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография
Ключевые слова многофотонная томография, кожа, время-разрешенная флуориметрия, меланин, липофусцин, двухфотонное поглощение, окислительный стресс, ИК флуоресценция, биомедицинская диагностика
Код ГРНТИ76.03.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одним из трендов развития биомедицины и биомедицинской диагностики является молекулярный имиджинг, то есть, визуализация процессов в живом организме с использованием сигнала, селективно детектируемого от известного типа молекул. К методам молекулярного имиджинга можно отнести, в частности, МРТ, ПЭТ, КТ (в том числе, однофотонную эмиссионную компьютерную томографию, ОЭКТ), а также ряд оптических методов. В идеале, с помощью молекулярного имиджинга можно отследить локализацию и взаимодействие определенных молекул в организме (например, функционирование фермента в клетках опухоли в ответ на химиотерапию) с целью диагностики заболеваний и разработки лекарств. В большинстве случаев, для реализации молекулярного имиджинга используются экзогенные метки различной природы.
Несмотря на то, что глубина проникновения оптического излучения в биологическую ткань значительно меньше, чем для вышеуказанных методов, оптические методы используются для молекулярного имиджинга чрезвычайно широко. Данный факт связан с их высокими пространственным и временным разрешениями, а также с созданием новых типов меток (от генетически кодируемых флуоресцентных белков с эмиссией в различных спектральных диапазонах до всевозможных наночастиц). При этом применение экзогенных меток для неинвазивных исследований на человеке является по ряду причин затруднительным, что обуславливает ориентацию молекулярного имиджинга, в первую очередь, на модельные системы (клеточные культуры и лабораторных животных). В то же время, имеется очевидный запрос на методы неинвазивной диагностики патологических процессов в организме человека на молекулярном и клеточном уровне, поскольку они обладают рядом преимуществ в сравнении с «золотым стандартом» – гистологическими исследованиями. В связи с этим, имеется интерес к методам с эндогенным контрастом, то есть, подходам, в которых информативный сигнал детектируется от молекул, присутствующих в организме: в качестве ярких примеров можно привести гемоглобин как контраст в методе оптоакустической томографии и НАДН в методе флуоресцентной микроскопии. Одним из актуальных методов оптического молекулярного имиджинга, применимым для исследований на человеке in vivo и уже имеющим ряд клинических применений, является многофотонная томография (МФТ) с визуализацией времени затухания флуоресценции (Fluorescence Lifetime Imaging, FLIM).
Основным преимуществом МФТ/FLIM как метода молекулярного имиджинга является высокое пространственное (субмикронное) разрешение в совокупности с большей (в сравнении с конфокальной флуоресцентной микроскопией) глубиной проникновения в ткань (до 1 мм). Наиболее активно (с начала 2000-х годов) МФТ применяется в иммунологии, онкологических исследованиях, нейробиологии, при этом применяются различные экзогенные метки, позволяющие увеличить интенсивность сигнала, его специфичность и глубину имиджинга, и, в то же время, лимитирующие in vivo применения метода. В ряде работ показано, что использование только эндогенного сигнала позволяет не только визуализировать распределение молекул определенного типа в ткани с использованием МФТ, но и исследовать протекающие в ней биохимические процессы.
Научные задачи данного проекта стимулированы тем фактом, что на данный момент в МФТ используется лишь сигнал от ограниченного количества флуорофоров: так, в их число входят НАД(Ф)Н и ФАД (что лежит в основе метаболического имиджинга), меланин, коллаген, эластин и кератин. При этом имеются широкие перспективы для расширения возможностей МФТ, для чего необходимо проведение комплексного исследования, затрагивающего вопросы формирования сигнала при оптической томографии и фотофизических механизмов, ответственных за оптический отклик эндогенных флуорофоров, а также разработка методов селекции сигналов от эндогенных молекул-репортеров и верификация их применимости для биомедицинской диагностики. Данный проект посвящен развитию пяти новых направлений в флуоресцентном молекулярном имиджинге и оптической томографии, основанных на особенностях фотофизических процессов при многофотонном и однофотонном возбуждении флуорофоров, а также на особенностях механизмов формирования их оптических свойств:
1. Селективной визуализации пигментов с гетерогенной структурой – меланина, липофусцина, а также флуоресцентных продуктов гликирования.
2. Локализации сигнала от окисленных белков и продуктов окисления липидов в клетках эпидермиса и в соединительной ткани.
3. Разработке методов определения абсолютных концентраций флуорофоров с использованием нелинейных процессов.
4. Исследованию образования фотопродуктов при многофотонной томографии и возможности использования их сигнала для визуализации биохимических процессов.
5. Визуализации процессов с участием макрофагов при воспалительных процессах и заживлении ран с использованием специфичного сигнала флуоресценции, связанного с фагоцитозом.
Указанное направление является новым, и в случае успешного решения указанных задач будут значительно расширены возможности оптической томографии и молекулярного имиджинга в диагностике диабета (окисленные и гликированные белки), меланомы (определение локализации различных типов меланина), исследовании процессов окислительного стресса и старения, а также регенеративных процессов. При этом на основе фундаментальных исследований, выполненных с использованием МФТ, будут разрабатываться подходы к биомедицинской диагностики части вышеуказанных процессов с использованием более простых и дешевых методов флуоресцентной спектроскопии, в том числе, с использованием эндогенной флуоресценции в ИК области спектра.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ