Оптическая тераностика гипергликемических осложнений

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 22-75-10088

НазваниеОптическая тераностика гипергликемических осложнений

Руководитель Дрёмин Виктор Владимирович, Кандидат технических наук

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

Конкурс №71 - Конкурс 2022 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; 05-601 - Физические воздействия в медицине

Ключевые слова синглетный кислород, лазерное излучение, прямая оптическая генерация, β-клетки, сахарный диабет, время жизни люминесценции, редокс-биология

Код ГРНТИ76.13.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
По данным Международной федерации диабета (IDF), проблема качественной диагностики и эффективного лечения сахарного диабета (СД) является одной из наиболее острых в современном здравоохранении. Проект предлагает совершенно новое применение фотонных технологий в рамках тераностической концепции лечения и диагностики осложнений СД. Выдвинутая концепция предполагает использование лазерного воздействия на β-клетки и ткани поджелудочной железы с прямой (без фотосенсибилизатора) оптической генерацией синглетного кислорода. Эта идея основана на недавних убедительных доказательствах того, что генерация синглетного кислорода в клетках может оказывать необычайно благотворное воздействие на их метаболизм. В проекте будут представлены доказательства гипотезы о том, что синглетный кислород оказывает положительное влияние на биоэнергетику митохондрий и что функция β-клеток поджелудочной железы по синтезу инсулина может быть восстановлена до нормальной. Это обеспечит терапию и компенсацию различных осложнений диабета, а также впервые покажет возможность восстановления функций β-клеток поджелудочной железы по синтезу инсулина. Проект продемонстрирует, что индуцированная лазером генерация синглетного кислорода в β-клетках приводит к увеличению мембранного потенциала митохондрий, активации NADH- и FADH-зависимого дыхания и стимулирует выработку АТФ в этих клетках. В рамках проекта будет разработана система мультимодальной оптической визуализации, позволяющая in vivo визуализировать островковые β-клетки, выявляя их распределение, жизнеспособность и функциональную активность. Предлагается объединить достижения в области визуализации времени жизни флуоресценции, гиперспектральных измерений и измерений динамического рассеяния света, что позволит проводить комплексный in vivo анализ функционального состояния β-клеток и окружающих тканей, включая мониторинг метаболической активности, оксигенации и кровотока.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Жарких Е.В., Дрёмин В.В., Дунаев А.В. Fluorescent Technology in the Assessment of Metabolic Disorders in Diabetes Biomedical Photonics for Diabetes Research, CRC Press, Florida, С. 197-212 (год публикации - 2022)
10.1201/9781003112099-9

2. Жарких Е.В., Новикова И.Н., Винокуров А.Ю., Потапова Е.В., Дрёмин В.В. State-of-the-Art Detection of Laser-induced Singlet Oxygen Saratov Fall Meeting 2022, Optical Technologies in Biophysics & Medicine XXIV, 1 (год публикации - 2022)

3. Голубова Н., Потапова Е., Серёгина Е., Дрёмин В. Wavelet analysis of laser speckle contrast reveals new feature space for transcranial assessment of cerebral blood flow European Conferences on Biomedical Optics (год публикации - 2023)

4. Дрёмин В. Оптическая диагностика сосудистых и метаболических осложнений сахарного диабета Сборник трудов XXIII Зимней школы по механике сплошных сред, 105 (год публикации - 2023)

5. Голубова Н.В., Серёгина Е.С., Шевцова Е.Ф., Дрёмин В.В. , Потапова Е.В. Определение характеристик церебрального кровообращения в динамике у лабораторных крыс методом лазерной спекл-контрастной визуализации Сборник трудов XXXV Всероссийской научнотехнической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы, измерительные устройства и робототехнические комплексы» (Биомедсистемы – 2022), С. 75-77 (год публикации - 2022)

6. Дрёмин В., Семячкина-Глушковская О., Рафаилов Э. Direct laser-induced singlet oxygen in biological systems: application from in vitro to in vivo IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 29(4), 7200911 (год публикации - 2023)
10.1109/JSTQE.2023.3246587

7. Голубова Н., Потапова Е., Серегина Е., Дрёмин В. Time-frequency analysis of laser speckle contrast for transcranial assessment of cerebral blood flow Biomedical Signal Processing and Control, 85, 104969 (год публикации - 2023)
10.1016/j.bspc.2023.104969

8. Маковик И.Н., Винокуров А.Ю., Ератова Л.В., Дрёмин В.В. Влияние длины волны, мощности и экспозиции лазерного излучения на генерацию синглетного кислорода Сборник трудов VII Съезда биофизиков России, 371-372 (год публикации - 2023)

9. Жарких Е.В., Локтионова Ю.И., Дрёмин В.В., Чапров К.Д., Дунаев А.В., Нинкина Н.Н., Абрамов А.Ю. Регуляция синуклеинами и синглетным кислородом выработки инсулина у мышей Сборник трудов VII Съезда биофизиков России, 407 (год публикации - 2023)

10. Новикова И., Винокуров А., Ератова Л., Рафаилов Э., Дрёмин В. Detection of laser-induced singlet oxygen: current approaches and challenges European Conferences on Biomedical Optics (год публикации - 2023)

11. Дрёмин В.В. Lesion detection and analysis using optical imaging Diagnostics, 13(9), 1565 (год публикации - 2023)
10.3390/diagnostics13091565

12. Голубова Н.В., Серёгина Е.С., Потапова Е.В., Дрёмин В.В. Транскраниальная оценка мозгового кровотока лабораторного животного методом лазерной спекл-контрастной визуализации Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, 1 (год публикации - 2023)

13. Голубова Н.В., Серёгина Е.С., Шевцова Е.Ф., Дрёмин В.В., Потапова Е.В. Изучение динамики мозгового кровообращения лабораторных животных методом лазерной спекл-контрастной визуализации Сборник трудов XX Всероссийской молодежной самарской конкурс-конференции научных работ по оптике и лазерной физике, С. 40-43 (год публикации - 2022)

14. Маковик И.Н., Винокуров А.Ю., Дунаев А.В., Рафаилов Е.У., Дрёмин В.В. Efficiency of direct photoinduced generation of singlet oxygen at different wavelengths, power density and exposure time of laser irradiation Analyst, 148, 3559-3564 (год публикации - 2023)
10.1039/d3an00587a

15. Жарких Е.В., Локтионова Ю.И., Дрёмин В.В., Чапров К.Д., Дунаев А.В., Нинкина Н.Н., Абрамов А.Ю. Synuclein and singlet oxygen regulation of insulin production in mice Biophysical Reviews, S6.418 (год публикации - 2023)

16. Дрёмин В.В., Соколовский С.Г., Рафаилов Е.У., Жарких Е.В., Потапова Е.В., Дунаев А.В., Жеребцов Е.А. In vivo fluorescence measurements of biological tissue viability CRC Press, Boca Raton, Chapter 1, 1-37 (год публикации - 2023)
10.1201/9781003228950-1

17. Голубова Н.В., Серёгина Е.С., Потапова Е.В., Дрёмин В.В. Спектральный анализ данных лазерной спекл контрастной визуализации церебрального кровотока Материалы ХIV международной конференции по микроциркуляции и гемореологии «Микроциркуляция и гемореология», С. 19 (год публикации - 2023)

18. Голубова Н.В., Рыжков И.А., Лапин К.Н., Серёгина Е.С., Дунаев А.В., Дрёмин В.В., Потапова Е.В. Laser speckle-contrast imaging in the assessment of cerebral perfusion changes in rats with haemorrhagic shock Proceedings of Saratov Fall Meeting XXVII, 1 (год публикации - 2023)

19. Голубова Н.В., Потапова Е.В., Серёгина Е.С., Дрёмин В.В. Time-frequency analysis of laser speckle contrast reveals new feature space for transcranial assessment of cerebral blood microcirculation Journal of Vascular Research, Vol. 60, Suppl. 1, 25 (год публикации - 2023)
10.1159/000533846

20. Серёгина Е.С., Локтионова Ю.И., Жарких Е.В., Дрёмин В.В. Способ получения и анализ функциональности изолированных островков Лангерганса Сборник трудов Всероссийской конференции «Современные методы исследования в клеточной биологии и медицине», С. 24 (год публикации - 2023)

21. Голубова Н.В., Адаменков Н.А., Приземин В.Н., Дунаев А.В., Дрёмин В.В., Потапова Е.В. Изучение возможностей метода лазерной спекл-контрастной визуализации при доставке и регистрации излучения через оптические каналы лапароскопа Сборник трудов Всероссийской конференции «Современные методы исследования в клеточной биологии и медицине», С. 36 (год публикации - 2023)

22. Голубова Н.В., Рыжков И.А., Лапин К.Н., Серёгина Е.С., Дунаев А.В., Дрёмин В.В., Потапова Е.В. Анализ церебральной микрогемоциркуляции у лабораторных животных методом лазерной спекл-контрастной визуализации при проведении краниотомии Сборник тезисов XXV Всероссийской конференции с международным участием «Жизнеобеспечение при критических состояниях», 158-159 (год публикации - 2023)

23. Горюнов И.А., Шуплецов В.В., Суббота Д.А., Дрёмин В.В. Метод гиперспектральной визуализации для оценки степени микроциркуляторных нарушений кишечной стенки Труды XIII Всероссийского конгресса молодых ученых, - (год публикации - 2024)

24. Маковик И.Н., Винокуров А.Ю., Ератова Л.В., Дрёмин В.В. The influence of wavelength, power and exposure of laser radiation on singlet oxygen generation Biophysical Reviews, S6.423 (год публикации - 2023)

25. Голубова Н.В., Серёгина Е.С., Потапова Е.В., Дрёмин В.В. Метод лазерной спекл-контрастной визуализации в задачах определения характеристик церебрального кровообращения у лабораторного животного Медицинская физика, № 2, С. 39 (год публикации - 2023)

26. Дрёмин В., Волков М., Маргарянц Н., Мялицин Д., Рафаилов Е., Дунаев А. Blood flow dynamics in the arterial and venous parts of the capillary Journal of Biomechanics, 179, 112482 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jbiomech.2024.112482

27. Ератова Л., Жарких Е., Рафаилов Э., Дрёмин В. Singlet oxygen detection: A review of recent advances Journal of Biomedical Photonics & Engineering (год публикации - 2025)

28. Ератова Л.В., Маковик И.Н., Винокуров А.Ю., Дрёмин В.В. Лазерно-индуцированный синглетный кислород стимулирует биоэнергетику инсулин-продуцирующих клеток Материалы XXXI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», 887-888 (год публикации - 2024)

29. Стельмащук О.А., Дрёмин В.В., Абрамов А.Ю. Singlet oxygen is protective against β-amyloid-induced neurotoxicity Материалы International Conference BIOMEMBRANES 2024, 232 (год публикации - 2025)

30. Стельмащук О.А., Дрёмин В.В., Абрамов А.Ю. Singlet Oxygen Prevents the Mitochondrial NADH Depletion in β-amyloid Induced Neurotoxicity 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 513 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624450

31. Шуплецов В.В., Горюнов И.А., Потапова Е.В., Дрёмин В.В. Development of Dual-Mode Hyperspectral/Fluorescence Lifetime Imaging System 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 494 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624478

32. Ератова Л.В., Маковик И.Н., Винокуров А.Ю., Дрёмин В.В. Laser-Induced Singlet Oxygen Stimuates Bioenergetics of Insulin-Producing Cells 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 507 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624168

33. Калюжная Ю.Н., Логвинов А.К., Пашкевич С.Г., Голубова Н.В., Серёгина Е.С., Потапов Е.В., Дрёмин В.В., Дунаев А.В., Демьяненко С.В. An Alternative Photothrombotic Model of Transient Ischemic Attack Translational Stroke Research (год публикации - 2024)
10.1007/s12975-024-01285-2

34. Ератова Л.В., Маковик И.Н., Винокуров А.Ю., Дрёмин В.В. Direct optical generation of singlet oxygen at 1267 nm wavelength stimulates bioenergetics of insulin-producing cells Proceedings of Saratov Fall Meeting XXVIII (год публикации - 2024)

35. Горюнов И.А., Шуплецов В.В., Адаменков Н.А., Мамошин А.В., Потапова Е.В., Дунаев А.В., Дрёмин В.В. Метод гиперспектральной визуализации для определения микроциркуляторных нарушений тканей кишечной стенки Труды XVI Международной научной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» - ФРЭМЭ’2024, 82-86 (год публикации - 2024)

36. Маковик И.Н., Дунаев А.В., Рафаилов Е.У., Дрёмин В.В. Controlled Photosensitizer-free Singlet Oxygen Release for Biomedical Applications 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 506 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624325

Публикации

11. Дрёмин В.В. Lesion detection and analysis using optical imaging Diagnostics, 13(9), 1565 (год публикации - 2023)
10.3390/diagnostics13091565

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
За отчетный период получены следующие результаты: 1. Установлено влияние лазерного излучения 1267 нм на продукцию АТФ клетками RINm5f (модель островковых бета-клеток поджелудочной железы). Показано ступенчатое увеличение продукции АТФ в зависимости от мощности излучения (25-150 мВт) в условиях нормогликемии (5,556 мМ глюкозы). Обнаружено, что при гипергликемии (20 мМ глюкозы) стимуляция АТФ достигает максимума и становится нечувствительной к изменению мощности лазера. 2. Продемонстрировано статистически значимое увеличение скорости накопления флуоресцентного аналога глюкозы (2-NBDG) в клетках после облучения (50 мВт, 150 Дж/см²). 3. Исследованы изменения окислительно-восстановительных коферментов ФАД и НАДН. Обнаружено повышенное окисление ФАД в ответ на облучение и добавку различных концентраций глюкозы, что свидетельствует об активации митохондриального дыхания. Измерения времени жизни флуоресценции подтвердил изменение баланса свободной и связанной форм НАД(Ф)H в облученных клетках. 4. Проведены пилотные in vivo исследования на модели крыс, продемонстрировавшие изменения метаболических параметров в ответ на облучение, а также высокую чувствительность предложенного мультимадального меода визуализации к этим изменениям. 5. Оценена возможность трансабдоминальной стимуляции поджелудочной железы. Моделирование методом Монте-Карло и эксперименты in vivo подтвердили, что из-за поглощения и рассеяния в тканях брюшной стенки терапевтическая доза излучения не достигает цели без риска повреждения поверхностных структур. 6. Обоснована целесообразность минимально инвазивного подхода с доставкой излучения через оптическое волокно для точного воздействия на поджелудочную железу. 7. Получены следующие результаты интеллектуальной деятельности: опубликовано 11 работ, в том числе 7 публикаций из баз данных Scopus/Web of Science, 2 из которых в журналах уровня Q1; 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. 8. О результатах проекта доложено на следующих конференциях: – 21st International Conference Laser Optics (Санкт-Петербург, Россия, 1-5 июля 2024 г.). – XVI Международная Научная Конференция «Физика и Радиоэлектроника в Медицине и Экологии» (Суздаль, Россия, 2-4 июля 2024). – Saratov Fall Meeting XXVIII (Саратов, Россия, 23-27 сентября 2024 г.). – International Conference BIOMEMBRANES 2024 (Долгопрудный, Россия, 07-11 октября 2024 г.). – 18th International conference on Laser Applications in Life Sciences (Мюгла, Турция, 11-14 октября 2024 г.). За третий год командой проекта выполнены заявленные показатели по публикационной активности и получены важные результаты, которые являются основой 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 Telegram, Вконтакте и YouTube по адресам: http://www.bmecenter.ru https://t.me/bpbme http://vk.com/bmecenter https://www.youtube.com/user/BmeCenterOrel

Публикации

11. Дрёмин В.В. Lesion detection and analysis using optical imaging Diagnostics, 13(9), 1565 (год публикации - 2023)
10.3390/diagnostics13091565

Возможность практического использования результатов
В ходе всего выполнения проекта велась непрерывная работа по проработке вопросов возможности коммерциализации разрабатываемой технологии. В настоящее время продолжается активная работа по подготовке к коммерциализации основных результатов завершенного проекта РНФ, ведутся соответствующие переговоры и консультации с экспертами, поиск инвесторов, заинтересованных в развитии данных продуктов для здравоохранения. В этом контексте, наиболее близкой к коммерциализации является разработанная в рамках проекта мультимодальная система визуализации.