Разработка фундаментальных основ метода оптического просветления биологических тканей и его приложение к решению задач диагностики и терапии патологических процессов

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 23-14-00287

НазваниеРазработка фундаментальных основ метода оптического просветления биологических тканей и его приложение к решению задач диагностики и терапии патологических процессов

Руководитель Тучин Валерий Викторович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" , Саратовская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-204 - Биофизика

Ключевые слова оптика биологических тканей, оптическая когерентная томография, УФ-ИК-спектроскопия, оптическое просветление, опухолевые ткани, диабет, поляризационная и спекл-визуализация, диффузия и проницаемость агентов, молекулярное моделирование

Код ГРНТИ76.03.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку фундаментальных основ метода оптического просветления (ОП) биологических тканей и его приложению к решению задач диагностики, мониторинга и терапии скрытых патологических процессов на тканевом и клеточном уровнях для ряда социально значимых заболеваний, таких как онкологические, сердечно-сосудистые и хронические эндокринные, с использованием лазерных и оптических технологий. Предлагаемое решение этой фундаментальной проблемы на основе использования методов управления свойствами биологических тканей, клеточных структур и клеток позволит существенно увеличить глубину оптического зондирования биологических тканей, повысить пространственное разрешение и контраст трехмерных изображений объектов, а также обеспечить функциональную медицинскую диагностику с использованием неинвазивных оптических методов, а также эффективную лазерную терапию. Трехмерная неинвазивная визуализация микроструктуры биологических тканей, органов и клеток представляет собой центральную проблему в биофизических и биомедицинских исследованиях, решение которой открывает новые возможности в диагностике и мониторинге лечения многих социально значимых заболеваний, таких как онкологические, сердечно-сосудистые и хронические эндокринные. В настоящее время развитие оптических технологий визуализации является перспективным направлением, поскольку они обеспечивают неинвазивность исследования, простоту управления, малые размеры и невысокую стоимость устройств. Однако биологические ткани и клетки сильно рассеивают свет уже при размерах объекта в несколько сотен микрометров, что является серьезной проблемой, так как многократное рассеяние затрудняет получение четких изображений объектов, находящихся в глубине ткани или скрытых за потоком крови в сосудах. Одним из путей решения проблемы многократного рассеяния является временное и обратимое его устранение за счет пропитывания ткани или клеток биологически совместимой средой с гиперосмотическими свойствами и с более высоким показателем преломления, чем межтканевая или межклеточная среда. Это так называемое иммерсионное ОП ткани или клеток. В последние годы технологии ОП тканей и клеточных структур (сфероидов раковых клеток и тромбов) разрабатываются во многих ведущих мировых центрах. Достигнут значительный прогресс в трехмерной визуализации различных органов, включая мозг, которые могут быть сделаны мало рассеивающими в окнах прозрачности тканей для видимого и ИК излучения. Эти достижения в сочетании с такими новыми оптическими методами визуализации, как нелинейная оптическая микроскопия и микроскопия оптического ножа (light-sheet microscopy), позволяют исследователям получать беспрецедентную информацию об организации структуры биологических систем в трех измерениях. При ОП тканей химические агенты могут пассивно или активно вводиться в образцы ткани для коррекции показателя преломления, что минимизирует эффект рассеяния. В настоящее время большинство усилий по ОП и оптической визуализации тканей сосредоточены на нейробиологии с получением полного коннектома человеческого мозга в качестве конечной цели. Тем не менее, эти технологии принципиально не применимы в условиях in vivo, так как требуют фиксирования ткани и длительного (несколько десятков часов или дней) воздействия агентов. Однако при определенных условиях, которые требуют тщательного изучения именно с точки зрения фундаментальных процессов взаимодействия просветляющих агентов с биологическими тканями, можно обеспечить достаточно эффективное просветление многих тканей без их фиксации и за небольшое время достаточное для проведения исследования in vivo. Многие области исследований в науках о жизни могут значительно выиграть при использовании ОП при оптической визуализации тканей и органов в условиях сохранения их функционирования в живом организме.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ванг Й, Хуанг Д., Шу К., Ю Й., Дуан Й., Фан К., Лин К., Тучин В.В. Optimization of machine learning classification models for tumor cells based on cell elements heterogeneity with laser-induced breakdown spectroscopy Journal of Biophotonics, 16 (11), e202300239 (год публикации - 2023)
10.1002/jbio.202300239

2. Джафаар А., Альбаразанчи А., Кадхим М.Ж., Дарвин М.Е., Важи Т., Тучин В.В., Верез М. Impact of e-cigarette liquid on porcine lung tissue—Ex vivo confocal Raman micro-spectroscopy study Journal of Biophotonics, e202300336 (год публикации - 2023)
10.1002/jbio.202300336

3. Березин К. В., Грабарчук Е. В., Лихтер А.М., Дворецкий К. Н., Тучин В. В. Optical clearing of human skin: Molecular modeling and in vivo OCT study Journal of Biophotonics, e202300354 (год публикации - 2023)
10.1002/jbio.202300354

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. В результате выполнения второго этапа проекта получены значения коэффициентов коллимированного пропускания, интенсивности двухфотонной автофлуоресценции и сигнала ГВГ микроскопии ex vivo гликированной кожи мыши, Получены значения времени диффузии, эффективных коэффициентов диффузии и проницаемости глюкозы в гликированной коже. Проведено сравнение этих величин с контролем (отсутствие гликирования) и значениями, полученными для модели аллоксанового сахарного диабета у мышей. 2. Оптимизированы протоколы оптического просветления с использованием физико-химических усилителей проницаемости биотканей (ДМСО и сонофореза), разработаны новые диагностические маркеры для характеризации здоровых и патологически изменённых тканей. Проведены измерения спектров диффузного отражения и полного пропускания образцов кожи крыс ex vivo в спектральном диапазоне 350-1500 нм до и после 30 минутной иммерсии в водном 70% растворе глицерина с применением 10% ДМСО и фонофореза отдельно и при их комбинации. Из измеренных спектров полного пропускания и диффузного отражения образцов кожи, рассчитаны спектральные зависимости транспортного коэффициента рассеяния и коэффициента поглощения образцов. 3. Получены новые данные о коэффициентах диффузии оптических просветляющих агентов (ОПА) в нормальных и патологических тканях, обусловленных развитием диабета. Получены значения эффективного коэффициента диффузии водных растворов ДМСО с объёмными концентрациями от 50 до 100% в нативной коже крыс ex vivo, глицерина в коже крыс контрольной и диабетической групп ex vivo при иммерсии образцов в водном 70% растворе глицерина без и с добавлением 10% ДМСО и ультразвука. 4. Разработаны и апробированы ОП-протоколы с пероральным и внутривенным введением 40% раствора глюкозы в качестве ОПА лабораторным крысам для визуализации подкожных сосудов для методов ОКТ- и спекл-визуализации. Получено, что для спекл-визуализации более эффективным является внутривенное введение ОПА за счет повышения контрастности сосудов, при этом результаты ОКТ демонстрируют увеличение рассеяния кожи в отличие от перорального введения ОПА. 5. Разработаны и апробированы новые композиций ОПА с включением ДМСО и пропиленгликоля в качестве усилителей диффузии при местном нанесении для снижения рассеяния тканей поджелудочной железы, тонкой кишки, кожи лабораторных крыс методами ОКТ, спекл-визуализации. Результаты, полученные на ОКТ, показали увеличение глубины визуализации и улучшение детализации тканей, особенно для поджелудочной железы. Полученные результаты демонстрируют незначительные изменения гемодинамики в сосудах ушей, при этом при нанесении на внутренние органы применение раствора глицерина с добавлением ДМСО и пропиленгликоля вызвало снижение гемодинамики. 6. Исследована кинетика изменения среднего по толщине группового показателя преломления кожи и мышечной ткани лабораторных крыс в процессе оптического просветления 70% раствором глицерина методом ОКТ. Показано, что групповой показатель преломления увеличивается с течением времени для обоих типов биологических тканей, однако кинетика изменения показателя преломления отличается, что связано как со структурными и компонентными отличиями исследуемых биотканей, так и с наличием барьерных свойств у кожи, которые замедляют диффузию молекул воды и глицерина. 7. Проведён анализ изменения коэффициента рассеяния двухслойного оптического фантома и кожи лабораторной крысы в процессе оптического просветления с использованием спектральной ОКТ. Разработанная методика реконструкции коэффициента ослабления рассеяния продемонстрировала высокую чувствительность к изменениям оптических свойств материала. Было установлено, что изменения выражены как в поверхностном слое фантома, так и на глубинных слоях, что связано с интенсивной диффузией агента и воды. Результаты исследования подтверждают эффективность предложенного подхода для количественной оценки изменений коэффициента рассеяния в многослойных средах. 8. Исследованы возможности текстурного анализа ОКТ-изображений для количественной характеристики структурных изменений в мышечной ткани при оптическом просветлении 70% раствором глицерина. Анализ кинетики текстурных признаков первого и второго порядков показал, что они отражают изменения в структуре и оптических свойствах мышечной ткани в процессе дегидратации и ОП. Полученные результаты демонстрируют перспективность использования текстурного анализа ОКТ-изображений для количественной оценки структурных изменений в биотканях при оптическом просветлении. 9. Разработана комбинированная ПФТ/ФДТ-терапия с применением оптического просветления, снижающего повреждение кожи над опухолью и повышающего эффективность терапии. 10. Получены данные для показателей преломления водных растворов коллагена и альбумина, а также тканей, в биохимический состав которых входят данные белки, такие как кожа, сухожилие хвоста крысы и плазма крови. По экспериментальным данным вычислены показатели преломления чистого (сухого) коллагена и альбумина. Выполнена оценка показателей преломления кожи, сухожилия хвоста крысы и плазмы крови. 11. Проведенное комплексное молекулярное моделирование взаимодействия новых оптических просветляющих агентов с пептидом коллагена показало, что существует корреляция между энергией межмолекулярного взаимодействия и эффективностью оптического просветления (ЭОП) кожи человека, что позволяет этот параметр использовать в предсказательных целях. Предсказаны ЭОП для галактозамина, дезоксинодиримицина, мочевины и ДМСО.

Публикации

1. Селифонов А.А., Селифонова Е.И., Варламова Г.Н., Тучин В.В. The effect of vaping on the optical properties of ovaries in normal conditions and in sarcoma Opticheskii Zhurnal (Journal of Optical Technology), V. 91. № 10. P. 80–93. (год публикации - 2024)
10.17586/1023-5086-2024-91-10-80-93

2. Пинейро М.Р., Тучин В.В., Оливейра Л.М. Analysis of the experimental absorption spectrum of the rabbit lung and identification of its components Journal of Biophotonics, e202300494 (год публикации - 2024)
10.1002/jbio.202300494

3. Пинейро М.Р., Фернандес Л.Е., Карнейро И.К., Карвальо С.Д., Енрик Р.М., Тучин В.В., Оливейра Х.Р., Оливейра Л.М. Optimized reconstruction of the absorption spectra of kidney tissues from the spectra of tissue components using the least squares method Journal of Biophotonics, e202300466 (год публикации - 2024)
10.1002/jbio.202300466

4. Бучарская А.Б., Наволокин Н.А., Мудрак Д.А., Маслякова Г.Н., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Генин В.Д., Генина Э.А., Тучин В.В. Комбинированная фотодинамическая и плазмонная фототермическая терапия в модели крыс с перевитыми опухолями BIOPHYSICS (RUSSIAN FEDERATION), том 69, № 3, с. 656–663 (год публикации - 2024)
10.31857/S0006302924030205

5. Генин В.Д., Бучарская А.Б., Кириллин М.Ю., Куракина Д.А., Наволокин Н.А., Терентюк Г.С., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Маслякова Г.Н., Тучин В.В., Генина Э.А. Monitoring of optical properties of tumors during laser plasmon photothermal therapy Journal of Biophotonics, 17 (4), e202300322 (год публикации - 2024)
10.1002/jbio.202300322

6. Оливейра Л.Р., Пинейро М.Р., Тучина Д.К., Тимошина П.А., Карвальо М.И., Оливейра Л.М. Light in evaluation of molecular diffusion in tissues: Discrimination of pathologies Advanced Drug Delivery Reviews, 212 (9), 115420 (год публикации - 2024)
10.1016/j.addr.2024.115420

7. Коваленко В.М., Шептицкий Р.В., Серебрякова И.А., Сурков Ю.И., Генина Э.А. Применение текстурного анализа изображений оптической когерентной томографии для количественной оценки структурных изменений в мышечной ткани при оптическом просветлении ex vivo Взаимодействие сверхвысокочастотного, терагерцового и оптического излучения с полупроводниковыми микро- и наноструктурами, метаматериалами и биообъектами: Сборник статей одиннадцатой Всероссийской научной школы-семинара / под ред. проф. Ал.В. Скрипаля. – Саратов: Изд-во «Саратовский источник», с. 218-222 (год публикации - 2024)

8. Березин К.В., Грабарчук Е.В., Лихтер А.М., Дворецкий К.Н., Сурков Ю.И., Тучин В.В. Molecular modeling and OCT monitoring of optical clearing of human skin Technical Physics, Vol. 69, No. 3, p. 485-494 (год публикации - 2024)
10.21883/0000000000

9. Генина Э.А., Бучарская А.Б., Генин В.Д., Наволокин Н.А., Мудрак Д.А., Маслякова Г.Н., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Тучин В.В. Combined Photodynamic/Photothermal Cancer Therapy Accompanied by Optical Clearing 2024 International Conference Laser Optics, ICLO 2024 - IEEE Proceedings, pp. 505-505 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624348

10. Серебрякова И.А., Санников Д.Д., Сурков Ю.И., Генина Э.А. Разработка метода мониторинга коэффициента рассеяния фантомов здоровой и патологической кожи при оптическом просветлении с помощью оптической когерентной томографии Взаимодействие сверхвысокочастотного, терагерцового и оптического излучения с полупроводниковыми микро- и наноструктурами, метаматериалами и биообъектами: Сборник статей одиннадцатой Всероссийской научной школы-семинара / под ред. проф. Ал.В. Скрипаля. – Саратов: Изд-во «Саратовский источник», с. 230-236 (год публикации - 2024)

11. Генин В.Д., Бучарская А.Б., Наволокин Н.А., Терентюк Г.С., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Тучин В.В., Генина Э.А. Development of combined photothermal/photodynamic therapy using a model tumor: pilot study BRICS Workshop on Biophotonics -2023. Proceedings of BRICS Workshop / Edited by P.A. Dyachenko, V.V. Tuchin – Russian Federation, Qingming Luo – China, Vanderlei Salvador Bagnato – Brazil, Santhosh Chidangil – India, Heidi Abrahamse – RSA. – Saratov, Russian Federation: Publishing house "Saratov source", pp. 189-192 (год публикации - 2024)
10.24412/cl-37136-2023-1-189-192

12. Шептицкий Р.В., Коваленко В.М., Серебрякова И.А., Сурков Ю.И., Генина Э.А. ОКТ-мониторинг показателя преломления кожи и мышечной ткани при оптическом просветлении 70% водным раствором глицерина ex vivo Взаимодействие сверхвысокочастотного, терагерцового и оптического излучения с полупроводниковыми микро- и наноструктурами, метаматериалами и биообъектами: Сборник статей одиннадцатой Всероссийской научной школы-семинара / под ред. проф. Ал.В. Скрипаля. – Саратов: Изд-во «Саратовский источник», с. 213-217 (год публикации - 2024)

13. Тучин В.В., Дьяченко П.А., Тучина Д.К., Жаворонков Ю.А., Ульянов С.В., Кузьмин В.Л. Measurement and Simulation of Mouse Head Optical Properties at Optical Clearing 2024 International Conference Laser Optics, ICLO 2024 - IEEE Proceedings, pp. 491-491 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624123

14. Бучарская А.Б., Наволокин Н.А., Маслякова Г.Н., Шушунова Н.А., Чехонацкая М.Л., Хлебцов Н.Г., Хлебцов Б.Н., Гуслякова О.И., Генин В.Д., Генина Э.А., Тучина В.В. Plasmonic photothermal photodynamic therapy in mice with colorectal cancer Cardiometry, Issue 33, November, p. 15-16 (год публикации - 2024)
10.18137/cardiometry.2024.33.conf.3

15. Серебрякова И.А., Сурков Ю.И., Генина Э.А., Тучин В.В. OCT monitoring of scattering kinetics in tissue phantoms at optical clearing with depth resolution 2024 International Conference Laser Optics, ICLO 2024 - IEEE Proceedings, pp. 523-523 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624370

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработаны протоколы для клинического использования оптического просветления кожи, включающие применение биосовместимых иммерсионных агентов и клинически одобренных методов повышения проницаемости кожи, таких как микродермабразия и сонофорез. Разработан состав нового оптического просветляющего/связующего агента для использования в мультимодальной диагностике новообразований кожи, включающей ко- и кросс-поляризационную дерматоскопию, ОКТ, спектроскопию диффузного отражения и высокочастотное УЗИ. Результаты тестирования показали повышение оптического контраста, глубины зондирования и точности оценки пигментации новообразований. С помощью современных неинвазивных оптических методов, таких как ОКТ, полнопольная лазерная спекл-визуализация и цифровая микроскопия, получены новые экспериментальные данные, характеризующие влияние исследуемых просветляющих агентов на скорость движения крови в сосудах и динамическое поведение сосудистых систем. Показана достаточно высокая эффективность коммерческих МРТ контрастных агентов (водного раствора гадопентетовой кислоты (препарат Магневист) и гадобутрола (препарат Гадовист)), а также коммерческого рентгено-контрастного препарата Аккупак, в качестве новых оптических просветляющих агентов. Проведено комплексное исследование влияния модельного сахарного диабета на оптическое просветление биотканей мелких животных. Детально исследован коэффициент ослабления света в коже крыс in vivo с модельным сахарным диабетом разной длительности от времени действия 70% водного раствора глицерина. На основе этих кинетических измерений рассчитаны эффективные коэффициенты диффузии молекул глицерина и воды в гликированных тканях. Проведены спектральные и гистологические исследования кожи и поджелудочной железы при развитии модельного диабета. Выполнено исследование процесса гликирования коллагена методами рефрактометрии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Результаты показали, что после 35 дней инкубации коллагена с глюкозой показатель преломления на всех длинах волн увеличился для основных растворов с различной концентрацией глюкозы, а показатель преломления раствора коллагена без глюкозы остался постоянным. Кривая зависимости показателя преломления от добавленной концентрации глюкозы имеет дугообразную форму, при этом выпуклость обращена от оси концентрации, что отражает характер взаимодействия молекул глюкозы и коллагена, которое может сопровождаться возникновением различных форм гликированного коллагена с новой молекулярной структурой и оптическими свойствами. Также получены спектры комбинационного рассеяния для растворов коллагена при различных концентрациях глюкозы (от 0 до 1000 мг/дл с шагом 100 мг/дл) при продолжительной инкубации. На спектрах комбинационного рассеяния для всех выделенных полос 660, 935, 1126, 1374, 1442 и 1660 см-1наблюдается увеличение нормированной интенсивности в зависимости от концентрации добавленного раствора глюкозы. При этом на 35-ые сутки инкубации на спектральных линиях 660, 1374 и 1660 см-1 заметно увеличение интенсивности КР для больших добавленных концентраций глюкозы. В то время как полосы при 938, 1660 см−1 связаны с изменениями вторичной структуры, полосы вблизи 1298 и 1442 см−1 указывают на деформационные колебания CH2 боковых цепей аминокислот. Поскольку широкая полоса при 1374 см−1 не характерна ни для основной цепи белка, ни для боковых цепей аминокислот, она может указывать на наличие глюкозы и/или новых молекулярных связей. На 12 выделенных длинах волн видимого и БИК диапазона 480-1550 нм измерен показатель преломления наиболее значимых мягких тканей, таких как кожа(со стороны дермы), срезы мышечной ткани и миокарда крыс в норме и при моделировании у животных аллоксанового диабета. Отмечается, что показатель преломления тканей крыс с диабетом выше, по сравнению с тканями, полученными от здоровых животных. Полученные дисперсионные зависимости позволили найти коэффициенты для формулы Зельмейера, т.е. дать непрерывные значения показателя преломления во всем спектральном диапазоне 450-1550 нм. Методом многоволновой рефрактометрии изучено влияние оптического просветляющего агента (водного раствора глицерина 70%) на оптические свойства кожи в норме и при развитии аллоксанового диабета. Получено, что в случае 30-ти минутного воздействия водного раствора 70% глицерина в норме показатель преломления на длине волны 589 изменяется от 1.3726 до 1.4514, а в условиях развития диабета от 1.3812 до 1.4627. Построена молекулярная модель гликированного белка коллагена. Построены молекулярные квантово-механические модели оптических просветляющих агентов (гадопентетовой кислоты и гадобутрола) в изолированном состоянии. Построены и рассчитаны с учетом дисперсионного взаимодействия молекулярные модели отдельных участков, содержащих аргенин, лизин, фруктозелизин и глюкозепан. Построены и рассчитаны их комплексы с молекулами ДМСО и мочевины, являющимися как просветляющими агентами, так и усилителями проницаемости биологических мембран. Разработаны и апробированы протоколы комплексной терапии модельного рака у мелких животных (крыс и мышей), включающие применение сонодинамической, фотодинамической и фототермической терапии с использованием фотосенсибилизаторов (Радахлорин, Фотосенс, индоцианиновый зеленый), метода оптического просветления, УЗ и лазерного излучения. Показано, что синтетический пищевой краситель тартразин (E102) позволяет эффективно снижать рассеяние в оптически плотных биологических средах. Для ex vivo мышечной ткани показана высокая эффективность оптического просветления при пассивной диффузии тартразина и впервые измерен коэффициент диффузии в ткани, 𝐷ТТЗ/ткань = 3,6×10⁻⁷ см²/с, что в 13,6 раз ниже, чем его диффузия в воде, что определяется структурой ткани. Для ex vivo тканей кожи установлено, что максимальный просветляющий эффект достигается при сочетании тартразина с физико-химическими методами увеличения проницаемости, обеспечивающими почти двукратное снижение рассеяния. Подтверждена возможность мониторинга коэффициента рассеяния кожи человека in vivo при проведении перорального глюкозотолерантного теста и сопоставления полученных оптических параметров с динамикой концентрации глюкозы в крови.

Возможность практического использования результатов
Полученные новые фундаментальные результаты относятся к развитию существующих и созданию задела для новых методов диагностики социально значимых заболеваний, что в конечном итоге способствует обеспечению экономического роста и социального развития Российской Федерации