Комплексное исследование эффектов лекарственной терапии на опухолевое микроокружение и клеточный метаболизм методами оптического биоимиджинга

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 23-15-00294

НазваниеКомплексное исследование эффектов лекарственной терапии на опухолевое микроокружение и клеточный метаболизм методами оптического биоимиджинга

Руководитель Дружкова Ирина Николаевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Приволжский исследовательский медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации , Нижегородская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 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 слова Опухолевое микроокружение, фосфоресцентная время-разрешенная микроскопия PLIM, оптическая когерентная томография ОКТ, микроскопия генерации второй гармоники, оксигенация, флуоресцентная время-разрешенная микроскопия FLIM, метаболизм, коллаген, in vitro, in vivo, лекарственная терапия

Код ГРНТИ34.17.43, 34.41.00, 34.05.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Недостаточная эффективность лекарственной терапии опухолей является ее существенным недостатком, ведущим к снижению выживаемости онкологических пациентов. Большинство современных исследований при изучении ответа опухолей на терапию и лекарственной резистентности принимают в учет только особенности самих опухолевых клеток. Между тем, опухолевое микроокружение влияет на эффективность терапии. И наоборот, сама противоопухолевая терапия действует не только на опухолевые клетки, но и на составляющие опухолевого микроокружения. Однако аспекты, связанные с микроокружением, изучены гораздо меньше. Изучение опухолевого микроокружения как причины низкой эффективности лекарственной терапии важно для прогнозирования ответа опухоли на терапию и разработки новых терапевтических подходов. Проект ориентирован на получение ответов на следующие два вопроса: как опухолевое микроокружение влияет на эффективность лекарственной терапии? и как лекарственная терапия меняет состояние опухолевого микроокружения? Для этого планируется проведение комплексного исследования эффектов химио- и таргетной терапии на структуру коллагенового матрикса, микрокровоток, уровень кислорода и метаболический статус опухоли на примере колоректального рака. В работе будут применены современные высокочувствительные неинвазивные методы оптического биоимиджинга: микроскопия генерации второй гармоники (ГВГ) для визуализации коллагена, фосфоресцентный время-разрешенный имиджинг PLIM для анализа уровня кислорода в ткани, флуоресцентный время-разрешенный имиджинг FLIM для оценки клеточного метаболизма, ОКТ-микроангиография для визуализации перфузированных микрососудов опухоли, ОКТ-эластография для оценки жесткости опухолевой ткани. В работе будут использованы оригинальные in vitro 3D модели на основе коллагенового геля, позволяющие оценить вклад отдельных компонентов межклеточного матрикса, а также опухолевые ксенографты у животных. В проекте предполагается решение следующих задач: 1. Оценка влияния коллагенового матрикса различной структуры на метаболический статус опухолевых клеток и их ответ на лекарственное воздействие в 3D моделях на основе коллагенового геля, опухолевых клеток и фибробластов. 2. Анализ структурных изменений межклеточного матрикса при лекарственном воздействии in vitro в 3D моделях на основе коллагенового геля и in vivo в опухолях животных методом ГВГ-микроскопии. 3. Картирование жесткости опухолевой ткани при лекарственных воздействиях методом ОКТ-эластографии in vivo. Сопоставление данных о жесткости с данными о составе и структуре межклеточного матрикса. 4. Прижизненное исследование эффектов лекарственной терапии на состояние кровеносных сосудов методом ОКТ-микроангиографии и кислородный статус опухолей методом PLIM-микроскопии. Оценка сопутствующих метаболических изменений в опухолях методом FLIM-микроскопии метаболических кофакторов. 5. Верификация данных оптического биоимиджинга об изменении состояния опухолевого микроокружения и клеточного метаболизма методами молекулярно-генетического анализа, иммуногистохимии и функционального окрашивания. Подобных мультипараметрических исследований опухолевого микроокружения с оценкой нескольких взаимосвязанных параметров в условиях 3D моделей и опухолей in vivo набором комплементарных методов оптического биоимиджинга при проведении лекарственной терапии до сих пор не проводилось. По результатам работы будет опубликовано 9 статей в журналах WoS и Scopus и сделано не менее 10 докладов на международных и всероссийских конференциях. Междисциплинарный коллектив проекта включает высококвалифицированных и молодых специалистов различных специальностей - биофизиков, клеточных биологов, физиков, медиков и химиков. Все участники заявки имеют опыт совместной работы и обширный научный задел, что станет залогом успешного выполнения проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Синюшкина С.Д., Комарова А.Д., Дружкова И.Н., Щечкин И.Д., Никонова Е.В., Ширшин Е.А., Терехов В.М., Ширманова М.В. Оценка метаболической гетерогенности в образцах колоректальных аденокарцином пациентов ex vivo методом FLIM-микроскопии Материалы "Международного форума «Инновационная онкология»", с. 66-67 (год публикации - 2023)

2. Бочкарев Л.Н., Паршина Ю.П., Бабер П.О., Ковылина Т.А., Комарова А.Д., Ширманова М.В. Циклометаллированные комплексы иридия(III) с норборнензамещенными арилимидазофенантролиновыми лигандами и водорастворимые люминесцентные полимеры на их основе Сборник тезисов докладов "Международная конференция по химии «Байкальские чтения-2023»", с. 227 (год публикации - 2023)

3. Синюшкина С.Д., Комарова А.Д., Дружкова И.Н., Ширманова М.В. Оценка энергетического метаболизма клеток колоректального рака in vitro, in vivo, ex vivo методом FLIM Сборник материалов 77-й Международной научно-практической конференции «Достижения фундаментальной, прикладной медицины и фармации» представляет, с. 406 (год публикации - 2023)

4. Бочкарев Л.Н., Паршина Ю.П., Бабер П.О., Ковылина Т.А., Комарова А.Д., Ширманова М.В. Иридийсодержащие водорастворимые полимеры, излучающие красный свет. Синтез, фотофизические и цитотоксические свойства Материалы XIX международной научно-практической конференции "Новые полимерные композиционные материалы. Микитаевские чтения", с. 76 (год публикации - 2023)

5. Дружкова И.Н., Никонова Е.Э., Игнатова Н.И., Можеров А.М., Корякина И.Г., Зюзин М.В., Ширшин Е.А., Ширманова М.В. Влияние опухолевого микроокружения на эффективность терапии доксорубицином Генетические технологии в трансляционной биомедицине: материалы II международной конференции, с. 16 (год публикации - 2023)

6. Дружкова И., Комарова А.Д., Никонова Е.Е., Байгильдин В.А., Можеров А.М., Шакирова Ж.Р., Лисица Ю.А., Игнатова Н., Ширшин Е.А., Ширманова М.В., Туник С.П. Monitoring of intracellular pH and metabolic state of cancer cells in response to chemotherapy using a combination of PLIM and FLIM International Journal of Molecular Sciences (год публикации - 2023)

7. Бочкарев Л.Н., Паршина Ю.П., Комарова А.Д., Ковылина Т.А., Щеславский В.И., Ширманова М.В. Фосфоресцентные полимерные комплексы иридия(III). Синтез, биологические свойства Кластер конференций по элементоорганической и супрамолекулярной химии «НАУЧНЫЕ СТРАТЕГИИ БУДУЩЕГО» (с международным участием) (Казань, 2024): тезисы докладов, с. 98 (год публикации - 2024)

8. Лисица У.А., Дружкова И.Н. Оценка влияния межклеточного матрикса на жизнеспособность опухолевых клеток при воздействии химиотерапевтических препаратов in vitro Сборник тезисов: 27-й Международной медикоисторической конференции студентов; 98-й Международной студенческой научно-практической конференции, III-й Международной научно-практической конференции клинических случаев среди молодых ученых «Вижу. Слышу. Лечу»; 30-й Международной научно-практической конференции молодых ученых, с. 679-680 (год публикации - 2024)

9. Комарова А.Д., Синюшкина С. Д., Щечкин И.Д., Дружкова И.Н., Щеславский В.И., Ширманова М.В. Оценка метаболической гетерогенности колоректальных опухолей пациентов ex vivo методом флуоресцентной времяразрешенной микроскопии FLIM XXIII зимняя молодежная школа по биофизике и молекулярной биологии. Тезисы докладов Молодежной конференции., с. 88-89 (год публикации - 2024)

10. Комарова А.Д., Синюшкина С.Д., Щечкин И.Д., Дружкова И.Н., Смирнова С.А., Терехов В.М, Можеров А.М., Игнатова Н.И., Никонова Е.Е., Ширшин Е.А., Шимолина Л.Е., Гамаюнов С.В., Щеславский В.И., Ширманова М.В. Insights into metabolic heterogeneity of colorectal cancer gained from fluorescence lifetime imaging Elife, 13: RP94438 (год публикации - 2024)
10.7554/eLife.94438

11. Дружкова И., Былинская К., Плеханов А., Костюк А., Кириллин М., Перекатова В., Хилов А., Орлова А., Полозова А., Комарова А., Лисица Ю., Сироткина М., Ширманова М. ., Турчин И. Effects of FOLFOX Chemotherapy on Tumor Oxygenation and Perfused Vasculature: An In Vivo Study by Optical Techniques Journal of Biophotonics (год публикации - 2024)
10.1002/jbio.202400339

12. Бабер П.О., Комарова А.Д., Паршина Ю.П., Бочкарев Л.Н. Люминесцентные полимерные комплексы иридия(Ш). Синтез, фотофизические и цитотоксические свойства ХХVII всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием). Тезисы докладов., с. 27 (год публикации - 2024)

13. Дружкова И., Потапов А., Игнатова Н., Бугрова М., Щечкин И., Лукина М., Шимолина Л., Колесникова Е., Ширманова М., Загайнова Е. Cell hiding in colorectal cancer: correlation with response to chemotherapy in vitro and in vivo Scientific Reports, 14, 28762 (год публикации - 2024)
10.1038/s41598-024-79948-1

14. Бочкарев Л.Н., Паршина Ю.П., Комарова А.Д., Бабер П.О., Ширманова М.В., Щеславский В.И. Фосфоресцентные полимерные комплексы иридия(III) для биомедицинских исследований Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ» , с. 29 (год публикации - 2024)

15. Комарова А.Д., Синюшкина С.Д., Щечкин И.Д., Дружкова И.Н., Никонава Е.Е., Ширшин Е.А., Щеславский В.И., Ширманова М.В. Metabolic heterogeneity of colorectal cancer from cell cultures to patients: insights gained from fluorescence lifetime imaging Book of Abstracts "VIII International Conference on Ultrafast Optical Science", c. 134 (год публикации - 2024)

16. Дружкова И.Н., Никонова Е.Э., Комарова А.Д., Можеров А.М., Игнатова Н.И., Корякина И.Г., Зюзин М.В., Байгильдин В.А., Шакирова Ю.Р., Лисица У.А., Ширшин Е.А., Щеславский В.И., Туник С.П., Ширманова М.В. Мониторинг ответа опухолевых клеток на химиотерапевтическое воздействие в присутствии коллагена с помощью комбинации оптических методов Материалы Всероссийской междисциплинарной научно-практической конференции с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ», с. 38 (год публикации - 2024)

17. Эррандо А.И., Фернандес Л.М., Азеведу Х., Виейра П., Домингуш Х., Гальзерано А., Щеславский В., Хилд Р.Дж., Парваис А., Гарсиа да Силва П., Кастильо-Мартин М., Лагарто Х.Л. Detection and characterization of colorectal cancer by autofluorescence lifetime imaging on surgical specimens Scientific Reports, 14:24575 (год публикации - 2024)
10.1038/s41598-024-74224-8

18. Лисица У.А., Дружкова И.Н. Коллагены в составе опухоли: влияние на эффективность химиотерапевтического воздействия и изменения в процессе терапии Фундаментальная наука и клиническая медицина — человек и его здоровье [Электронный ресурс]: материалы XXVII Международной медико- биологической конференции молодых исследователей , с. 384-385 (год публикации - 2024)

19. Щеславский В.И., Херрандо А., Фернандес Л., Лагарто Д.Л. Мультипараметрический флуоресцентный имиджинг с временным разрешением для исследования колоректального рака НейроБайкал 2024 : Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции с международным участием по нейробиологии и биофотонике «НейроБайкал 2024», с. 47 (год публикации - 2024)

20. Лисица У.А., Игнатова Н.И., Можеров А.М., Ширманова М.В., Дружкова И.Н. Межклеточный матрикс при применении химиотерапевтической схемы folfox: оценка структуры и влияние на жизнеспособность опухолевых клеток Сборник тезисов X Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и студентов с международным участием «ВолгаМед», с. 58-60 (год публикации - 2024)

21. Дружкова И., Никонова Е., Комарова А., Можеров А., Игнатова Н., Корякина И., Зюзин М., Байгильдин В., Шакирова Ю., Лисица Ю., Ширшин Е., Щеславский В., Туник С. ., Ширманова М. Cancer cells' response to chemotherapeutic treatment in the presence of collagen: monitoring with fluorescence and phosphorescence lifetime imaging techniques Abstracts of the 31th International Conference on Advanced Laser Technologies, c. 67 (год публикации - 2024)
10.24412/cl-35039-2024-24-67-67

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Целью проекта является изучение эффектов лекарственной терапии на опухолевое микроокружение, в частности, состав и структуру межклеточного опухолевого матрикса, кровеносные сосуды и уровень оксигенации, а также метаболический статус опухолевых клеток современными прижизненными методами оптического биоимиджинга. Второй год проекта был направлен на изучение метаболических изменений опухолевых клеток и свойств опухолевого микроокружения (структура, состав межклеточного матрикса, опухолевые сосуды) in vivo при воздействии терапевтической схемы FOLFIRI. А также на изучение кислородного статуса опухолей при воздействии терапевтической схемы FOLFOX. В результате выполнения проекта были получены следующие результаты: - С помощью мультимодальной ОКТ опухолевых моделей НСТ116 и НТ29 и действия на них FOLFIRI терапии были обнаружены несколько более высокие значения модуля упругости опухолевой ткани при естественном росте модели НТ29 по сравнению с моделью НСТ116; более выраженное снижение значений модуля упругости опухолевой ткани после FOLFIRI терапии модели НСТ116 и их отсутствие в опухолях НТ29. Значимых изменений в плотности перфузируемых сосудов не было выявлено - Анализ структуры межклеточного матрикса с помощью ГВГ-микроскопии опухолей НСТ116 показал увеличение содержания коллагена при снижении числа крупных волокон и их гетерогенности при терапии FOLFIRI, и отсутствие таких изменений для модели НТ29. С помощью FLIM-микроскопии метаболического кофактора НАД(Ф)H in vivo проанализированы метаболические изменения двух клеточных моделей колоректального рака человека НТ29 и НСТ116 при воздействии химиотерапевтической схемы FOLFIRI. В ксенографтах опухоли НСТ116 не были выявлены статистически значимые различий между контрольными опухолями без лечения и опухолями после терапии FOLFIRI. Для модели НТ29 после проведения терапии в группе FOLFIRI были выявлены следующие статистически значимые отличия: значение τm увеличилось с 0,87 ± 0,08 нс в контрольных образцах до 1,02 ± 0,09 нс в леченых образцах, значение a1 уменьшилось с 82,05 ± 2,33 % до 76,97 ± 2,93 %, время жизни связанного НАД(Ф)Н увеличилось с 2,71 ± 0,16 до 2,85 ± 0,19, что может говорить о метаболическом сдвиге в сторону окислительного фосфорилирования. - Терапевтический эффект схемы FOLFIRI был верифицирован с помощью патоморфологического и иммуногистохимического анализа опухолей. Патоморфологический анализ выявил наличие клеточной дистрофии и снижение митотической активности для опухолей НСТ116. Снижение митотической активности для опухолей НСТ116 также было подтверждено с помощью иммуногистохимического анализа маркера пролиферации ki-67. Меньшее снижение митотической активности по данным патоморфологического анализа было выявлено для опухолей НТ29, что согласовывалось с данными иммуногистохимического анализа по экспрессии ki-67. Также с помощью иммуногистохимического исследования был проанализирован состав межклеточного матрикса. Анализ содержания коллагенов разных типов (I, III и V) показал, что в опухолях обеих видов после терапии снижается содержание коллагена III типа и V после терапии FOLFIRI. Для опухолей НСТ116 наблюдалось некоторое увеличение содержания коллагена I типа, у опухолей НТ29 данный показатель был без изменений, что согласуется с данными ГВГ-микроскопии in vivo. - С помощью фосфоресцентного сенсора на кислород были выявлены изменения в оксигенации опухолей НСТ116 на фоне терапии FOLFOX, при этом в начале терапии оксигенация снижалась относительно контроля, а в конце терапии отмечалось некоторое увеличение оксигенации относительно контроля. Данные, полученные с помощью кислородного сенсора, были подтверждены результатами иммуногистохимического окрашивания на маркер гипоксии пимонидазол. Таким образом, все поставленные на второй год задачи выполнены в полном объеме. Результаты соответствуют требованиям новизны и оригинальности на мировом уровне. Полученные результаты существенно расширяют сведения об эффектах химиотерапии на межклеточный матрикс опухоли и метаболизм опухолевых клеток, представляют интерес с фундаментальной точки зрения и закладывают основу для прикладных исследований и разработок. В результате выполнения проекта было опубликовано 4 статьи в высокорейтинговых рецензируемых журналах (3 Q1 и 1 Q2). Были сделаны доклады на 13 конференциях.

Публикации