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
Публикации
1.
Семенов А.Н., Якимов Б.П., Рубекина А.А., Горин Д.А., Драче В.П., Зарубин М.П., Великанов А.Н., Ладеманн Ю., Фадеев В.В., Приезжев А.В., Дарвин М.Е., Ширшин Е.А.
The Oxidation-Induced Autofluorescence Hypothesis: Red Edge Excitation and Implications for Metabolic Imaging
Molecules (год публикации - 2020)
10.3390/molecules25081863
2.
Якимов Б.П., Ширшин Е.А.,Шлойзенер Й., Алленова А.С., Фадеев В.В., Дарвин М.Е.
Melanin distribution from the dermal–epidermal junction to the stratum corneum: non-invasive in vivo assessment by fluorescence and Raman microspectroscopy
Scientific Reports, v. 10, article number 14374 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-71220-6
3.
Крогер М., Шеффель Й., Николаев В.В., Ширшин Е.А., Зибенхар Ф., Шлойзенер Й., Ладеманн Й., Маурер М., Дарвин М.Е.
In vivo non-invasive staining-free visualization of dermal mast cells in healthy, allergy and mastocytosis humans using two-photon fluorescence lifetime imaging
Scientific Reports (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-71901-2
4.
Якимов Б.П., Венец А.В., Шлойзенер Й., Фадеев В.В., Ладеманн Ю., Ширшин Е.А., Дарвин М.Е.
Blind source separation of molecular components of the human skin in vivo: non-negative matrix factorization of Raman microspectroscopy data
Analyst (год публикации - 2021)
10.1039/D0AN02480E
5.
Б.П. Якимов, А.А. Рубекина, А.Я. Жеребкер, Г.С. Будылин, В.О. Компанец, С.В. Чекалин, Ю.Г. Вайнер, А.А. Хасан, Е.Н. Николаев, В.В. Фадеев, И.В. Перминова, Е.А. Ширшин
Oxidation of Individual Aromatic Species Gives Rise to Humic-like Optical Properties
Environmental Science & Technology Letters, 9, 5, 452–458 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.estlett.2c00161
Публикации
1.
Семенов А.Н., Якимов Б.П., Рубекина А.А., Горин Д.А., Драче В.П., Зарубин М.П., Великанов А.Н., Ладеманн Ю., Фадеев В.В., Приезжев А.В., Дарвин М.Е., Ширшин Е.А.
The Oxidation-Induced Autofluorescence Hypothesis: Red Edge Excitation and Implications for Metabolic Imaging
Molecules (год публикации - 2020)
10.3390/molecules25081863
2.
Якимов Б.П., Ширшин Е.А.,Шлойзенер Й., Алленова А.С., Фадеев В.В., Дарвин М.Е.
Melanin distribution from the dermal–epidermal junction to the stratum corneum: non-invasive in vivo assessment by fluorescence and Raman microspectroscopy
Scientific Reports, v. 10, article number 14374 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-71220-6
3.
Крогер М., Шеффель Й., Николаев В.В., Ширшин Е.А., Зибенхар Ф., Шлойзенер Й., Ладеманн Й., Маурер М., Дарвин М.Е.
In vivo non-invasive staining-free visualization of dermal mast cells in healthy, allergy and mastocytosis humans using two-photon fluorescence lifetime imaging
Scientific Reports (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-71901-2
4.
Якимов Б.П., Венец А.В., Шлойзенер Й., Фадеев В.В., Ладеманн Ю., Ширшин Е.А., Дарвин М.Е.
Blind source separation of molecular components of the human skin in vivo: non-negative matrix factorization of Raman microspectroscopy data
Analyst (год публикации - 2021)
10.1039/D0AN02480E
5.
Б.П. Якимов, А.А. Рубекина, А.Я. Жеребкер, Г.С. Будылин, В.О. Компанец, С.В. Чекалин, Ю.Г. Вайнер, А.А. Хасан, Е.Н. Николаев, В.В. Фадеев, И.В. Перминова, Е.А. Ширшин
Oxidation of Individual Aromatic Species Gives Rise to Humic-like Optical Properties
Environmental Science & Technology Letters, 9, 5, 452–458 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.estlett.2c00161
Публикации
1.
Семенов А.Н., Якимов Б.П., Рубекина А.А., Горин Д.А., Драче В.П., Зарубин М.П., Великанов А.Н., Ладеманн Ю., Фадеев В.В., Приезжев А.В., Дарвин М.Е., Ширшин Е.А.
The Oxidation-Induced Autofluorescence Hypothesis: Red Edge Excitation and Implications for Metabolic Imaging
Molecules (год публикации - 2020)
10.3390/molecules25081863
2.
Якимов Б.П., Ширшин Е.А.,Шлойзенер Й., Алленова А.С., Фадеев В.В., Дарвин М.Е.
Melanin distribution from the dermal–epidermal junction to the stratum corneum: non-invasive in vivo assessment by fluorescence and Raman microspectroscopy
Scientific Reports, v. 10, article number 14374 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-71220-6
3.
Крогер М., Шеффель Й., Николаев В.В., Ширшин Е.А., Зибенхар Ф., Шлойзенер Й., Ладеманн Й., Маурер М., Дарвин М.Е.
In vivo non-invasive staining-free visualization of dermal mast cells in healthy, allergy and mastocytosis humans using two-photon fluorescence lifetime imaging
Scientific Reports (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-71901-2
4.
Якимов Б.П., Венец А.В., Шлойзенер Й., Фадеев В.В., Ладеманн Ю., Ширшин Е.А., Дарвин М.Е.
Blind source separation of molecular components of the human skin in vivo: non-negative matrix factorization of Raman microspectroscopy data
Analyst (год публикации - 2021)
10.1039/D0AN02480E
5.
Б.П. Якимов, А.А. Рубекина, А.Я. Жеребкер, Г.С. Будылин, В.О. Компанец, С.В. Чекалин, Ю.Г. Вайнер, А.А. Хасан, Е.Н. Николаев, В.В. Фадеев, И.В. Перминова, Е.А. Ширшин
Oxidation of Individual Aromatic Species Gives Rise to Humic-like Optical Properties
Environmental Science & Technology Letters, 9, 5, 452–458 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.estlett.2c00161