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 21-75-00086

НазваниеИсследование влияния прямой оптической дозозависимой генерации синглетного кислорода на изменение механизмов регуляции тонуса сосудов

РуководительМаковик Ирина Николаевна, Кандидат технических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2023

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 словасинглетный кислород, прямая оптическая генерация, дозозависимость, тонус сосудов, механизмы регуляции

Код ГРНТИ76.03.29

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Кислород и его частично восстановленные химические продукты, известные как активные формы кислорода (АФК), имеют важную регулирующую и сигнальную функции. АФК наравне с активными формами азота играют особую роль в регуляции тонуса сосудов, при этом ответ со стороны сосудистого русла на действие АФК характеризуется разнонаправленностью реакций и может проявляться как в форме вазодилатации, так и в форме вазоконстрикции сосудов. Модулирование тонуса гладкомышечных клеток сосудов под действием АФК может осуществляться как при непосредственном воздействии АФК на клетки гладкой мускулатуры, так и путём изменения биологической активности вазоактивных медиаторов, тем самым осуществляется косвенная регуляция. Накопленный опыт в изучении физиологической и патологической роли АФК и выявление механизмов их генерации позволил сформировать интерес к синглетной форме кислорода. Возможность прямого возбуждения молекулы кислорода светом в основном триплетном состоянии и регуляция его выработки путём изменения интенсивности света и времени экспозиции представляет несомненный интерес для фундаментальной и практической медицины с позиции его применения для изменения механизмов регуляции тонуса сосудов, а также запуска процессов вазоконстрикции и вазодилатации. В связи с этим целью данного проекта является изучение влияния прямой оптической дозозависимой генерации синглетного кислорода с применением лазерного излучения на длине волны 1267 нм на изменение тонуса сосудов и выявление активизирующихся механизмов его регуляции. Реализация проекта и решение поставленных задач будут осуществлены путём проведения ex vivo исследований на срезах головного мозга крыс линии Wistar, содержащих функционально активные кровеносные сосуды, с применением современных методов диагностики и ингибиторного анализа при воздействии разными дозами лазерного излучения на длинах волн 1267 нм и 1122 нм (контрольный лазер), а также последующих in vivo исследований. Это позволит получить новые знания о взаимосвязи между выработкой синглетного кислорода, изменением тонуса сосудов (запуск процессов вазоконстрикции и вазодилатации) и механизмами его регуляции. Формирование новых знаний имеет важное значение при выработке целенаправленной терапевтической стратегии при заболеваниях сердечно-сосудистой системы, сопровождающихся нарушением процессов вазоконстрикции и вазодилатации. Кроме того, исследования актуальны для изучения возможности регуляции ангиогенеза в отсутствие фотосенсибилизаторов, что является важным для целого спектра заболеваний, включая ревматоидный и псориатический артриты, атеросклероз, диабетическую ретинопатию, псориаз, онкологию и др.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется получение результатов, соответствующих мировому уровню исследований, которые представляют несомненный интерес для фундаментальной и практической медицины. Будут получены данные о влиянии прямой оптической дозозависимой генерации синглетного кислорода с применением излучения на длине волны 1267 нм на изменение тонуса сосудов. Будет установлена взаимосвязь между запуском процессов вазоконстрикции и вазодилатации, параметрами лазерного излучения (интенсивность и время экспозиции) и морфофункциональными особенностями сосудов. Будут выявлены механизмы регуляции тонуса сосудов, активизирующиеся при воздействии разными дозами лазерного излучения на длине волны 1267 нм, а также предложен подход для in vivo исследований с применением прямой оптической дозозависимой генерации синглетного кислорода для изменения механизмов регуляции сосудистого русла. Разработка оригинального подхода и соответствующей методологической базы после проведения последующих клинических исследований может быть использована в качестве одной из терапевтических стратегий при лечении заболеваний, связанных с нарушением в функционировании сердечно-сосудистой системы. Проведение предложенных фундаментальных научных исследований позволит развить компетенции, которые в перспективе по завершении данного проекта позволят перейти к созданию нового высокотехнологичного лечебно-диагностического оборудования, построенного на выявленных принципах взаимодействия синглетного кислорода и механизмов регуляции тонуса сосудов. Результаты, полученные в ходе проекта, будут опубликованы в ведущих российских и международных журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus и доведены до сведения мировой научной общественности на всероссийских и международных форумах по тематике проекта. Кроме того, полученные передовые новые знания и методики будут использованы в учебном процессе ОГУ имени И.С. Тургенева для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Биотехнические системы и технологии» (направленность «Фотоника и электроника в медико-биологической практике») и специалистов по направлению «Лечебное дело».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
За отчётный период получены следующие результаты: 1) Разработана числовая модель распространения теплового поля в биологических тканях, которая позволяет прогнозировать оптимальные параметры экспериментальной системы генерации синглетного кислорода, не приводящие к нагреву биологических тканей. 2) Определено оптимальное соотношение между интенсивностью излучения (оптической мощностью), временем экспозиции и изменением температуры при воздействии лазерного излучения на длинах волн генерации синглетного кислорода. Осуществлён подбор длины волны контрольного лазера с эквивалентным значением эффективного коэффициента затухания. 3) Разработан подход к генерации синглетного кислорода и визуализации сосудистых изменений, а также реализующая его установка для in vivo исследования изменения параметров сосудистого русла при прямой оптической генерации синглетного кислорода. 4) Проведены in vivo исследования по изучению влияния прямой оптической генерации синглетного кислорода при различных дозах лазерного излучения на изменение параметров сосудистого русла. Выявлено, что воздействие низкими дозами лазерного излучения на длине волны генерации синглетного кислорода приводит к сужению сосудов и остановке кровотока. 5) Получены следующие результаты интеллектуальной деятельности: опубликовано 7 работ, в том числе 2 публикации из баз данных Scopus и Web of Science, 1 из которых в журнале уровня Q1. О результатах проекта доложено на следующих конференциях: - XXV международная конференция «Saratov Fall Meeting 2021» (27.09.2021-01.10.2021, Саратов, онлайн). - Научно-практическая конференция с международным участием «Лазеры в медицине 2021» (15.10.2021, Москва). - XI Конгресс молодых ученых (04.04.2022-08.04.2022, Санкт-Петербург). - II Международная научно-практическая конференция имени академика Е.В. Шмидта «Инженерные решения и цифровые технологии в биологии, медицине и приборостроении» (11.04.2022, Карачев, онлайн). - 25-ая Пущинская школа-конференция молодых ученых с международным участием «Биология - наука XXI века» (18.04.2022-22.04.2022, Пущино). Работа отмечена дипломом «За лучший стендовый доклад». - Международная конференция «OPORTO 22 – 1st Spring Biophotonic Conference in Porto» (20.04.2022-23.04.2022, Порту, онлайн). - Внутриуниверситетская конференция «Неделя науки – 2022» (29.03.2022-30.04.2022, Орёл). - Международная конференция «SPIE Photonics Europe On Demand» (09.05.2022-15.05.2022, онлайн). За первый год реализации проекта командой выполнены все заявленные работы в полном объёме. Достигнуты заявленные показатели по публикационной активности и сделан существенный задел 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 социальных сетей и YouTube по адресам: http://www.bmecenter.ru https://vk.com/bmecenter https://www.youtube.com/user/BmeCenterOrel Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: 1. Проект молодых учёных из Орла признан РНФ одним из лучших (Вести Орел 21.07.2021) (https://ogtrk.ru/novosti/86479.html; https://youtu.be/CCbm0zlKgFU). 2. Лекция в Региональном центре выявления, поддержки и развития способностей и талантов у детей и молодежи "Созвездие Орла" (https://vk.com/id28586056?w=wall-185694906_3158). 3. Участие в XXV международной конференции «Saratov Fall Meeting 2021» (http://oreluniver.ru/media/news/show/1/11947). 4. Успешное выступление на Научно-практической конференции с международным участием "Лазеры в медицине 2021" (http://oreluniver.ru/media/news/show/1/12084). 5. Успешное выступление студентов ОГУ имени И.С. Тургенева на XI Конгрессе молодых ученых (https://orel.bezformata.com/listnews/vistuplenie-studentov-ogu-imeni/104513747/; https://oreluniver.ru/media/news/show/1/14469). 6. Список победителей конференции 2022, Пущинская школа-конференция молодых ученых (https://vk.com/biology21ru?w=wall-651834_3033). 7. Успешное выступление студентов ОГУ имени И.С. Тургенев на конференции "Биология - наука XXI века" (https://oreluniver.ru/media/news/show/1/14660).

Публикации

1. Дрёмин В.В., Новикова И.Н., Рафаилов Э.У. Simulation of thermal field distribution in biological tissue and cell culture media irradiated with infrared wavelengths Optics Express, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1364/OE.454012

2. Новикова И.Н., Волков М.В., Ератова Л.В., Мялицин Д.И., Дрёмин В.В. Direct optical generation of singlet oxygen in the regulation of vascular tone Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, - (год публикации - 2022)

3. Новикова И.Н., Потапова Е.В., Ератова Л.В., Дрёмин В.В., Дунаев А.В., Абрамов А.Ю. Прямая оптическая генерация синглетного кислорода в регуляции перфузионно-метаболических изменений в тканях Лазерная медицина, Т. 25, № 3S, с. 52 (год публикации - 2021)

4. Дрёмин В.В., Новикова И.Н., Рафаилов Э.У. Simulation of thermal field distribution in biological tissue irradiated with infrared wavelengths Proceedings of conference OPORTO 22, - (год публикации - 2022)

5. Ератова Л.В., Волков М.В., Новикова И.Н. Изучение дозозависимого влияния синглетного кислорода на изменение параметров сосудистого русла Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание, https://kmu.itmo.ru/digests/article/9220 (год публикации - 2022)

6. Ератова Л.В., Волков М.В., Новикова И.Н. Влияние прямой оптической дозозависимой генерации синглетного кислорода на изменение сосудистого русла Сборник тезисов 25-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием «БИОЛОГИЯ – НАУКА XXI ВЕКА», С.255 (год публикации - 2022)

7. Новикова И.Н., Дрёмин В.В. In silico studies of the interaction of wavelengths of direct optical excitation of molecular oxygen with biological tissues SFM CONFERENCE, https://sfmconference.org/sfm/sfm21/workshops/optical-technologies-in-biophysics-medicine-xxiii/preliminary/979/ (год публикации - 2021)

8. - Успешное выступление студентов ОГУ имени И.С. Тургенева на XI Конгрессе молодых ученых Новости Орла; ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

9. - Успешное выступление студентов ОГУ имени И.С. Тургенев на конференции "Биология - наука XXI века" ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

10. - Список победителей конференции 2022 Пущинская школа-конференция молодых ученых, - (год публикации - )

11. - Лекция в Региональном центре выявления, поддержки и развития способностей и талантов у детей и молодежи "Созвездие Орла" Образовательный центр "Созвездие Орла", - (год публикации - )

12. - Участие в XXV международной конференции «Saratov Fall Meeting 2021» ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

13. - Успешное выступление на Научно-практической конференции с международным участием "Лазеры в медицине 2021" ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

14. - Проект молодых учёных из Орла признан РНФ одним из лучших (Вести Орел 21.07.2021) Орловское информбюро, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За отчётный период получены следующие результаты: 1) Получены данные о влиянии параметров оптических систем генерации синглетного кислорода (длины волны, мощности и экспозиции лазерного излучения) на выработку синглетного кислорода. Выявлено большее влияние на величину генерируемого синглетного кислорода фактора времени воздействия, чем мощности. 2) Предложен подход ex vivo исследования параметров микроциркуляторного русла и механизмов регуляции тонуса сосудов при прямой оптической генерации синглетного кислорода, а также установка для его реализации. Установка обеспечивает возможность одновременного воздействия лазерного излучения для генерации синглетного кислорода и визуализации изменений сосудистой сети, а также выявления активизирующихся механизмов регуляции по анализу интенсивности регистрируемого сигнала флуоресценции. 3) Проведены ex vivo исследования функционально активных кровеносных сосудов срезов мозга крыс линии Wistar. Выявлено, что прямая оптическая генерация синглетного кислорода приводит к разнонаправленной реакции со стороны сосудистого русла, которая зависит от анатомических особенностей сосудов. 4) Предложен подход и установка in vivo исследования микроциркуляторного русла и механизмов регуляции тонуса сосудов при прямой оптической генерации синглетного кислорода с применением технологий оптической неинвазивной диагностики и вейвлет-анализа регистрируемых сигналов. 5) Проведены in vivo исследования по изучению влияния прямой оптической генерации синглетного кислорода на изменение параметров сосудистого русла и механизмов его регуляции с участием условно здоровых добровольцев. Установлено, что воздействие лазерного излучения на длине волны генерации синглетного кислорода вызывает перераспределение кровотока и изменение механизмов колебаний кровотока эндотелиального или нейрогенного генеза. 6) Получены следующие результаты интеллектуальной деятельности: опубликовано 9 работ, в том числе 2 публикации из баз данных Scopus и Web of Science, 1 из которых в журнале уровня Q3. О результатах проекта доложено на следующих конференциях: - XV международная научная конференция "Физика и Радиоэлектроника в Медицине и Экологии" (ФРЭМЭ 2022) (28.06.2022-30.06.2022, Суздаль). - VII Всероссийский молодежный научный форум «Наука будущего – наука молодых» (23.08.2022-26.08.2022, Новосибирск). - XXVI Международная конференция «Saratov Fall Meeting 2022» (26.09.2022-30.09.2022, Саратов). - XII Конгресс молодых ученых (03.04.2023-06.04.2023, Санкт-Петербург). - 26-ая Пущинская школа-конференция молодых ученых с международным участием «Биология - наука XXI века» (09.04.2023-13.04.2023, Пущино). - VII Съезд биофизиков России (17.04.2023-23.04.2023, Краснодар). - Научно-практическая конференция с международным участием «Лазерная медицина в России: прошлое, настоящее, будущее», посвященная 100-летию Олега Ксенофонтовича Скобелкина (16.06.2023, Москва). - European Conferences on Biomedical Optics (25.06.2023-29.06.2023, Мюнхен, Германия). За второй год реализации проекта командой выполнены все заявленные работы в полном объёме. Достигнуты заявленные показатели по публикационной активности и сделан существенный задел 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 социальных сетей и YouTube по адресам: http://www.bmecenter.ru https://vk.com/bmecenter https://www.youtube.com/user/BmeCenterOrel Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: 1. Реализация потенциала НТЦ биомедицинской фотоники и лаборатории клеточной физиологии и патологии в работе с талантливыми школьниками (https://oreluniver.ru/media/news/show/1/16322) 2. Успешное выступление студентов университета на всероссийском конкурсе «Наука будущего - наука молодых» (https://oreluniver.ru/media/news/show/1/15463) 3. Участие в XV международной научной конференции "Физика и Радиоэлектроника в Медицине и Экологии" (ФРЭМЭ 2022) (https://oreluniver.ru/media/news/show/1/15338) 4. Участие в XXVI международной конференции Saratov Fall Meeting 2022 (https://oreluniver.ru/media/news/show/1/15681) 5. Успешное выступление студентов ОГУ имени И.С. Тургенева на XII Конгрессе молодых ученых (https://oreluniver.ru/media/news/show/1/18462) 6. Участие в VII Съезде биофизиков России (https://www.bmecenter.ru/ru/node/751)

Публикации

1. Дунаев А.В., Потапова Е.В., Локтионова Ю.И., Брянская Е.О., Кандурова К.Ю., Новикова И.Н. Методы биомедицинской фотоники в решении задач диагностики Медицинская техника, №5, с. 27-31. (год публикации - 2022)

2. Дунаев А.В., Потапова Е.В., Локтионова Ю.И., Брянская Е.О., Кандурова К.Ю., Новикова И.Н. Biomedical Photonics Methods in Solving Diagnostic Tasks Biomedical Engineering, V.56, №5, pp.332-336 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s10527-023-10230-w

3. Новикова И.Н., Винокуров А.Ю., Ератова Л.В., Рафаилов Э.У., Дрёмин В.В. Detection of laser-induced singlet oxygen: current approaches and challenges Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, - (год публикации - 2023)

4. Новикова И.Н., Волков М.В., Ератова Л.В., Мялицин Д.И., Дрёмин В.В. In vivo исследование влияния прямой оптической генерации синглетного кислорода на изменение параметров сосудистого русла XV Международная научная конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии – ФРЭМЭ’2022» – Владимир-Суздаль, Россия, с. 75-79 (год публикации - 2022)

5. Ератова Л.В., Дрёмин В.В., Маковик И.Н. Лазерная индукция синглетного кислорода как реализация фотодинамической терапии без фотосенсибилизаторов Лазерная медицина, - (год публикации - 2023)

6. Ератова Л.В., Маковик И.Н., Дрёмин В.В. Исследование влияния параметров лазерного излучения на генерацию синглетного кислорода и изменение функционального состояния микроциркуляторного русла Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание https://kmu.itmo.ru/digests/article/10945, https://kmu.itmo.ru/digests/article/10945 (год публикации - 2023)

7. Ератова Л.В., Маковик И.Н., Дрёмин В.В. Влияние прямой оптической генерации синглетного кислорода на колебательные процессы микрогемоциркуляторного русла Сборник тезисов 26-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием «БИОЛОГИЯ – НАУКА XXI ВЕКА», С.217-218 (год публикации - 2023)

8. Ератова Л.В., Мялицин Д.И., Волков М.В., Дрёмин В.В., Новикова И.Н. Visualisation of vascular changes and assessment of blood flow variations by direct optical generation of singlet oxygen SFM CONFERENCE, https://sfmconference.org/sfm/sfm22/conferences_workshops/optical-technologies-in-biophysics-medicine-xxiv/preliminary/1630/ (год публикации - 2022)

9. 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 научных трудов VII Cъезда биофизиков России: в 2 томах, Т.1, С.371-372 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.26297/SbR6.2023.001

10. - Участие в XV международной научной конференции "Физика и Радиоэлектроника в Медицине и Экологии" (ФРЭМЭ 2022) ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

11. - Успешное выступление студентов университета на всероссийском конкурсе «Наука будущего - наука молодых» ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

12. - Участие в XXVI международной конференции Saratov Fall Meeting 2022 ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

13. - Реализация потенциала НТЦ биомедицинской фотоники и лаборатории клеточной физиологии и патологии в работе с талантливыми школьниками ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
В рамках реализации проекта получены новые знания о влиянии прямой генерации синглетного кислорода при воздействии лазерного излучения на длине волны 1267 нм на изменение параметров сосудистого русла и механизмов регуляции тонуса сосудов, в частности на запуск процессов вазоконстрикции и вазодилатации и их связь с морфологическими и функциональными особенностями сосудов. Выявлены возможные пути, приводящие к данным изменениям. Проведенные исследования in vivo позволили сформировать подход, который после проведения последующих клинических исследований может быть использован как возможная реализация фотодинамической терапии без фотосенсибилизаторов.