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 22-72-00015
НазваниеРазработка фотоакустического метода оценки локальной концентрации наночастиц в биологических тканях для перспективных задач биомедицины
РуководительПопов Антон Александрович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые словафотоакустика, наночастицы, концентрация, биомедицинские применения, оптические фантомы, фототермическая терапия, оптическая гипертермия, лазеры, лазерная абляция в жидкости, тераностика.
Код ГРНТИ29.33.47
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект нацелен на изучение способов измерения концентрации неорганических наночастиц (НЧ) в биологических тканях с использованием методов фотоакустики (ФА). Разрабатываемые методы нацелены на применение, в первую очередь, с НЧ, способными эффективно нагреваться при облучении оптическим излучением в окне прозрачности биологических тканей (ближнем ИК диапазоне, 650-900 нм), и применимыми в фототермической терапии (фотогипертермии, ФТТ) раковых опухолей.
ФТТ и ФА визуализация являются новыми перспективными быстроразвивающимися методами терапии и диагностики онкологических заболеваний, которые активно выходят на уровень пилотных клинических испытаний на людях, где показывают свою высокую эффективность. Например, результаты первых клинических испытаний ФТТ на людях показали эффективность такой терапии в 94% при лечении рака простаты. Одним из основных преимуществ ФТТ с использованием НЧ - сенсибилизаторов фототермического воздействия является избирательность этого воздействия на опухолевые ткани, что достигается за счёт селективного накопления НЧ в опухоли и правильного расчёта дозы оптического излучения. Однако гетерогенность опухолевых тканей и значительные (более одного порядка величины) колебания количества накопленных в опухолях НЧ делают задачу определения локальной концентрации НЧ принципиально важной. Без этой информации невозможно правильно рассчитать дозу излучения, необходимую для уничтожения опухолевой ткани и одновременного сохранения здоровых тканей. При этом, в настоящее время в клинических испытаниях оценка уровня концентрации НЧ в опухоли при проведении ФТТ производится длительной и инвазивной процедурой взятия биопсии, что существенно замедляет, усложняет проведение ФТТ, а также не позволяет учитывать гетерогенности опухоли. Стоит также отметить, что сама ФТТ зачастую проводится под УЗ контролем, таким образом создаются все условия для осуществления ФА контроля уровня накопления НЧ в опухоли, что может значительно ускорить и упростить ФТТ процедуру, а также повысить её селективность. Совокупность этих фактов и определяют высокую научную и практическую значимость и актуальность разработки метода ФА оценки концентрации неорганических НЧ-сенсибилизаторов фототермического воздействия в биологических тканях.
Научная новизна проекта заключается в разработке физических основ ФА оценки содержания в биологических тканях неорганических НЧ, в особенности новых лазерно-синтезированных наночастиц нитрида титана и мксенов (Ti2C3, Ti2N), обладающих рекордными коэффициентами фототермической конверсии в окне прозрачности биологических тканей. К настоящему моменту в научной литературе опубликованы работы, описывающие применимость методов ФА для визуализации аналогичных материалов в биологических тканях. Кроме того, также описаны некоторые подходы к оценке концентраций НЧ с использованием генерации ФА отклика на нескольких длинах волн (мультиспектральный подход), но при этом использование других физических свойств ФА отклика, которые могли бы помочь отделить сигнал НЧ от фонового ФА сигнала эндогенных (органических) хромофоров, остаётся весьма ограниченным. В частности, мало исследована как возможность использования частотных особенностей ФА отклика неорганических НЧ, чьи термомеханические свойства значительно отличаются от термомеханических свойств эндогенных хромофоров, так и возможности использования нелинейного ФА отклика для оценки концентрации НЧ в биологических тканях. Также отсутствуют работы по сравнению этих подходов (мультиспектральный, частотный, нелинейный) между собой.
В ходе выполнения проекта будут изучены особенности (спектральные, частотные, нелинейные) ФА отклика неорганических НЧ-сенсибилизаторов фототермического воздействия, а также наиболее релевантных эндогенных (органических) хромофоров (эритроциты, меланин, липиды), и определены методы оценки концентраций НЧ по ФА отклику, применимые в ФТТ. Разработанные методы будут протестированы сначала на смесях НЧ с эндогенными хромофорами, а затем in vitro с использованием оптических фантомов.
Реализация проекта позволит значительно продвинуться в разработке новых методов диагностики и лечения онкологических заболеваний в рамках стратегического направления по развитию высокотехнологичного здравоохранения, персонифицированной медицины и увеличению продолжительности жизни человека.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения работ по проекту будут получены следующие основные результаты:
1. Будут изучены свойства (спектральные, частотные, нелинейные) фотоакустического (ФА) отклика наночастиц (НЧ) – сенсибилизаторов фототермического воздействия. На основе этих данных будут определены характерные особенности ФА отклика, позволяющие отделить сигнал неорганических НЧ от фонового сигнала эндогенных хромофоров.
2. Разработан ФА метод оценки концентрации неорганических НЧ в биологических тканях. Разработанный метод позволит более точно производить дозиметрические расчёты при проведении селективной фототермической терапии раковых опухолей, а также поможет в реализации количественной ФА визуализации.
3. Разработанные методы будут протестированы in vitro с использованием оптических фантомов для демонстрации их применимости в фототермической терапии.
4. Результаты проекта будут представлены на международных конференциях и опубликованы в ведущих научных журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus.
Таким образом, решаемые в проекте задачи нацелены на решение практических задач высокой важности, связанных с терапией и диагностикой онкологических заболеваний.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Работы в рамках первого года реализации проекта были направлены на определение круга перспективных неорганических НЧ и релевантных эндогенных образцов (хромофоров), их подготовку (синтез НЧ) и комплексную физико-химическую характеризацию, а также создание на их основе пригодных для фотоакустических (ФА) измерений фантомов (экспериментальных образцов). Второй важной задачей первого этапа выполнения проекта было создание экспериментальной установки для проведения спектральных (как в части длины волны возбуждающего излучения, так и в части акустического отклика) ФА измерений. Наконец, с помощью созданной экспериментальной установки была проведена первичная ФА характеризация экспериментальных образцов.
В качестве перспективных неорганических НЧ, обладающих высоким оптическим поглощением в первом окне прозрачности биологических тканей, было выбрано 2 вида НЧ: НЧ нитрида титана (НЧ TiN) и НЧ гексаборида лантана (НЧ LaB6). Такой выбор обусловлен тем, что безлигандные НЧ TiN, стабильные водные коллоидные растворы которых были впервые получены автором проекта в недавнем прошлом, являются перспективным альтернативным плазмонным наноматериалом для биомедицинских применений (в первую очередь для фототермической терапии, см. результаты выполнения проекта РНФ №20-72-00081 и №19-72-30012) и уже показали свою отличную биосовместимость. Выбор же новых НЧ LaB6 обусловлен наличием у этих НЧ уникального узкого (для НЧ) пика поглощения, находящегося как раз в середине (максимум поглощения около 760-800 нм) первого окна прозрачности биологических тканей. Коллоидные растворы безлигандных сферических НЧ TiN и LaB6 с размерами 30 и 15 нм соответственно были синтезированы методом фемтосекундной (фс) лазерной абляции.
В качестве релевантных эндогенных образцов были использованы гемоглобин и гомогенизированная мышечная ткань. Выбор гемоглобина обусловлен тем, что он является основным поглотителем в организме животных в первом окне прозрачности биологических тканей (690-940 нм). Выбор мышечной ткани в качестве второго эндогенного образца обусловлен тем, что мышечная ткань является одним из основных «матричных» материалов в in vivo условиях, поэтому изучение ФА сигнала от такого образца позволит получить релевантные данные относительно характера основного фонового ФА сигнала. Кроме того, были проведены работы по изучению термо-оптических свойств НЧ TiN, используемых в данном проекте в качестве одного из двух неорганических эндогенных хромофоров. В частности, было показано, что эти НЧ эффективно поглощают свет и преобразуют его в тепло (что является одним из важнейших условий для генерации ФА отклика) во всём диапазоне солнечного спектра, включая важное для этого проекта первое окно прозрачности биологических тканей. Результаты этих работ опубликованы в отчётной публикации №1.
Выбранные хромофоры (как эндогенные, так и НЧ) были использованы для создания фантомов, удобных для проведения ФА исследований и обладающих стабильными свойствами. Для этого были созданы гелевые фантомы на основе полиакриламида с добавлением соответствующих хромофоров (за исключением мышечной ткани, которая использовалась в гомогенизированном виде без добавок). Детальный протокол создания фантомов описан в отчётной публикации №2.
Для проведения измерений ФА отклика был создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить все необходимые измерения. В качестве источника излучения был использован перестраиваемый лазер CF125 (длительность импульсов <10 нс, энергия в импульсах до 30 мДж, диапазон перестройки длины волны 690-940 нм; Sol Instruments, Республика Беларусь). Для измерения ФА отклика образцов была смоделирована и распечатана на 3D принтере многокомпонентная ячейка, позволяющая фиксировать исследуемый образец, направлять на него лазерное излучение и позиционировать относительно него УЗ датчик (V328-SU, Olympus, Япония). Для контроля за проведением измерений и их частичной автоматизации на языке Python была написана управляющая программа.
С помощью созданного программно-аппаратного комплекса были проведены следующие исследования ФА отклика образцов:
1. Исследованы зависимости ФА отклика образцов от длины волны возбуждающего излучения в диапазоне 690-940 нм для всех образцов.
2. Исследованы зависимости ФА отклика образцов от энергии возбуждающего излучения в интервале от 500 мкДж до 5 мДж.
3. Исследованы зависимости ФА отклика образцов от концентраций в них хромофора (за исключением образца мышечной ткани, который всегда измерялся в своей максимальной концентрации, соответствующей 100% заполнению объёма фантома) в интервале оптических плотностей (длина оптического пути 5 мм) от 0,1 до 0,7.
4. Исследованы частотные зависимости акустического отклика образцов в диапазоне от 1 до 20 МГц.
5. Исследован ФА отклик смесей НЧ LaB6 с гемоглобином.
Анализ первичных результатов ФА характеризации экспериментальных образцов показал, что сильная зависимость максимальной амплитуды ФА отклика НЧ LaB6 от длины волны в диапазоне 800-900 нм (отношение сигнала на 800 нм к сигналу на 900 нм равно 3) может быть использована для выделения вклада этих НЧ из фонового ФА сигнала эндогенных хромофоров, так как максимальная амплитуда ФА отклика последних практически не зависит от длины волны в этом диапазоне. Таким образом, при увеличении отношения массовой концентраций НЧ LaB6 к массовой концентрации органических хромофоров от нуля до 100 %, отношение амплитуд ФА отклика на длинах волн 800 и 900 нм изменяется от 1 до 3. При этом в области малых значений отношения концентраций НЧ LaB6 к исследуемым органическим хромофорам зависимость этого параметра от отношения концентраций является линейной. Экспериментальное измерение зависимости этого параметра для отношения массовых концентраций НЧ LaB6 и гемоглобина в диапазоне от 0 до 1 % показало, что предложенный способ позволяет регистрировать наличие от 0,2 % НЧ LaB6 в крови, что для взрослого человека соответствует концентрации 0,25 г/л.
Публикации
1. Савинов М.С.,Тихоновский Г.В., Шахов П.В., Кабашин А.В., Попов А.А. A tissue-mimicking phantom with flexible optical properties for studying photoacoustic response of nanoparticles Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1241007, March, 26 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1117/12.2651986
2. Фарук С.В., Кайо В.П., Тихоновский Г.В., Попов А.А., КЛиментов С.М., Малагон Л.А.Г., Араюхо Р.Е., Кабашин А.В., Ратива Д. Thermo-optical performance of bare laser-synthesized TiN nanofluids for direct absorption solar collector applications Solar Energy Materials and Solar Cells, 252, January, 112203 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112203
3. - В НИЯУ МИФИ предложили новый способ повышение эффективности накопителей солнечной энергии ИА Образование.Пресс, Результаты получены при финансовой поддержке РНФ (грант № 22-72-00015) (год публикации - )
4. - Предложен новый способ повышение эффективности накопителей солнечной энергии Научно-популярный журнал "Машины и механизмы", Результаты получены при финансовой поддержке РНФ (грант № 22-72-00015). (год публикации - )