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 22-75-10088

НазваниеОптическая тераностика гипергликемических осложнений

РуководительДрёмин Виктор Владимирович, 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

07.2022 - 06.2025

Конкурс№71 - Конкурс 2022 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, 05-601 - Физические воздействия в медицине

Ключевые словасинглетный кислород, лазерное излучение, прямая оптическая генерация, β-клетки, сахарный диабет, время жизни люминесценции, редокс-биология

Код ГРНТИ76.13.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
По данным Международной федерации диабета (IDF), проблема качественной диагностики и эффективного лечения сахарного диабета (СД) является одной из наиболее острых в современном здравоохранении. Проект предлагает совершенно новое применение фотонных технологий в рамках тераностической концепции лечения и диагностики осложнений СД. Выдвинутая концепция предполагает использование лазерного воздействия на β-клетки и ткани поджелудочной железы с прямой (без фотосенсибилизатора) оптической генерацией синглетного кислорода. Эта идея основана на недавних убедительных доказательствах того, что генерация синглетного кислорода в клетках может оказывать необычайно благотворное воздействие на их метаболизм. В проекте будут представлены доказательства гипотезы о том, что синглетный кислород оказывает положительное влияние на биоэнергетику митохондрий и что функция β-клеток поджелудочной железы по синтезу инсулина может быть восстановлена до нормальной. Это обеспечит терапию и компенсацию различных осложнений диабета, а также впервые покажет возможность восстановления функций β-клеток поджелудочной железы по синтезу инсулина. Проект продемонстрирует, что индуцированная лазером генерация синглетного кислорода в β-клетках приводит к увеличению мембранного потенциала митохондрий, активации NADH- и FADH-зависимого дыхания и стимулирует выработку АТФ в этих клетках. В рамках проекта будет разработана система мультимодальной оптической визуализации, позволяющая in vivo визуализировать островковые β-клетки, выявляя их распределение, жизнеспособность и функциональную активность. Предлагается объединить достижения в области визуализации времени жизни флуоресценции, гиперспектральных измерений и измерений динамического рассеяния света, что позволит проводить комплексный in vivo анализ функционального состояния β-клеток и окружающих тканей, включая мониторинг метаболической активности, оксигенации и кровотока.

Ожидаемые результаты
В случае успеха результаты проекта могут иметь важное значение для здравоохранения и медицинской диагностики, а это, в свою очередь, может иметь высокий социальный эффект в ближайшие 10-15 лет. Достижением проекта может стать интеграция разработанной системы в стандартное коммерческое микроскопическое и лапароскопическое оборудование для дальнейшего внедрения в клиническую практику. Весьма вероятно, что при использовании в качестве платформы предлагаемый метод проложит путь для дальнейших исследований в различных соответствующих стратегически важных областях, включая лечение онкологии и нейродегенеративных заболеваний. Проект позволит получить новые научные знания об эффективных параметрах лазерного излучения и дозах для генерации синглетного кислорода, а также рекомендации по применению конкретных параметров лазерного излучения для влияния на биоэнергетику разных культур клеток. Кроме того, новые базовые знания и опыт, полученные в рамках проекта, позволят лучше понимать взаимодействие лазерного излучения с различными типами клеток и тканей. Предлагаемый проект позволит консолидировать исследования междисциплинарной группы на национальном и международном уровнях. Конечная прикладная цель проекта заключается в передаче знаний и опыта не только научному сообществу, но и промышленным партнерам. По результатам работы над проектом, будет рассмотрена возможность осуществить внедрение разработанной методологии в производственную деятельность ООО «БИОФОТОНИКА», ООО НПП «ЛАЗМА», ООО «НПП «Астрон Электроника», ООО «НТЦ Волоконно-оптических Устройств». 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» и специалистов по направлению «Лечебное дело». Проведение предложенных фундаментальных научных исследований позволит получить и развить компетенции, способные в дальнейшем обеспечить развитие высокотехнологичного конкурентоспособного медицинского оборудования в РФ. 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За отчетный период получены следующие результаты: 1. Проведен аналитический обзор применения лазерно-индуцированного (без фотосенсибилизатора) синглетного кислорода в задачах редокс-биологии. 2. Разработана модель распространения излучения и теплового поля в биологических тканях при воздействии длинами волн генерации синглетного кислорода, позволяющая находить оптимальные параметры лазерного излучения, исключающие значительный нагрев среды. 3. Оценено влияния длины волны, мощности и времени экспозиции лазерного излучения на эффективность генерации синглетного кислорода. Установолено, что длина волны 1064 нм может выступать в качестве эффективного источника возбуждения триплетного кислорода, сравнимого по эффективности с длиной волны 1267 нм. Также полученные данные свидетельствует о большем влиянии на величину генерируемого синглетного кислорода фактора времени воздействия, чем мощности. 4. Разработана система регистрации интенсивности и времени жизни люминесценции синглетного кислорода в частотной области на основе InGaAs лавинного фотодиода. Показана ее высокая чувствительность к синглетному кислороду, полученному с помощью фотосенсибилизатора, однако недостаточная для детекции лазерно-индуцированного синглетного кислорода. 5. Проведен аналитический обзор моделей сахарного диабета у лабораторных животных. Для дальнейшего использования в рамках проекта выбраны аллоксановая и стрептозотоциновая модели. 6. Проведены пилотные исследования по изучению влияния лазерно-индуцированного синглетного кислорода на повышение синтеза АТФ и инсулина β-клетками поджелудочной железы мышей. 7. Разработаны система лазерной спекл-контрастной визуализации и соответствующий алгоритм частотно-временной обработки данных, позволяющий проводить картирование осцилляций кровотока. По результатам первого года проекта опубликовано 13 работ, в том числе 6 публикаций из баз данных Scopus и Web of Science, 2 из которых в журналах уровня Q1; 1 статья находится в стадии рецензирования. Результаты работы докладывались на 7 конференциях, в том числе 2 международных и 5 всероссийских: XXVI Annual Conference Saratov Fall Meeting (Саратов, Россия, 26-30 сентября, 2022 г.); XX Всероссийская молодежная самарская конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике (Самара, Россия, 8-12 ноября, 2022 г.); XXXV Всероссийская научно-техническая конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биомедсистемы – 2022» (Рязань, Россия, 7-9 декабря, 2022 г.); XХIII Зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, Россия, 13-17 февраля, 2023 г.); XII Конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 3-6 апреля, 2023 г.); VII Съезд биофизиков России (Краснодар, Россия, 17-23 апреля, 2023 г.); European Conferences on Biomedical Optics (Мюнхен, Германия, 25-29 июня, 2023 г.). Все заявленные в проекте работы выполнены в полном объеме: выбрано и закуплено необходимое оборудование; проведены теоретические и экспериментальные исследования методологии генерации и детекции синглетного кислорода; проведены пилотные исследования на лабораторных животных и β-клетках; разработан один из каналов мультимодальной системы с соответствующим алгоритмом обработки данных. За первый год командой проекта перевыполнены 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 Telegram, Вконтакте и YouTube по адресам: http://www.bmecenter.ru https://t.me/bpbme http://vk.com/bmecenter https://www.youtube.com/user/BmeCenterOrel

Публикации

1. Голубова Н., Потапова Е., Серегина Е., Дрёмин В. Time-frequency analysis of laser speckle contrast for transcranial assessment of cerebral blood flow Biomedical Signal Processing and Control, 85, 104969 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.bspc.2023.104969

2. Голубова Н., Потапова Е., Серёгина Е., Дрёмин В. Wavelet analysis of laser speckle contrast reveals new feature space for transcranial assessment of cerebral blood flow European Conferences on Biomedical Optics, - (год публикации - 2023)

3. Голубова Н.В., Серёгина Е.С., Шевцова Е.Ф., Дрёмин В.В. , Потапова Е.В. Определение характеристик церебрального кровообращения в динамике у лабораторных крыс методом лазерной спекл-контрастной визуализации Сборник трудов XXXV Всероссийской научнотехнической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы, измерительные устройства и робототехнические комплексы» (Биомедсистемы – 2022), С. 75-77 (год публикации - 2022)

4. Дрёмин В., Семячкина-Глушковская О., Рафаилов Э. Direct laser-induced singlet oxygen in biological systems: application from in vitro to in vivo IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 29(4), 7200911 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/JSTQE.2023.3246587

5. Дрёмин В.В. Lesion detection and analysis using optical imaging Diagnostics, 13(9), 1565 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/diagnostics13091565

6. Новикова И., Винокуров А., Ератова Л., Рафаилов Э., Дрёмин В. Detection of laser-induced singlet oxygen: current approaches and challenges European Conferences on Biomedical Optics, - (год публикации - 2023)

7. Жарких Е.В., Дрёмин В.В., Дунаев А.В. Fluorescent Technology in the Assessment of Metabolic Disorders in Diabetes Biomedical Photonics for Diabetes Research, CRC Press, Florida, С. 197-212 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1201/9781003112099-9

8. Голубова Н.В., Серёгина Е.С., Потапова Е.В., Дрёмин В.В. Транскраниальная оценка мозгового кровотока лабораторного животного методом лазерной спекл-контрастной визуализации Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, 1 (год публикации - 2023)

9. Голубова Н.В., Серёгина Е.С., Шевцова Е.Ф., Дрёмин В.В., Потапова Е.В. Изучение динамики мозгового кровообращения лабораторных животных методом лазерной спекл-контрастной визуализации Сборник трудов XX Всероссийской молодежной самарской конкурс-конференции научных работ по оптике и лазерной физике, С. 40-43 (год публикации - 2022)

10. Дрёмин В. Оптическая диагностика сосудистых и метаболических осложнений сахарного диабета Сборник трудов XXIII Зимней школы по механике сплошных сред, 105 (год публикации - 2023)

11. Жарких Е.В., Локтионова Ю.И., Дрёмин В.В., Чапров К.Д., Дунаев А.В., Нинкина Н.Н., Абрамов А.Ю. Регуляция синуклеинами и синглетным кислородом выработки инсулина у мышей Сборник трудов VII Съезда биофизиков России, 407 (год публикации - 2023)

12. Жарких Е.В., Новикова И.Н., Винокуров А.Ю., Потапова Е.В., Дрёмин В.В. State-of-the-Art Detection of Laser-induced Singlet Oxygen Saratov Fall Meeting 2022, Optical Technologies in Biophysics & Medicine XXIV, 1 (год публикации - 2022)

13. 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 трудов VII Съезда биофизиков России, 371-372 (год публикации - 2023)

14. - Победы в конкурсах грантов российского научного фонда ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

15. - Выступление в «Точке кипения» (Москва) Сайт НТЦ биомедицинской фотоники, - (год публикации - )

16. - Выход в свет коллективной монографии «Biomedical Photonics for Diabetes Research» в издательстве Taylor&Francis Сайт НТЦ биомедицинской фотоники, - (год публикации - )

17. - Проведение совместных исследований ученых НТЦ биомедицинской фотоники и НИИ общей реаниматологии имени В.А. Неговского ФНКЦ РР ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

18. - Орловские студенты изобретают технологию восстановления клеток Первый Областной Портал Новостей, - (год публикации - )

19. - Создан новый подход для анализа интенсивности сосудистого кровотока мозга и механизмов его регуляции Нейроновости, - (год публикации - )

20. - Ученые разработали новый подход для анализа интенсивности сосудистого кровотока мозга и механизмов его регуляции Indicator, - (год публикации - )

21. - Ученые разработали новый подход для анализа интенсивности сосудистого кровотока мозга и механизмов его регуляции Минобрнауки России, - (год публикации - )

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

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