ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Создание экспрессных неинвазивных методов исследования и диагностики тканей человека in vivo, в том числе кожи, на клеточном и молекулярном уровнях
One of the trends in the development of biomedicine and biomedical diagnostics is molecular imaging, that is, the visualization of processes in a living organism using a signal that is selectively detected from a known type of molecule. The methods of molecular imaging include, in particular, MRI, PET, CT (including single photon emission computed tomography, SPECT), as well as a number of optical methods. Ideally, molecular imaging can be used to track the localization and interaction of certain molecules in the body (for example, the functioning of the enzyme in tumor cells in response to chemotherapy) in order to diagnose diseases and develop drugs. In most cases, exogenous labels of various nature are used for molecular imaging. Despite the fact that the depth of penetration of optical radiation into biological tissue is much less than for the other methods mentioned above, optical methods are used for molecular imaging extremely widely. This fact is associated with high spatial and temporal resolutions of optical methods, as well as with the creation of new types of labels (from genetically encoded fluorescent proteins with emission in various spectral ranges to all sorts of nanoparticles). At the same time, there is an obvious request for methods of non-invasive diagnostics of pathological processes in the human body at the molecular and cellular level, since they have several advantages in comparison with histological studies, which are currently the "gold standard" for diagnosing pathologies. In this regard, there is an interest in methods with endogenous contrast, in which the informative signal is detected from the molecules present in the body: hemoglobin can be given as a vivid example as a contrast in the method of optoacoustic tomography and NADH in the method of fluorescence microscopy. One of the current methods of optical molecular imaging, applicable for in vivo human studies and already having a number of clinical applications, is multi-photon tomography (MPT) with fluorescence lifetime imaging (FLIM). The main advantage of MPT / FLIM as a method of molecular imaging is high spatial (submicron) resolution in combination with a greater (compared to confocal fluorescence microscopy) tissue penetration depth (up to 1 mm). The most active (since the beginning of the 2000s) MPT is used in immunology, oncology research, neurobiology, and various exogenous labels are used to increase the signal intensity, its specificity and image depth, and, at the same time, limit the in vivo application of the method . In a number of works it has been shown that using only an endogenous signal allows not only to visualize the distribution of molecules of a particular type in tissue using MPT, but also to investigate the biochemical processes occurring in it. The scientific aims of this project are stimulated by the fact that at present, only a signal from a limited number of fluorophores is used in the MPT: for example, NAD (F) H and FAD (which is the basis of metabolic imaging), melanin, collagen, elastin and keratin. At the same time, there are broad prospects for expanding the capabilities of the MPT, for which it is necessary to conduct a comprehensive study involving signal formation in optical tomography and photophysical mechanisms responsible for the optical response of endogenous fluorophores, as well as the development of methods for selecting signals from endogenous reporter molecules and verifying their applicability for biomedical diagnostics. This project is devoted to the development of five new directions in fluorescent molecular imaging and optical tomography, based on the features of photophysical processes with multiphoton and single-photon excitation of fluorophores, as well as on the features of the formation mechanisms of their optical properties: 1. Selective visualization of pigments with heterogeneous structure - melanin, lipofuscin, and also fluorescent glycation products. 2. Localization of the signal from oxidized proteins and lipid oxidation products in the cells of the epidermis and in the connective tissue. 3. Development of methods for determining absolute concentrations of fluorophores using nonlinear processes. 4. The study of the formation of photo products with multiphoton tomography and the possibility of using their signal to visualize biochemical processes. 5. Visualization of processes involving macrophages in inflammatory processes and wound healing using a specific fluorescence signal associated with phagocytosis. This line of research is new and in case of successful solution of these problems the possibilities of optical tomography and molecular imaging will be enhanced in the diagnosis of diabetes (oxidized and glycated proteins), melanoma (determining the localization of various types of melanin), the study of oxidative stress and aging, as well as regenerative processes. At the same time, based on fundamental research carried out using the MPT, approaches to biomedical diagnostics of a part of the above processes will be developed using simpler and cheaper methods of fluorescence spectroscopy, including using endogenous fluorescence in the NIR region.
- Будет разработана методика измерения фотофизических параметров гетерогенных систем (сечения возбуждения флуоресценции и квантового выхода флуоресценции) - Будет проведено комплексное исследование фотофизических процессов в гетерогенных системах флуорофоров: определены количественно параметры одно- и многофотонного возбуждения и эмиссии флуоресценции, квантового выхода флуоресценции и его зависимости от длины волны эмиссии, сечений двухфотонного поглощения, времен жизни флуоресценции и т.д. Объектами исследования будут являться: синтетический меланин, полученный, в частности, окислением DOPA; липофусцин, продукты гликирования глобулярных и фибриллярных белков. - Будет проведено исследование параметров ИК-флуоресценции гетерогенных систем флуорофоров (пигментов) и разработан метод диагностики процессов гликирования и окислительного стресса в коже. - Будут разработаны модели формирования оптического отклика при флуоресцентной томографии с использованием ИК-флуоресценции эндогенных пигментов. - Будет проведено комплексное исследование фотофизических процессов в продуктах окисления белков и разработан метод их детектирования в клетках при окислительном стрессе. - Будет разработан метод на основе МФТ для детектирования различных типов меланина in vivo. - Будет разработан метод определения концентрации флуорофоров с использованием нелинейной флуориметрии при реализации МФТ. - Будет разработан метод детектирования тучных клеток и макрофагов in vivo c использованием МФТ и конфокальной лазерной микроскопии - Будут представлены доклады на международных конференциях по теме проекта (Saratov Fall Meeting, The 6th Congress of the Russian Society of Biochemists and Molecular Biologists и др.) - Будут опубликованы работы по результатам проекта в журналах Q1
Объектами исследования группы из МГУ являются белковые макромолекулы, их конформационные изменения и взаимодействия с окружением. За последние три года опубликовано более 25 статей в высокорейтинговых (Q1) журналах по данной теме. В 2018 году коллективом опубликовано 8 статей в журналах из Q1, в том числе, в Angewandte Chemie (IF ~ 12, предложен метод детектирования фибриллярных агрегатов аминокислот с использованием агрегационно-индуцированной собственной «синей» флуоресценции – данное исследование имеет непосредственное отношение к теме заявляемого проекта) и Nature Communnications (показана топология белкового комплекса, ответственного за процесс фотоадаптации в цианобактериях). В последнее время акцент исследований сместился на применение полученного задела в in vivo диагностике тканей (прежде всего кожи) с использованием флуоресцентной спектроскопии, в том числе, метода FLIM. Исследования, проведенные совместно с Центром физиологии кожи (клиника Шарите, Германия) показали перспективность применения ДФТ/FLIM для визуализации капилляров и диагностики их содержимого, а также локализации белков (коллагенов типа I и III, а также эластина). Задачи, которые ставятся в данном проекте, являются продолжением начатых исследований в области многофотонной томографии кожи и молекулярного имиджинга с эндогенным контрастом (группой заявителей проекта опубликован обзор по теме «Многофотонная микроскопия с эндогенным контрастом: природа флуорофоров и возможности в исследовании биохимических процессов» в журнале Успехи биохимии).
- разработка методики измерения фотофизических параметров гетерогенных систем (сечения возбуждения флуоресценции и квантового выхода флуоресценции) - фотофизические исследования гетерогенных систем флуорофоров: измерение спектров одно- и многофотонного возбуждения и эмиссии флуоресценции, квантового выхода флуоресценции и его зависимости от длины волны эмиссии, сечений двухфотонного поглощения, времен жизни флуоресценции и т.д. Объекты: синтетический меланин, полученный, в частности, окислением DOPA; липофусцин, продукты гликирования глобулярных и фибриллярных белков. - исследование параметров ИК-флуоресценции гетерогенных систем флуорофоров (пигментов) и анализ возможностей ее применения для биомедицинской диагностики. Проведение экспериментов на образцах кожи и соединительной ткани ex vivo. Исследование модельных систем – гликированной кожи, моделей окислительного стресса и старения. - Томография образцов кожи ex vivo с использованием системы IVIS, сравнение результатов и 3D моделей с данными МФТ, разработка моделей формирования оптического отклика и исследование возможности локализации пигментов с использованием сигнала ИК-флуоресценции. - Исследование фотофизических процессов продуктов окисления белков и возможности их детектирования в клетках при окислительном стрессе. - проведение in vivo измерений с использованием МФТ с целью исследования возможностей детектирования различных типов меланина in vivo. - Разработка метода определения концентрации флуорофоров с использованием нелинейной флуориметрии при реализации МФТ, тестирование данной методики на модельных растворах и клетках. Исследование зависимости времени жизни возбужденного состояния от плотности мощности возбуждающего излучения, верификация модели аннигиляции возбужденных состояний. Сравнение результатов, полученных с помощью метода нелинейной флуориметрии, с результатами применения метода, основанного на уравнении Стриклера-Берга (Pliss, A., Peng, X., Liu, L., Kuzmin, A., Wang, Y., Qu, J., ... & Prasad, P. N. (2015). Single cell assay for molecular diagnostics and medicine: monitoring Intracellular concentrations of macromolecules by two-photon fluorescence lifetime imaging. Theranostics, 5(9), 919). Анализ диагностических возможностей нелинейной флуориметрии при исследовании распределения концентраций флуорофоров в клетках. - Разработка и верификация метода in vivo визуализации клеток в дерме, в первую очередь, тучных клеток и макрофагов. - Получение разрешения этического комитета на проведение экспериментов in vivo - Представление результатов на международных конференциях (Saratov Fall Meeting, The 6th Congress of the Russian Society of Biochemists and Molecular Biologists и др.) - Публикование результатов, полученных в рамках проекта, в журналах Q1
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 30 июля 2019 г.-31 декабря 2020 г. | Молекулярный имиджинг и оптическая томография с эндогенным контрастом: исследование фотофизических процессов и применение для биомедицинской диагностики |
Результаты этапа: | ||
2 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Молекулярный имиджинг и оптическая томография с эндогенным контрастом: исследование фотофизических процессов и применение для биомедицинской диагностики |
Результаты этапа: | ||
3 | 1 января 2022 г.-30 июня 2022 г. | Молекулярный имиджинг и оптическая томография с эндогенным контрастом: исследование фотофизических процессов и применение для биомедицинской диагностики |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".