Лаборатория биомедицинской фотоакустики

Над проектом работает мультидисциплинарный коллектив высококвалифицированных научных сотрудников - более 30 человек, среди них 7 докторов и 12 кандидатов наук, 4 медицинских работника.

Ответственный исполнитель – старший научный сотрудник лаборатории биомедицинской фотоакустики Ольга Александровна Иноземцева.

Ведущие ученые проекта:

Тучин Валерий Викторович

Семячкина-Глушковская Оксана Валерьевна

Консультант проекта – профессор, директор Арканзасского наномедицинского центра Онкологического института имени В.П. Рокфеллера Арканзасского университета медицинских наук (Литтл Рок, США), Владимир Павлович Жаров.

Краткая информация:

Лаборатория была создана при поддержке гранта Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих учёных в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования по теме «Фотоакустические технологии для ранней тераностики метастатических опухолей» (договор №14.Z50.31.044 от 5 февраля 2018).

Направление исследований заключается в развитии ранней диагностики и лечения различных заболеваний с помощью оптических методов, основанных на использовании перестраиваемых по длине волны лазеров и регистрации эффектов, возникающих при воздействии лазерного излучения на биологические объекты.  

Лаборатория является уникальным современным лабораторно-клиническим комплексом, оснащенным оборудованием для разработки оптического оборудования и медицинской техники, включая антивибрационные столы, оптические томографы, микроскопы, высокочастотные осциллографы, аналогово-цифровые преобразователи, генераторы задержек, фотодатчики, и различную электронику. Это позволяет проводить как уникальные научные исследования, так и разработку научного и медицинского оборудования, тестирование его работы на различных этапах подготовки к доклиническим и клиническим испытаниям и промышленному производству.

По сравнению с существующими лабораториями возможности представленного лабораторного комплекса уникальны, поскольку позволяют решать комплексные задачи, связанные с разработкой уникальных установок биомедицинской диагностики и проведением научных исследований как для задач разработки исследовательских и медицинских приборов, так и для лучшего понимания патологических процессов, происходящих в организме при различных социально значимых заболеваниях.

Для решения проблемы диагностики используется уникальная комбинация методов оптической когерентной и фотоакустической томографии, флуоресцентной микроскопии, рамановской спектроскопии с использованием перестраиваемых лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с биологическими тканями на уровне отдельных клеток приводит к оптическим, тепловым и фотодинамическим эффектам, которых регистрируются с помощью оптических, тепловых, и химических сенсоров, соответственно.  Это позволяет обеспечить высокое пространственное разрешение (характерное для оптических методов) и значительную спектральную специфичность и глубину проникновения в биоткани, обепечиваемую их просветлением.  Клинический потенциал этих подходов будет продемонстрирован при тестировании мышей с привитыми опухолями и, далее добровольцев. 

Таким образом, с помощью уникальной интеграции методов можно обнаруживать различные  патологические образования in vivo в тканях и крови, включая микрометастазы, тромбы и возбудители инфекционных болезней.

Задачи проекта:

1. Создание лаборатории биофотоники на базе интеграции методов флуоресцентной микроскопии, рамановской спектроскопии и оптической когерентной и фотоакустической томографии с использованием перестраиваемых по длине волны лазеров.

2. Разработка комбинации оптических методов диагностики с методами просветления биологических тканей для обеспечения высокого пространственного разрешения, глубины проникновения излучения в биоткани и значительной спектральной специфичности.

3. Разработка комбинации методов оптической диагностики с методами лазерной терапии (такую интеграцию называют тераностикой) для раннего обнаружения и затем своевременного уничтожения патологических образований. 

4.  Преклиническая апробация разработанных методов тераностики на моделях животных с фокусом на изучение, дианостику и лечение онкологических заболеваний.

5.  Пилотные испытания новых методов оптической диагностики в сочетании с оптическим просветлением биологических тканей на добровольцах и, затем, на пациентах   с онкологическими заболеваниями (при наличии соответствующих медицинских разрешений).

Публикации

2018 год

Tuchin, V.V.Biophotonics for lymphatic theranostics in animals and humans [Text] / V.V.Tuchin, V.P.Zharov, E.I.Galanzha // Journal of biophotonics. – 2018. Vol. 11(8). – P. e201811001.

Jawad, J.H. Dynamic blood flow phantom with negative and positive photoacoustic contrasts [Text] / J.H.Jawad, M.Sarimollaoglu, A.S.Biris, V.P.Zharov // Biomedical Optics Express. – 2018. Vol. 9. – P. 4702-4713, IF 3.5)

Juratli, M.A. Noninvasive label-free detection of circulating white and red blood clots in deep vessels with focused photoacoustic probe [Text] / M.A.Juratli, Y.A.Menyaev, M.Sarimollaoglu, E.Siegel, D.A.Nedosekin, W.C.Culp, J.Y.Suen, E.I.Galanzha, V.P.Zharov // Biomedical Optics Express. – 2018. Vol. 9. – P. 5667-5677).

Nolan, J. Detection of apoptotic circulating tumor cells using in vivo fluorescence flow cytometry [Text] / J.Nolan, D.A.Nedosekin, E.I.Galanzha, V.P.Zharov // Cytometry Part A. – 2018. doi: 10.1002/cyto.a.23642).

Nima, Z.A. Bioinspired magnetic nanoparticles as multimodal photoacoustic, photothermal, and photomechanical contrast agents [Text] / Z.A.Nima, F.Watanabe, A.Jamshidi-Аrsian, M.Sarimollaoglu, D.A.Nedosekin, J.A.Watts, M.Han, A.S.Biris, V.P.Zharov, E.I.Galanzha // Scientific Reports, Nature group journal (accepted, in press).).

Novoselova, M.V. Giant photoacoustic effects at multilayered plasmon–dye interfaces [Text] / M.V.Novoselova, D.N.Bratashov, M.Sarimollaoglu, D.A.Nedosekin, W.Harringston, J.A.Watts, M.Han, B.N.Khlebtsov, E.I.Galanzha, D.A.Gorin, V.P.Zharov // Journal of Biophotonics. - 2019, doi 10.1002/jbio.201800265.

Usoltseva, L.O. Absorption spectra of nanodiamond aqueous dispersions by optical absorption and optoacoustic spectroscopies. [Text] / L.O.Usoltseva, D.S.Volkov, D.A.Nedosekin, M.V.Korobov, M.A.Proskurnin, V.P.Zharov // Photoacoustics. – 2018. Vol. 12. – P. 55-66.)

Nima, Z.A. Quantification of intracellular graphene and induced surface receptor responses [Text] / Z.A.Nima, K.B.Vang, D.Nedosekin, G.Kannardy, V.Saini, S.Bourdo, W.Majeed, F.Watanabe, E.Darrigues, K.M.Alghazali, R.A.Alawajji, D.Petibone, S.Ali, A.R.Biris, D.Casciano, A.Ghosh, G.Salamo, V.Zharov, A.S.Biris // Nanoscale. – 2018. doi:10.1039/C8NR06847J.

Bashkatov, A.N. measurement of tissue optical properties in the context of tissue optical clearing [Text] / A.N.Bashkatov, K.V.Berezin, K.N.Dvoretskiy, M.L.Chernavina, E.A.Genina, V.D.Genin, V.I.Kochubey, E.N.Lazareva, A.B.Pravdin, M.E.Shvachkina, P.A.Timoshina, D.K.Tuchina, D.D.Yakovlev, D.A.Yakovlev, I.Yu.Yanina, O.S.Zhernovaya, V.V.Tuchin // Biomedical Optics Express. – 2018. Vol. 23(9). – P. 091416. doi: 10.1117/1.JBO.23.9.091416.

Sdobnov, A.Yu. Recent progress in tissue optical clearing for spectroscopic application [Text] / A.Yu.Sdobnov, M.E.Darvin, E.A.Genina, A.N.Bashkatov, J.Lademann, V.V.Tuchin // Spectrochimica Acta Аrt A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2018. Vol. 197. – P. 216–229. https://doi.org/10.1016/j.saa.2018.01.085.

2019 год

Galanzha E.I. In vivo liquid biopsy using Cytophone platform for photoacoustic detection of circulating tumor cells in patients with melanoma [Text] / E.I. Galanzha, Y.A. Menyaev, A.C. Yadem, M. Sarimollaoglu, M. A.Juratli, D.A. Nedosekin, S.R. Foster, A. Jamshidi-Parsian, E.R. Siegel, I. Makhoul8, L.F. Hutchins, J.Y. Suen, V.P. Zharov // Sci. Transl. Med. – 2019. Vol.11. – P. eaat5857)

Steenbergen W. Estimating the Addressed Blood Volume in Theranostic in vivo Flow Cytometry Towards Reaching the Total Blood Volume by in vivo Flow Cytometry and Theranostics  [Text] / W. Steenbergen, V.P. Zharov // Cytometry Part A. – 2019. Vol.95 - P. 1223).

Sindeevа O.A. New Frontiers in Diagnosis and Therapy of Circulating Tumor Markers in Cerebrospinal Fluid In Vitro and In Vivo [Text] / O.A. Sindeevа, R.A. Verkhovskii, M. Sarimollaoglu, G.A. Afanaseva, A.S. Fedonnikov, E.Yu. Osintsev, E.N. Kurochkina, D.A. Gorin, S.M. Deyev, V.P. Zharov, E.I. Galanzha // Cells. -  2019. Vol. 8. – P. 1195).

Mokrousov M.D. Amplification of photoacoustic effect in bimodal polymer particles by self-quenching of indocyanine green [Text] / M.D. Mokrousov, M.V. Novoselova, J. Nolan, W. Harrington, P. Rudakovskaya, D.N. Bratashov, E.I. Galanzha, J.P. Fuenzalida-Werner, B.P. Yakimov, G.Nazarikov, V.P. Drachev, E.A. Shirshin, V.Ntziachristos, A.C. Stiel, V.P. Zharov, D.A. Gorin // Biomedical Optics Express. – 2019. Vol. 10. – P. 4775).

Harrington W.N. Photoswitchable Spasers with a plasmonic core and photoswitchable fluorescent proteins [Text] / W.N Harrington, M.V. Novoselova, D.N. Bratashov, B.N. Khlebtsov, D.A. Gorin, E.I. Galanzha, V.P. Zharov // Scientific reports. – 2019.  Vol. 9. – P.1)

Novoselova M.V. Photoacoustic effects at multilayered plasmon–dye interfaces [Text] / M.V.Novoselova, D.N.Bratashov, M.Sarimollaoglu, D.A.Nedosekin, W.Harringston, J.A.Watts, M.Han, B.N.Khlebtsov, E.I.Galanzha, D.A.Gorin, V.P.Zharov // Journal of Biophotonics.- 2019. Vol.12. – P. -e201800265).

Дубровский В.А. Оптическая цифровая регистрация седиментации эритроцитов и ее моделирование в форме коллективного процесса [Text] / В.А. Дубровский, К.Н. Дворецкий, С.В. Марков, Е.П. Карпочева, В.В. Тучин // Оптика и спектроскопия. – 2019. Том 126(5)).

Carneiro I. Kinetics of Optical Properties of Muscle During Optical Clearing [Text] / I.Carneiro, S. Carvalho, R.Henrique, L. Oliveira, V.V. Tuchin // IEEE Journal od selected topis in quantum electronics. – 2019. Vol. 25 (1)).

2020 год

Genina E.A. Rapid Ultrasound Optical Clearing of Human Light and Dark Skin [Text] / E.A.Genina, Y.I.Surkov, I.A.Serebryakova, A.N.Bashkatov, V.V. Tuchin, V.P. Zharov // IEEE Trans Med Imaging. - 2020. DOI: 10.1109/TMI.2020.2989079.

Novoselova M.V. Optical clearing for photoacoustic lympho- and angiography beyond conventional depth limit in vivo [Text] / M.V. Novoselova, T.O. Abakumova, B.N. Khlebtsov, T.S. Zatsepina, E.N. Lazareva, V.V. Tuchin, V.P. Zharov, D.A. Gorin, E.I. Galanzha // Photoacoustics. - 2020, 20, 100186.

Kozlova A. Dynamic blood flow phantom for in vivo liquid biopsy standardization [Text] / A. Kozlova, D. Bratashov, O. Inozemtseva, O. Grishin, A. Abdurashitov, E. Prikhozhdenko, R. Verkhovskii, E. Shashkov, V. P. Zharov // Sci. Rep. - 2020.

Dyachenko (Timoshina) P.A. Detection of melanoma cells in whole blood samples using spectral imaging and optical clearing [Text] / P.A. Dyachenko (Timoshina), L.E. Dolotov, E.N. Lazareva,  A.A. Kozlova, O.A. Inozemtseva, R.A. Verkhovskii, G.A. Afanaseva, N.A. Shushunova, V.V. Tuchin, E.I. Galanzha, V.P. Zharov  // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics – 2020. doi: 10.1109/JSTQE.2020.304743

Nozdriukhin D. Gold Nanoparticle-Carbon Nanotube Multilayers on Silica Microspheres: Optoacoustic-Raman Enhancement and Potential Bioapplications [Text] / N. Besedina, V. Chernyshev, O. Efimova , P. Rudakovskaya , M. Novoselova, D. Bratashov, R. ChuprovNetochin, R. Kamyshinsky, A. Vasiliev, D. Chermoshentsev, S. Dyakov, V. Zharov, N. Gippius, D. Gorin, A. Yashchenok //  Materials Science & Engineering C. - 2020, DOI: 10.1016/j.msec.2020.111736.

Ishbulatov Y.M. Comparing the spectral properties of the laser-induced acoustic responses from blood and cancer cells in vitro [Text] / Y.M. Ishbulatov, V.V. Skazkina, A.S. Karavaev, O.A. Inozemtseva, D.N. Bratashov, A.S. Abdurashitov, O.V. Grishin, A.N. Hramkov, V.P. Zharov // Russian Open Medical Journal.  - 2020, Vol.9, DOI: 10.15275/rusomj.2020.0209).

Y.M. Ishbulatov, V.V. Skazkina, A.S. Karavaev, O.A. Inozemtseva, D.N. Bratashov, A.S. Abdurashitov, O.V. Grishin, A.N. Hramkov, V.P. Zharov /Applicability of correlation analysis for dynamic detection of single cancer cells with photoacoustic technique, 2020 4th Scientific School on Dynamics of Complex Networks and their Application in Intellectual Robotics (DCNAIR), Innopolis, Russia, 2020, pp. 110-111, doi: 10.1109/DCNAIR50402.2020.9216923).