Разработка комплексного время-разрешенного флуоресцентно-голографического подхода для исследования фотодинамического воздействия на клетки на молекулярном уровне

В Проекте предлагается проведение комплексных исследований реакции живых клеток разной онкогенности на фотодинамическое воздействие (ФДВ). Исследования, основанные на разработке и применении новейших оптических методов исследования, будут осуществляться коллективом ученых-физиков из ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт Петербург в сотрудничестве с учеными-биологами из Института Цитологии РАН, Санкт Петербург. Актуальность Проекта обусловлена с одной стороны активно растущим в мире применением метода фотодинамической терапии к лечению онкологических, вирусных и бактериальных заболеваний, а с другой - недостатком фундаментальных знаний о внутриклеточных процессах, происходящих в клетках при ФДВ на молекулярном уровне. Проект находится в русле направления Н3 Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации “Переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов (прежде всего антибактериальных)”. Целью Проекта является разработка комплексного флуоресцентно-голографического подхода для исследования ФДВ на клетки на молекулярном уровне и изучения изменений морфологических, физиологических и оптических параметров клеток в ходе и в результате этого воздействия. Комплексность исследования будет обеспечена привлечением современных взаимодополняющих физических методов исследования - время-разрешенной флуоресцентной микроскопии и голографической микроскопии и томографии. Комплементарное использование этих методов позволит изучить ранние структурные и функциональные изменения, происходящие в клетках при ФДВ, и проследить их динамику, а также выявить связь вариабельности этих изменений с характерными особенностями, присущими клеткам разной онкогенности. Оригинальность предлагаемых исследований обеспечивается тем, что они будут в значительной мере основаны на методах анализа и технических решениях, предложенных и разработанных авторами данного Проекта. Фотодинамическая терапия является быстро развивающимся методом лечения ряда онкологических, дерматологических, бактериальных и вирусных заболеваний. Благодаря успехам в создании новых фотосенсибилизаторов и совершенствовании способов доставки оптического излучения в глубокие слои тканей этот метод позволяет производить эффективную терапию широкого спектра заболеваний с минимальными побочными эффектами. Однако, несмотря на растущее применение этого подхода в клинической практике на сегодняшний день многие аспекты этого подхода недостаточно хорошо изучены. Это касается как конкретных механизмов воздействия образующихся активных форм кислорода на клетку, так и физиологических внутриклеточных параметров в областях локализации молекул фотосенсибилизаторов и их изменения в ходе ФДВ. Поэтому исследования, связанные с определением этих характеристик в клетках как нормальных, так и злокачественных тканей, востребованы на мировом уровне. Определение набора этих параметров и их возможного изменения в ходе ФДВ и после него предоставит важную информацию о происходящих процессах и позволит выделить характерные особенности клеток злокачественных опухолей для последующего совершенствования протоколов фотодинамической терапии. В ходе работ по Проекту будут проведены эксперименты по измерению набора морфологических, оптических и физиологических параметров в клетках разной степени онкогенности в исходном состоянии, а также проведен мониторинг изменений этих характеристик в результате ФДВ с разными дозами. Эксперименты по регистрации время-разрешенных сигналов флуоресценции и распределений показателя преломления и их интерпретация с использованием современных методов обработки данных, в том числе с помощью разработанных авторами алгоритмов и моделей, позволят развить современное представление о процессах, происходящих в живых клетках нормальных и злокачественных тканей при ФДВ. Параллельный мониторинг широкого набора величин, характеризующих как макроскопические, так и микроскопические параметры клеток позволит также сделать выводы о наличии взаимной корреляции между этими характеристиками. Серьезным преимуществом разрабатываемого подхода является то, что основные методы, планируемые к использованию в рамках выполнения Проекта, являются полностью неинвазивными и не требуют введения дополнительных веществ, помимо самого фотосенсибилизатора, необходимого для осуществления ФДВ. Это позволит повысить точность получаемых данных, и минимизирует влияние процесса измерения морфологических и физиологических характеристик клетки на ее состояние. Ключевым аспектом Проекта является проведение исследований на клеточных линиях с разной онкогенностью. Это позволит сделать выводы об универсальности наблюдаемых в ходе экспериментов закономерностей и выделить особенности, свойственные для клеток с высокой степенью онкогенности. На основе полученных экспериментальных данных будут сделаны выводы об особенностях накопления фотосенсибилизатора и эффективности ФДВ в клетках с повышенной онкогенностью. В ходе реализации Проекта будет разработан универсальный подход к анализу морфологических, физиологических и оптических параметров клеток, который впоследствии может быть использован для изучения широкого класса воздействий на биологические объекты. Проект обладает высокой степенью новизны на мировом уровне и может привести к качественному скачку в понимании механизмов ФДВ на клетки и клеточные структуры.