Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка аппаратно-методического комплекса для нано- и микрохирургии ранних эмбрионов млекопитающих с использованием фемтосекундных и непрерывных лазеров с излучением в окне прозрачности биологической ткани

Докладчик: Надточенко Виктор Андреевич

Должность: руководитель (заведующий, начальник) лаборатории

Цель проекта:
1. Формулировка проблемы: Разработка приборов и технологий для нано- и микрохирургии ранних эмбрионов млекопитающих, минимизирующих негативные воздействия на эти эмбрионы, применимых в медицинских клиниках и для нужд сельского хозяйства. 2. Формулировка цели проекта: Развитие принципиально новой технологии и разработка необходимого материально-технического оснащения для проведения высокоэффективной минимально инвазивной нанохирургии эмбрионов млекопитающих с использованием фемтосекундных и непрерывных лазеров с излучением в ближнем ИК диапазоне в окне прозрачности биологической ткани. Разработка на основе этой технологии методов получения генетически модифицированных доимплатационных эмбрионов млекопитающих. Конечными продуктами, планируемыми к получению на основе результатов проекта, являются аппаратно-программный комплекс и совокупность методик, позволяющих осуществлять широкий спектр микро- и нанохирургических вмешательств со значительно меньшими повреждениями эмбриона по сравнению с классическими микрохирургическими методиками за счёт использования передовых лазерных технологий.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов. 2. Основные характеристики планируемых результатов.
На основе фемтосекундного лазера будет создана уникальная многоскальпельная техника для проведения различных, тончайших микрохирургических манипуляций на разных биологических объектах, в том числе на ранних эмбрионах млекопитающих. Будет также разработана технология реконструкции эмбрионов млекопитающих, основанная только на использовании лазерного излучения. Будет минимизирована опасность разнообразных побочных эффектов, связанных с манипулированием эмбрионами. Все это открывает новые перспективные пути для использования эмбриональных стволовых клеток и ранних эмбрионов в практической медицине и животноводстве.
Инновационная составляющая. Создаваемая многоскальпельная микрохирургическая технология и методы ее использования для получения геномодифицированных животных пока не имеют аналогов. Дальнейший перенос полученных результатов на исследования, связанные с человеком могут привести к революционным прорывам как в медицине, так и в животноводстве.
На основе прототипа комплекса фемтосекундной лазерной хирургии будет разработан экспериментальный образец комплекса фемтосекундной лазерной спектроскопии.
Эскизная документация для комплекса фемтосекундной лазерной спектроскопии.
Экспериментальный образец голографического мультиплексора лазерного пучка фемтосекундного лазерного скальпеля и лазерного пинцета.
Программное обеспечение для управления голографическим мультиплексором.
Методика использования фемтосекундного лазерного скальпеля для слияния бластомеров в эмбрионах мыши на ранних стадиях развития.
Методика использования лазерного скальпеля для оптоперфорации "блестящей оболочки" эмбриона.
Методики введения ген-модифицированных клеток в зону пеллюцида эмбриона с помощью лазерного пинцета.

а) будет создан мультиплексный фемтосекундный голографический лазерный «пинцет-скальпель», который может быть использован для нано- и микрохирургии в медицине и ветеринарии.
б) применительно к медицине будут созданы основы более эффективных и минимально инвазивных технологий:
- одностадийная технология получения чистой линии - моделей болезней человека
- получения индивидуальных ЭСК млекопитающих, что может быть в дальнейшем использовано для терапевтического клонирования эмбрионов человека;
- выделения направительных телец для ранней эмбриональной диагностики генетических заболеваний;
- эстракорпорального оплодотворения, основанного на методе внутрицитоплазматической инъекции спермы.
в) применительно к сельскому хозяйству будут созданы основы более эффективных технологий:
- репродуктивного клонирования животных;
- получения трансгенных животных;
- создания химер.

3. Оценка элементов новизны решений.
Фемтосекундная лазерная нанохирургия клеток и эмбрионов - новое, перспективное направление в биофотонике. Новизна данной работы состоит в разработке аппаратно-методического комплекса для нано- и микрохирургии ранних эмбрионов млекопитающих с использованием многоскальпельной технологии. Данный комплекс позволит проводить широкий спектр операций по реконструкции клеток и эмбрионов.

4. Сопоставление с результатами аналогичных работ.
Работы по подобной тематике ведутся в США, Англии, Германии, Японии и ряде других стран. Предлагаемый комплекс находится на уровне лучших образов, а по ряду параметров превосходит зарубежные аналоги.

5. Пути и способы достижения заявленных результатов.
Достижение заявленных результатов достигается через разработку высокоэффективной и минимально инвазивной технологии манипуляций с ранними эмбрионами млекопитающих на основе нано- и микрохирургии с использованием фемтосекундных и непрерывных лазеров с длиной волны излучения в окне прозрачности биологической ткани. Решением задачи является разработка методик (протоколов) хирургических манипуляций с ранними эмбрионами млекопитающих с использованием имеющегося в ИХФ РАН прототипа комплекса фемтосекундной лазерной хирургии. В работе используется излучение титан-сапфирового лазера в диапазоне длин волны от 760 нм до 850 нм, т.е. в диапазоне прозрачности биологической ткани. В качестве под-задачи выступает разработка голографического мультиплексора фемтосекундного лазерного скальпеля и лазерного пинцета. Назначение мультиплексора - преобразование лазерного пучка фемтосекундного лазера и/или пучка непрерывного лазера в множество пучков (до 10) методами динамической голографии и таким образом сформировать в поле микроскопа множества лазерных скальпелей и/или пинцетов. С использованием разработанного программного обеспечения каждый из скальпелей и/или пинцетов в поле микроскопа может выполнять заданную операцию, определенную именно для данного скальпеля и/или пинцета. Мультиплексирование позволяет перейти от простых операций с одним скальпелем и/или пинцетом к сложным операциям, в которых используется множество скальпелей пинцетов и при этом не требуется умножать количество используемых лазеров. Следует отметить, что мультиплексирование лазерных пинцетов позволяет создать сложный ландшафт оптических ловушек в поле микроскопа и существенно расширить функциональность комплекса лазерной хирургии. Для реализации техники мультиплексирования лазерных пучков и формирования динамической голографической картины используются устройства адаптивной оптики, в частности SLM (space light modulator) матрицы. Управление осуществляется с использованием программного обеспечения, написанного для персонального компьютера.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Области применения планируемых результатов.
а) будет создан мультиплексный фемтосекундный голографический лазерный «пинцет-скальпель», который может быть использован для нано- и микрохирургии в медицине и ветеринарии.
б) применительно к медицине будут заложены основы более эффективных и минимально инвазивных технологий:
- одностадийная технология получения чистой линии - моделей болезней человека
- получения индивидуальных ЭСК млекопитающих, что может быть в дальнейшем использовано для терапевтического клонирования эмбрионов человека;
- выделения направительных телец для ранней эмбриональной диагностики генетических заболеваний;
- эстракорпорального оплодотворения, основанного на методе внутрицитоплазматической инъекции спермы.
в) применительно к сельскому хозяйству будут заложены основы более эффективных технологий:
- репродуктивного клонирования животных;
- получения трансгенных животных;
- создания химер.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Основными площадками для внедрения результатов проекта являются:
- Клиники ЭКО (включая клинику "Альтравита" - ООО "ЭКО центр", индустриального партнёра проекта).
- Научные учреждения, проводящие исследования в области репродуктивных технологий.
- Организации, ведущие прикладные разработки в области животноводства.

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений:
Планируемые результаты окажут существенное влияние на развитие технологий ЭКО и реконструирования клеток и эмбрионов, как медицинских, так и научно-исследовательских. Применительно к сельскому хозяйству с использованием результатов проекта могут быть созданы более эффективные технологии репродуктивного клонирования животных, получения трансгенных животных, создания химер.


Текущие результаты проекта:
Выполнены все запланированные работы на первый этап проекта.
Содержание выполненных работ и мероприятий:
1.1 Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы.
1.2 Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
1.3 Выполнено исследование, обоснование и выбор методов и средств, направлений исследований и способов достижения цели ПНИ.
1.4 Разработана общая схема комплекса фемтосекундной лазерной нанохирургии.
1.5 Выполнен подбор отдельных компонентов комплекса фемтосекундной лазерной нанохирургии, включая выбор среди аналогов, и проведено экспериментальное изучение их свойств.
1.6 Выполнен выбор биологических объектов для решения задач ПНИ и проведено экспериментальное определение их ключевых свойств.