Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка программно-аппаратного комплекса для микрохирургии эмбрионов млекопитающих на основе комбинированной системы фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель с целью замещения стандартных методов проведения эмбриохирургических процедур

Докладчик: Ситников Дмитрий Сергеевич

Должность: старший научный сотрудник

Цель проекта:
Общий термин "инфертильность" (бесплодие) определяется как заболевание репродуктивной системы, влекущее неспособность забеременеть или довести беременность до разрешения. Согласно Мировой статистике здравоохранения Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в 2009 г. в Российской Федерации суммарный показатель фертильности составил 1,4 ребенка на женщину, однако всего двадцать лет назад в 1990 г. он равнялся 1,9. Глобальная норма поддержания воспроизводства населения составляет 2,1 ребенка на женщину. Это отрицательно сказалось на ежегодном росте населения в процентах в прошлом десятилетии (1999-2009 гг.) в Российской Федерации, который составил -0,4%. Вместе с тем, последние годы характеризуются увеличением числа рождений: если в 2006 г. родилось почти 1,5 млн. детей, то в 2012 г. - уже 1,9 млн., что явилось рекордным показателем за годы реализации демографической программы. "Суммарный коэффициент рождаемости увеличился на 30,8%, - отметил министр труда и социальной защиты РФ Максим Топилин. - В 2012 г. на одну женщину репродуктивного возраста приходилось 1,7 ребенка, тогда как в 2006 г. - только 1,3". Частота бесплодных браков в России превышает 15%, что, по данным ВОЗ, считают критическим уровнем. В стране зарегистрировано более 5 миллионов бесплодных супружеских пар, из них более половины нуждаются в использовании методов ВРТ. По экспертной оценке, показатель только женского бесплодия за последние 5 лет увеличился на 14%. Основой для развития целого ряда подходов, которые в настоящее время объединены общим термином ВРТ, стал классический метод ЭКО и подсадка эмбриона в полость матки. Виды ВРТ: •вынашивание эмбриона женщиной добровольцем («суррогатное» материнство) для последующей передачи ребенка (детей) генетическим родителям; •донорство ооцитов и эмбрионов; •ICSI – инъекция (введение) сперматозоида в ооцит с помощью микроинструментов; •криоконсервация ооцитов и эмбрионов; •преимплантационная диагностика наследственных заболеваний; •редукция эмбрионов при многоплодной беременности; •собственно ЭКО и перенос эмбрионов. В настоящее время в клиниках вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ) для микрохирургии клеточного материала эмбриона используют преимущественно механический микроманипуляционный способ. Требования наличия высококвалифицированного персонала препятствует широкому распространению данных методов в клинической практике и как следствие способствует сохранению высокого значения показателя инфертильности. В настоящий момент процедуры ВРТ требуют высокой квалификации от специалиста (эмбриолога), который должен освоить не только методы обработки и подготовки биоматериала (гамет, эмбрионов), но и работу с микроманипулятором, инъекторами. Отсутствие прогрессивных технологий, таких как бесконтактное манипулирование эмбрионами и их частями, не позволяет перейти на новый уровень в оказании услуг в клиниках ВРТ. Целью проекта является разработка и предоставление научно-исследовательским организациям, занимающимися исследованиями в области эмбриональной микрохирургии, а также клиникам, специализирующимся на ВРТ, новых и эффективных методов и средств проведения исследований. Автоматизация клинических процедур позволит снизить влияние человеческого фактора. Целью проводимых в рамках проекта исследований является проведение экспериментов для разработки программного комплекса нового типа, предназначенного для выполнения автоматизированных микрохирургических процедур с использованием фемтосекундного лазерного пинцета-скальпеля. Это позволит существенно повысить эффективность процедур и выживаемость эмбрионов, а также снизить риск их повреждения и контаминации. Упрощение процедуры микрохирургии и повышение ее эффективности будет достигнуто благодаря прецизионному лазерному воздействию. Использование лазерной системы и программного обеспечения для управления ею позволит выполнять весь спектр необходимых микроопераций с преимплантационным эмбрионом бесконтактным методом, что фактически исключает риск механического повреждения эмбриона, а, значит, повысит процент выживаемости и эффективность клинических процедур ВРТ, в том числе при проведении преимплантационной генетической диагностики и при криоконсервации эмбрионов. Полученные результаты имеют прямое прикладное значение. На основе полученных результатов станет возможным создание опытного образа, а впоследствии серийно выпускаемых моделей «фемтосекундных лазерных пинцетов-скальпелей» (ЛПС), предназначенных для решения задач в ВРТ. В перспективе разработанный метод должен будет с успехом заменить микрохирургические операции, выполняемые стандартными методами. По результатам отчета Российской Ассоциации Репродукции Человека число ВРТ центров в России выросло с 102 до 120, а количество циклов ВРТ увеличилось на 43%, составив 56908 циклов. Фемтосекундный лазерный пинцет скальпель может быть установлен как в указанных центрах, так и в научно-исследовательских учреждениях, занимающимися исследованиями по схожей тематике.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными планируемыми результатами проекта являются:
1. Разработка программного комплекса для выполнения автоматизированных микрохирургических процедур на базе комбинированной системы «фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель), как то:
• Биопсия трофэктодермы;
• Вспомогательный хэтчинг;
2. Экспериментальные данные об эффективности проведения микрохирургических процедур с использованием фемтосекундного лазерного диссектора.
3. Технические требования (проекты технических заданий на проведение ОКР) по реализации результатов прикладных научных исследований в реальных секторах экономики.
4. Продукты интеллектуальной собственности на полученные результаты исследований.

Поскольку целью проекта является разработка и предоставление научно-исследовательским организациям, занимающимися исследованиями в области эмбриональной микрохирургии, а также клиникам, специализирующимся на ВРТ, новых и эффективных методов и средств проведения исследований, полученные научно-технические результаты послужат основой для разработки и создания отечественного коммерчески доступного оборудования, обеспечивающего выполнение задач в обозначенной области на качественно новом уровне. В перспективе это позволит осуществить вывод на рынок биомедицинских технологий новой научно-технической продукции, разработки технологий мирового уровня – «фемтосекундного лазерного пинцета-скальпеля».

Пока что в клинической практике лазерное излучение применяется в основном для выполнения лишь одного этапа процедуры биопсии, а именно для формирования отверстия в оболочке эмбриона. Последующий забор клеточного материала осуществляется механическими средствами – вручную с помощью микропипеток. Развитие технологии оптического манипулирования позволяет отказаться от использования механических средств и выполнять забор клеточного материала для генетической диагностики с помощью сфокусированного лазерного излучения (т.н. оптического пинцета). Первоначально, полностью бесконтактная технология лазерной биопсии эмбрионов была продемонстрирована в 2002 году. Для этого использовалась коммерчески доступная система PALM Robot-CombiSystem, включающая оптический пинцет на основе непрерывного Nd:YAG лазера (длина волны 1064 нм) и скальпель на основе азотного УФ-лазера (длина волны 337 нм). С тех пор, лазерные технологии значительно шагнули вперед, были созданы лазерные системы нового типа. В научных исследованиях в области репродуктивной биологии и медицине начали применять пикосекундные и фемтосекундные лазеры.
Замещение механических и химических средств, активно используемых ранее при проведении манипуляций на эмбрионах, лазерными инструментами позволит снизить вероятность ошибок, вызванных «человеческим фактором» и достичь высоких лабораторных стандартов качества (соблюдение стерильности, повышение точности и эффективности проводимых процедур). При этом особые перспективы связывают с фемтосекундными лазерами, применение которых имеет ряд преимуществ по сравнению с источниками излучения большей длительности или непрерывными лазерами. В основе воздействия фемтосекундных лазерных импульсов лежат нелинейные оптические эффекты, за счет которых достигается высокая точность проводимых процедур, а также минимизируется риск повреждения живых тканей и клеток, так как поглощение излучения и нагрев вне области воздействия сфокусированного лазерного пучка практически отсутствуют.

Ввиду того, что развитие оплодотворенной яйцеклетки является довольно «хрупким» процессом, основной риск при использовании лазерного излучения связан с возможным повреждением генетической информации (ДНК) и нарушением развития эмбриона. Таким образом, при выборе лазера для проведения микроманипуляций на эмбрионах должны учитываться длина волны излучения лазерного источника и оцениваться насколько существенно и длительно тепловое воздействие на живой объект. При этом методика, основанная на лазерном воздействии, должна быть детально продумана и максимально оптимизирована (с точки зрения выбора лазерных параметров) для снижения риска повреждения и негативного влияния на жизнеспособность развивающегося эмбриона

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В настоящее время на рынке медицинского оборудования для научных исследований появляется все больше компаний, предлагающих решения для манипуляции и микродиссекции биологических объектов с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Особенно активно развивается в этом отношении рынок европейских стран. Здесь представлена продукция таких фирм как Rowiak, JenLab GmbH, Zeiss, JPK Instruments (Германия). Рынок Российской продукции отсутствует как таковой. Продукция зарубежных фирм является достаточно дорогой для повсеместного внедрения; кроме того из-за отсутствия представительств большинства зарубежных компаний в России сервис такого технически сложного оборудования сопряжен с рядом сложностей как финансового плана (передача изделия фирме производителю), так и временных потерь. Еще одной немаловажной особенностью представленной продукции является слабая адаптация предлагаемых аппаратных комплексов для решения конкретных медико-биологических задач. Все вышеперечисленное мешает широкому распространению высокотехнологичных инструментов в российскую клиническую практику.
Позитивным моментом в сложившейся ситуации является активно проводящиеся в нашей стране фундаментальные и прикладные исследования по развитию лазерно-биологических технологий, о чем свидетельствует рост научных публикаций. Появление на рынке медико-биологического оборудования отечественной компании, предлагающей высокотехнологичную продукцию на основе лазерных технологий, является вопросом времени. В настоящее время доступны все ключевые компоненты (отечественного производства) для создания систем, лишенных указанных выше недостатков.
Целесообразность самостоятельного проведения исследований по проекту заключается, прежде всего, в устранении зависимости от импортной продукции и технологических процессов. Представляется целесообразным разработка отечественного инновационного оборудования для лазерной микрохирургии эмбрионов и методик, основанных на его использовании. Это будет способствовать развитию Российского производства высокотехнологичного оборудования и, как следствие, развитию экономики страны в целом.
В результате внедрения в клиническую практику разработанных методов бесконтактной эмбриональной микрохирургии прогнозируется получение следующих положительных эффектов в рамках вспомогательных репродуктивных технологий:
- снижение зависимости эффективности процедур от квалификации оператора. Автоматизация отдельных процедур, упрощение работы оператора.
- сокращение издержек клиник на одноразовые прецизионные микроинструменты (холдеры, иглы и/или пипетки для разрушения оболочки эмбриона, пипетки для редукционных телец и бластомеров), а также других расходных материалов;
- снижение риска повреждения эмбриона микроинструментами при извлечении единичных клеток, в том числе и по причине ошибки оператора; повышение эффективности процедур.
На основе полученных результатов станет возможным создание опытного образа, а впоследствии серийно выпускаемых моделей «фемтосекундных лазерных пинцетов-скальпелей» (ЛПС), предназначенных для решения задач в ВРТ. Разработанный метод должен будет с успехом заменить микрохирургические операции, выполняемые стандартными методами
В результате внедрения новых инструментов на основе комбинированной системы «фемтосекундный лазерный-пинцет скальпель» в клиническую практику ожидается дальнейший рост числа центров ВРТ по стране. Следствием этого станет усиление конкуренции на рынке оказываемых услуг и как следствие снижение их стоимости. В настоящий момент стоимость процедуры ЭКО в России составляет в среднем 120-150 тыс. рублей с учетом лекарственных препаратов. Количество квот на бесплатную процедуру не превышает 10000 шт. Поскольку более половины бесплодных супружеских пар (а их количество составляет ~ 5 млн.) нуждаются в применении ВРТ, ожидается, что снижение стоимости услуг положительно скажется на суммарном коэффициенте рождаемости страны в целом.
В результате внедрения в клиническую практику разработанных методов бесконтактной эмбриональной микрохирургии прогнозируется получение следующих положительных социально-экономических эффектов:
1. Создание принципиально новой продукции, призванной устранить недостатки способов и методов применяемых в настоящее время в рамках вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ).
2. Повышение уровня автоматизации процедур ВРТ.
3. Сокращение времени, затрачиваемого на процедуру.
4. Сокращение затрат на одноразовые инструменты.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, по проблеме применения лазеров и систем на их основе для замещения стандартных методов проведения эмбриохирургических процедур, в частности применение лазерных источников излучения в репродуктивной медицине. Данные аналитического обзора позволили обобщить информацию о типах используемых лазерных систем, решаемых в настоящий момент с их помощью задач, а также перспективных направлениях применения лазерных технологий в репродуктивной медицине с учетом требований лазерной безопасности. С учетом постоянного развития лазерных технологий становится возможной оптимизация и модернизация существующих методик манипуляций с преимплантационными эмбрионами, целью которой является снижение возможных негативных воздействий на эмбрионы и достижение высоких показателей выживаемости, имплантации и дальнейшего развития плода. Методика вспомогательного хэтчинга и биопсии клеток трофэктодермы эмбриона не являются исключением. Выполненный аналитический обзор подтвердил актуальность выбранного направления исследований по применению современных лазерных технологий (фемтосекундных лазерных импульсов) и оптимизации параметров воздействия лазерных импульсов для эффективного выполнения указанных процедур в бесконтактном режиме.
2. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. Результатов интеллектуальной (научно-технической) деятельности по выполняемым прикладным научным исследованиям (в понятиях, определенных ст. 1225 части 4 Гражданского кодекса Российской Федерации – изобретения, полезные модели, промышленные образцы, топологии интегральных микросхем, программы для электронно-вычислительных машин, базы данных и секреты производства (ноу-хау)), препятствующих проведению дальнейших исследований обнаружено не было.
3. Разработан план исследований по определению оптимальных экспериментальных значений параметров лазерного воздействия для процедур вспомогательного хэтчинга и биопсии трофэктодермы с помощью комбинированной системы «фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель» (ЛПС).
4. В соответствии с разработанным планом проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров лазерного воздействия для процедуры вспомогательного хэтчинга с помощью ЛПС. Определены оптимальные значения энергии лазерного импульса и длины волны излучения, обеспечивающие максимально высокий уровень нормального развития эмбрионов (максимальную выживаемость эмбрионов и наиболее высокий процент развития до стадии бластоцисты при культивировании эмбрионов in vitro).
5. В соответствии с разработанным планом проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров лазерного воздействия для биопсии трофэктодермы с помощью ЛПС. Определены оптимальные режим воздействия, значения энергии лазерного импульса и длины волны излучения, обеспечивающие максимально высокий уровень нормального развития эмбрионов (максимальную выживаемость эмбрионов при культивировании эмбрионов in vitro) и качество биоптата.
6. Источник фемтосекундного лазерного излучения модернизирован для решения различных задач микрохирургии эмбрионов млекопитающих в рамках программно-аппаратного комплекса.