Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии и программного обеспечения измерения внутриклеточного давления клетки по данным атомно-силовой микроскопии

Номер контракта: 14.574.21.0025

Руководитель: Нагорнов Юрий Сергеевич

Должность: старший научгый сотрудник ТГУ

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
атомно-силовая микроскопия, мембрана клетки, внутриклеточное давление, моделирование ригидности мембраны клетки, клетки крови

Цель проекта:
Цель проекта - разработка методик, математических моделей и программного обеспечения для обработки данных атомно-силовой микроскопии с целью визуализации упругих состояний мембраны клеток крови и оценки внутриклеточного давления в соответствии с разработанными математическими моделями. Актуальность и научная новизна ПНИР – проект направлен на развитие методов атомно-силовой микроскопии в изучении биологических объектов - морфологии эритроцитов и состояния их мембраны. Трехмерное изображение эритроцита позволяет оценить степень состояния мембраны и ее упругих свойств, которые для эритроцита является индикатором работы ионных насосов в мембране. В свою очередь внутриклеточное давление создается упругими свойствами мембраны и ионными насосами, нарушения в работе которых влияют на морфологию эритроцита и величину внутриклеточного давления. Направление исследований является перспективным для лечения онкологических заболеваний, поскольку при химиотерапии в раковых клетках происходят нарушения работы ионных каналов более существенные, чем в здоровых клетках.

Основные планируемые результаты проекта:
В качестве конечного продукта ожидалось, что будут получены методика расчета и программное обеспечение анализа данных атомно-силового прибора Next, математическая модель упругих состояний мембраны с целью нахождения их взаимосвязи с вязкоупругими свойствами внутриклеточной среды клеток крови. На основе полученных данных планировалось разработать программное обеспечение, позволяющее пользователю выделять клетки крови на скане атомно-силового микроскопа для дальнейшего анализа их внутриклеточного давления. Для объективной оценки разработанной методики расчета планировалось провести серию экспериментов на атомно-силовом микроскопе по анализу упругих свойств мембраны клеток крови. Планировалось, что будет разработана многопроходная методика определения внутриклеточного давления клеток на основе данных атомно-силовой микроскопии и математической модели наномеханических свойств клетки. С целью коммерциализации разработанных методик планировалось разработать программную документацию к программному комплексу оценки внутриклеточного давления на приборе Next.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В рамках проекта разработана методика определения внутриклеточного давления клеток на основе данных атомно-силовой микроскопии и математической модели наномеханических свойств клетки. Разработан программный комплекс расчета упругих состояний и оценки внутриклеточного давления по данным атомно-силовой микроскопии, который позволяет пользователю после проведения исследования поверхности мазка крови методами атомно-силовой микроскопии провести расчет величины внутриклеточного давления. Для этого необходимо провести предварительную нормировку или задание начальной выборки морфологии эритроцитов в норме, которая будет являться относительным показателем нормального или нулевого внутриклеточного давления. При патологии, например, при механической желтухе под действием билирубина или под действием лекарственных препаратов противоопухолевого действия, будут происходить изменения внутриклеточного давления, которые обнаруживаются на новой выборке АСМ данных эритроцитов по сравнению с выборкой эритроцитов в норме. Экспериментальные исследования эритроцитов при механической желтухе показали, что внутриклеточное давление является чувствительным параметром, отражающем состояние мембраны эритроцитов.
В мировой практике существуют методы обработки данных атомно-силовой микроскопии биологических объектов, преимущественное большинство которых преобразует полученные данные математическими методами, но не проводит сравнительный анализ выборок биологических объектов. В этом направлении полученные результаты проекта являются перспективными и инновационными, опережающими мировой уровень исследований.
Разработана программная документация на программный комплекс определения внутриклеточного давления клеток на основе данных атомно-силовой микроскопии для прибора Next.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПНИР будут применяться в медицине для диагностики и лечения онкологических заболеваний как инновационные методы и подходы, связанные с оценкой внутриклеточного давления в клетках крови. Диагностика внутриклеточного давления необходима при лечении онкологических заболеваний, поскольку для раковых клеток давление, при котором происходит гибель клетки намного меньше, чем для здоровых клеток. Таким образом, проект позволит развивать инновационные методы лечения рака на клеточном уровне с переходом к персонализированной медицине. При дальнейшей реализации проекта будет разработана диагностика онкологических заболеваний, на основе которой предлагается разработать эффективные методы лечения. Основанием для успешного коммерческого завершения проекта является тот факт, что упругие свойства мембраны раковых клеток в разы меньше, чем у здоровых клеток, а следовательно для раковых клеток давление, при котором происходит гибель клетки также намного меньше, чем у здоровых клеток.
В качестве перспективного коммерческого продукта ПНИР возможна разработка биосенсоров для измерения внутриклеточного давления и технологии их производства.

Текущие результаты проекта:
На основе данных атомно-силовой микроскопии скана эритроцитов проведена экспериментальная проверка способа расчета внутриклеточного давления. Проведен расчет внутриклеточного давления эритроцитов экспериментальных животных при механической желтухе разной степени. Показано, что с ростом концентрации билирубина в крови происходит разрушение мембраны эритроцитов, в среднем увеличение их объема и существенное увеличение внутриклеточного давления.
Разработан метод определения внутриклеточного давления и программное обеспечение для автоматизированного анализа данных атомно-силового микроскопа. Метод является инновационным, мировых аналогов программному обеспечению в настоящее время нет.
Метод возможно использовать для разработки биосенсоров анализа крови на предмет измерения внутриклеточного давления.