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

Номер контракта: 14.604.21.0026

Руководитель: Ситников Дмитрий Сергеевич

Должность: старший научный сотрудник

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель, лазерный скальпель, оптический пинцет, вспомогательные репродуктивные технологии, микрохирургия преимплантационных эмбрионов

Цель проекта:
Формулировка задачи/проблемы: повышение эффективности существующих методов (или замещение стандартных методов) ВРТ – вспомогательных репродуктивных технологий. Одним из путей повышения эффективности может быть внедрение инновационных инструментов для реализации метода 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, основанных на бесконтактных лазерных технологиях.

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), включая:
– биопсию трофэктодермы;
– вспомогательный хэтчинг.
2. Экспериментальные данные об эффективности проведения микрохирургических процедур с использованием фемтосекундного лазерного диссектора. Оптимальные параметры лазерного воздействия.
3. Проект технического задания на проведение ОКР по реализации результатов прикладных научных исследований в реальных секторах экономики.
4. Продукты интеллектуальной собственности на полученные результаты исследований.

Основные характеристики планируемых результатов:
1. Программный комплекс должен обеспечивать управление отдельными узлами комбинированной системой «фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель», а также позволять осуществлять в автоматизированном режиме процедуры вспомогательного хэтчинга и биопсии трофэктодермы.
2. Полученные экспериментальные данные должны позволить определить параметры лазерного воздействия обеспечивающие максимальную выживаемость эмбрионов в результате проведения микрохирургических процедур (~90-100%) при максимальной эффективности последних.
3. Эмбриохирургические процедуры будут выполняться полностью бесконтактным способом (без использования микроигл и пипеток), что реализовано впервые.
4. Полученные результаты соответствуют передовому краю прикладных научных исследований в мире.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, создаваемым в ходе реализации проекта, будет являться коммерчески доступный инструмент для выполнения микрохирургических процедур в автоматическом режиме. Применение фемтосекундного лазерного излучения в качестве лазерного скальпеля позволит минимизировать термическое воздействие на биологический объект. Применение непрерывного лазерного излучения в качестве оптического пинцета позволит осуществлять манипуляции с биологическим объектом бесконтактным способом, включая захват и удержание клеток трофэктодермы при выполнении операции биопсии.
В настоящее время в клинической практике для выполнения микрохиругических операций с эмбрионами довольно широко применяются как механические средства (стеклянные иглы, пипетки), так и компактные лазерные системы на основе миллисекундных и микросекундных лазеров. Предлагаемое решение имеет отличие как от первого (предлагаемое решение основано на бесконтактных лазерных технологиях), так и от второго варианта (решение основано на использовании лазерных импульсов ультракороткой длительности, что обеспечивает отсутствие нагрева биологических объектов). Выгоды в случае применения разрабатываемого продукта состоят в снижении затрат на использование одноразовых инструментов (микроиглы, пипетки) и существенном снижении требований к квалификации врача-эмбриолога. Ультракороткая длительность обеспечивает большую безопасность и снижение риска повреждения эмбриона вследствие локальности (тепло не распространяется в стороны за пределы области фокусировки) и точности воздействия.
В то же время на рынке медико-биологического оборудования представлены продукты с использованием фемтосекундных лазерных импульсов, но без оптического пинцета (например, компания Jenlab). Ключевые отличия разрабатываемого продукта состоят в следующем:
• Возможность применения различных типов источников фетосекундного излучения (либо с высокой частотой следования импульсов, либо с высокой пиковой интенсивностью), что обеспечит расширение области применения технологии.
• Модульность конструкции, что обеспечит стыковку с инвертированными микроскопами разных производителей – Olympus, Zeiss, Nikon.
• Наличие разработанных автоматизированных алгоритмов процедур, что обеспечит простоту и удобство использования.
• Контролируемое количество импульсов, воздействующих на объект (с точностью до одного), что обеспечит высокую точность установки дозы облучения.
• Возможность применения фемтосекундных лазерных источников с активным элементом легированным иттербием, что существенно повышает удобство эксплуатации такого источника в силу отсутствия необходимости использования отдельного лазера накачки (например, в случае лазера Ti:Sa).
Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющих мировой уровень, показало, что:
1) В мировой научной литературе не представлены данные о возможности реализации всех указанных технологий с помощью единого универсального прибора. В этом смысле представленная разработка — комбинированная лазерная система фемтосекундный скальпель – оптический пинцет является уникальным достижением, позволяющим объединить в себе функционал нескольких приборов.
2) Благодаря интеграции двух лазерных инструментов в один прибор (фемтосекундный скальпель и оптический пинцет), возможна полная автоматизация бесконтактных микрохиругических процедур, что было продемонстрировано в отчетных работах и опубликованных научных работах. Распространенные в настоящее время лазерные диссекторы типа Octax, Zylos-TM требуют применения ручных механических манипуляторов.
3) Применение фемтосекундных лазерных импульсов обеспечило уникальную возможность проведения операций диссекции и истончения защитной оболочки эмбриона при непосредственном прилегании клеток эмбриона с внутренней стороны оболочки. Это является ключевым отличием от распространенных в настоящее время диссекторов на основе лазерных импульсов милисекундной и микросекундной длительности, при использовании которых сохраняется риск термического повреждения клеток эмбриона.
4) Применение фемтосекундных лазерных импульсов может расширить номенклатуру выполняемых операций за пределы микрохирургии эмбрионов. Например, становится возможным выполнение процедур лазерной трансфекции и гибридизации.

Таким образом, можно отметить передовой уровень разработки, обеспечивающий уникальные возможности и преимущества применения в сравнении с существующими решениям. Выполненные прикладные исследования позволили разработать программно-аппаратный комплекс для выполнения микрохирургических процедур в бесконтактном автоматизированном режиме. В настоящий момент имеется действующий лабораторный образец, с помощью которого были проведены исследования и испытания программного комплекса. Следующей стадией реализации проекта должно стать выполнение ОКР работ и создание опытного образца комбинированной системы фемтосекундный скальпель-оптический пинцет.
Используемые в лабораторном образце комплектующие в большинстве своем коммерчески доступны на рынке, что минимизирует риск невыполнения ОКР.
Текущий уровень разработки по шкале TRL (Technology Readiness Level – уровень готовности технологии) можно отнести к стадии 4 – проведены испытания продукта (технологии) в лабораторных условиях.
Поскольку предполагается внедрение конечного продукта в клиническую практику, после этапа создания опытного образца потребуется проведение клинических (медицинских) испытаний в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14155-1-2008, ГОСТ Р ИСО 14155-2-2008. Этот сложный и дорогостоящий этап в жизни любого медицинского изделия. Для минимизации риска неудачи возможно проведение предварительных испытаний силами разработчика с накоплением большого количества статистической информации по результатам выполнения микрохирургических процедур.
Еще одним из рисков является невостребованность продукта рынком в силу консервативности специалистов. Для его минимизации необходимо проведение мероприятий по демонстрации возможностей продукта (включая выступления на конференциях, участие в выставках, проведение специализированных ознакомительных и обучающих семинаров) и производство некоторого количества демонстрационных образов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В настоящее время в клинической практике довольно широко распространены компактные лазерные системы на основе милли- и микросекундных лазеров (Zilos-tk, Octax, Saturn Active laser), позволяющие выполнять исключительно процедуру вспомогательного хэтчинга. Разрабатываемый программно-аппаратный комплекс на базе фемтосекундного лазерного источника является универсальным инструментом бесконтактной микрохирургии, а его возможности выходят далеко за рамки используемых в настоящее время в клинической практике технологий. 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 и диссекции позволяет отказаться от использования механических средств и выполнять забор клеточного материала для генетической диагностики с помощью сфокусированного лазерного излучения (т.н. оптического пинцета и лазерного скальпеля).
Поскольку целью данного проекта является разработка средств бесконтактной микрохирургии преимплантационных эмбрионов с помощью фемтосекундного лазерного пинцета-скальпеля, то 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. 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 до ~150, а количество циклов ВРТ увеличилось, составив ~70000 циклов в 2013 году. Фемтосекундный лазерный пинцет скальпель может быть установлен как в указанных центрах, так и в научно-исследовательских учреждениях, занимающимися исследованиями по схожей тематике.
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.

В результате внедрения фемтосекундных лазерных пинцетов-скальпелей 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.

Текущие результаты проекта:
– Выполнены патентные исследования по тематике ПНИ, по результатам которых подготовлен отчет.
– Выполнен обзор мировой литературы, сделанный по материалам, посвященным применению лазеров и систем на их основе для замещения стандартных методов проведения эмбриохирургических процедур, в частности, применение лазерных источников излучения в репродуктивной медицине.
– Разработан план исследований по определению оптимальных экспериментальных значений параметров лазерного воздействия для проведения эмбриохирургических процедур согласно плану-графику. План содержит описание объекта и методов исследования, а также хронологию проводимых процедур.
– Проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров лазерного воздействия для процедуры вспомогательного хэтчинга с помощью ЛПС. Выбранные значения параметров обеспечивают выполнение указанной процедуры с максимальной эффективностью и безопасностью для эмбрионов.
– Проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров лазерного воздействия для процедуры биопсии трофэктодермы с помощью ЛПС. Выбранные значения параметров обеспечивают выполнение указанной процедуры с максимальной эффективностью и безопасностью для эмбрионов.
– Модернизирован источник фемтосекундного лазерного излучения для реализации различных режимов его работы, адаптированных для решения различных задач при проведении эмбриохирургических процедур. Доработка источника позволила понижать частоту следования импульсов до заданного значения, управлять излучением на выходе лазерной системы с помощью внешнего сигнала (вкл/выкл), а также формировать цуги излучения с заданным числом лазерных импульсов.
– Разработан программный комплекс «Лазерный пинцет-скальпель» 1.0 для управления комбинированной системой «фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель», позволяющий осуществлять эмбриохирургические процедуры (вспомогательный хэтчинг и биопсия трофэктодермы) в автоматизированном режиме.
– Разработана программная и эксплуатационная документация в составе: Описание применения, Текст программы. Руководство оператора, Руководство по эксплуатации.
– Разработана Программа и методики испытаний (ПМ) для проверки соответствия программного комплекса требованиям ТЗ.
– Программный комплекс «Лазерный пинцет-скальпель» 1.0. и разработанная программная документация прошли испытания по ПМ и соответствуют ТЗ.
– Сделано обобщение и оценка результатов исследований.
– Разработаны предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов ПНИ, вовлечению их в хозяйственный оборот.
– Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
– Разработан проект технического задания на проведение ОКР.