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

Номер контракта: 14.604.21.0058

Руководитель: Надточенко Виктор Андреевич

Должность: заведующий лаборатрией

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
фемтосекундный голографический лазерный «пинцет-скальпель» одностадийная технология получения чистой линии - моделей болезней человека технология получения индивидуальных эск млекопитающих, технология получения трансгенных животных.

Цель проекта:
Разработка комплекса 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. Создание методик по проведению манипуляций с эмбрионами с помощью разработанного комплекса.

Основные планируемые результаты проекта:
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 манипулированиями с эмбрионами. Все это открывает новые перспективные пути для использования ЭСК 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 голографического мультиплексора.
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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разработаны оптические схемы и программное обеспечение для формирования динамического управления ансамблем оптических ловушек. Осуществляется одновременное и независимое управление оптическими ловушками. Принципиально важное значение имеет программно-математическое решение проблемы быстрого и точного управления множеством ловушек. Для подбора оптимальных условий проведения микрохирургических манипуляций в установке будет предусмотрена возможность изменения различных параметров лазерного луча, в том числе мощности излучения, времени воздействия лазерного луча, дозы воздействия. Разработана методика позиционирования объектов с точностью 5 нм. Визуальный контроль осуществляется по регистрации изображения с помощью камеры CCD, атомно-силового микроскопа и
регистрации двухфотонной флуоресценции.

Разрабатываемый лабораторный макет установки состоит из трех основных частей: непрерывный и фемтосекундный лазер; фазовые пространственные модуляторы и микроскоп. Пучок сформированных фемтосекундных импульсов и луч непрерывного импульса направляются на разные фазовые пространственные модуляторы. Эти модуляторы осуществляют мультиплексирование оптических ловушек методами голографии с использованием управляемой компьютером жидко-кристаллической матрицы. Полученная голограмма с множеством оптических ловушек переносится на предметный столик микроскопа, на котором расположены объекты исследования. Теоретически и экспериментально решена задача о параметрах фемтосекундных импульсов, для которых можно пользоваться интерференционным подходом мультиплексирования. Разработаны оптические схемы и программное обеспечение для одновременного и независимого управления оптическими ловушками и формирования динамического управления ансамблем оптических ловушек. Для подбора оптимальных условий проведения микрохирургических манипуляций в установке будет предусмотрена возможность изменения различных параметров лазерного луча, в том числе мощности излучения, времени воздействия лазерного луча, дозы воздействия.

Разрабатываемый комплекс находится на самом передовом мировом уровне. Отличительная особенность системы состоит в том, что комплекс обеспечивает универсальность проведения операций и/или манипуляций с клеткой и/или эмбрионом.

Ограничения и риски вытекают из определенной ограниченности в фундаментальных знаниях о воздействии лазерного излучения на отдельные органеллы эмбриона что означает необходимость продолжать фундаментальные научные исследования и накапливать фундаментальные знания.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения, способы использования 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 созданы более эффективные и минимально инвазивные технологии:
- 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 более эффективные технологии:
- репродуктивного клонирования животных;
- получения трансгенных животных;
- создания химер.

Текущие результаты проекта:
Выполнена разработка и создан экспериментальный образец голографического мультиплексора, позволяющего разделять луч фемтосекундного лазера на несколько пучков (до 10 пучков), предназначенных для манипуляций с несколькими биологическими объектами. Голографический манипулятор включает в себя SLM (space light modulator – пространственный модулятор света) матрицу. На основании проведенных расчетов и теоретического анализа сделан выбор варианта решения - использования жидкостного оптического пространственного модулятора света SLM Holoeye Photonics AG.

Разработаны:
- Программная документация на программное обеспечение для управления голографическим мультиплексором. Разработанное программное обеспечение «Голографический мультиплексор» (далее ПО) представляет из себя единый исполняемый файл, который, посредством вызова различных интерфейсов, позволяет работать с соответствующими аппаратными средствами
- Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец голографического мультиплексора.
- Первичная эскизная документация на экспериментальный образец комплекса фемтосекундной лазерной нанохирургии.