О лаборатории

 

Договор №14.B25.31.0015

 

Лаборатория «Оптическая когерентная томография» Нижегородской государственной медицинской академии создана в рамках Проекта «Разработка новых технологий оптической когерентной томографии для задач индивидуальной терапии рака», проводимого под руководством Ведущего ученого доктора наук в области медицинской физики, профессора Ильи Алекса Виткина в соответствии с Договором №14.В25.31.0015 с Минобрнауки России от 26 июня 2013 года в рамках постановления Правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 220 «О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования».

Проект направлен на разработку технологии многофункциональной спектральной оптической когерентной томографии (ОКТ), которая будет использована для проведения доклинических и клинических исследований по выявлению специфических маркеров и показателей ответа опухоли на различные виды противоопухолевого лечения. Обнаружение специфических маркеров и показателей ответа опухоли на различные виды цитотоксического лечения будет способствовать реализации индивидуальной терапии рака. Технологическая методология объединит ряд функциональных возможностей ОКТ: одновременное получение ко- и кросс-поляризационных ОКТ изображений для характеристики анизотропии ткани, эластографическую обработку изображений с картированием механических характеристик (уровня жесткости), визуализацию микрокапиллярности по анализу спеклов. Платформа многофункциональной спектральной ОКТ реализуется с использованием суб-миллиметровых оптических волокн, в оптимальных условиях получения и анализа изображений в реальном времени и эффективного устранения присущих методу когерентных и других видов помех.

Проект преследует цель создания высокотехнологичной лаборатории мирового уровня, способной решать задачи разработки новых методов оптической диагностики, мониторинга и индивидуализации лечения онкологических заболеваний, создания конкурентоспособных инновационных диагностических систем. Совместная научная программа основывается на достижениях двух лидирующих в мире научных групп в области оптической когерентной томографии − Российской Нижегородской группы и группы Алекса Виткина (г. Торонто, Канада), взаимно дополняющих друг друга профессиональными знаниями.

Структура лаборатории

Лаборатория представляет собой самостоятельную структурную единицу, способную проводить полный цикл исследовательских работ в области функционального оптического биоимиджинга – от исследований на тканях и образцах до работ с модельными животными и пациентами.

1. Блок оптических технологий

Блок предназначен для разработки физических методов визуализации и функциональной диагностики биологических тканей на основе принципов оптической интерференции, поляризационной оптики и математической обработки, а также, реализации их в экспериментальных установках, построенных на базе волоконной оптики. Блок оборудован комплексом измерительного оборудования, включая фотоприемные устройства, оптические измерители мощности и визуализаторы, устройства ввода, вывода и обработки информации, осциллографы, спектранализаторы (электрические и оптические); набором источников излучения – когерентного и низкокогерентного, поляризованного; оптическими столами с набором оптомеханических настроечных и регулировочных элементов для макетирования оптических схем; оборудованием для сварки и контроля волоконнооптических схем.

2. Блок экспериментальной онкологии

Блок включает операционную для работы с экспериментальными животными и минививарий по стандартам SPF. Блок снабжен базовым оборудованием и необходимым инструментарием для выполнения биологических и хирургических манипуляций (операционный стол, стереомикроскоп – для выполнения операций по имплантации ортотопических опухолей, хирургическая лампа, сухожаровой шкаф, дистиллятор, набор микрохирургических инструментов). Минививарий - система особо чистых помещений, включающих моечную с системой автоклавирования, предбокс, коридор-распределитель и три изолированных чистых помещения под содержание животных.

3. Морфологический блок.

Блок включает комплекс оборудования для выполнения полного спектра морфологических исследований, полуавтоматический ротационный микротом Leica RM2245 для приготовления срезов без предварительной обработки тканей; рабочее место морфолога – микроскоп Leica DM2500 с функциями светлого, темного поля, поляризации и флуоресценции с цветной охлаждаемой камерой DFC420C. Криомикротом. Автоматическая станция для консолидации изображений (сопоставление ОКТ, морфологических, конфокальных изображений).

4. Блок оптического имиджинга.

Блок включает в себя различные модификации ОКТ устройств: оптический когерентный томограф ОКТ-1300У (ИПФ РАН). Длина волны зондирующего излучения 900 нм, мощность источника излучения 2 мВт, пространственное разрешение 15–20 мкм, глубина сканирования – до 1.5 мм, время получения двумерного изображения размером 200х200 точек 1.5–2 секунды. Оснащен съемным гибким зондом с внешним диаметром 2.7 мм. Предназначен для in vivo визуализации поверхностных тканей в основной и ортогональной поляризациях.

5. Блок математической обработки полученных данных.

Блок представлен компьютерным залом и программными пакетами для выполнения моделирования, анализа изображений, хранения полученной информации в базах данных.

Цели и задачи

Целями проекта являются:

1. разработка технологий многофункционального спектрального метода оптической когерентной томографии (МФ ОКТ) и проведение доклинических и клинических исследований по выявлению специфических маркеров и показателей ответа опухоли на различные виды противоопухолевого лечения, что обеспечит реализацию индивидуальной терапии рака.

2. создание высокотехнологичной лаборатории «Оптической когерентной томографии», способной решать задачи разработки современных методов оптической диагностики, мониторинга и индивидуализации лечения онкологических заболеваний, что обеспечит создание конкурентноспособных инновационных диагностических систем.

Задачами проекта являются:

1. Разработка многофункциональных спектральных методов ОКТ для обеспечения чувствительной оценки ответа тканей на различные виды терапии рака в ближнем ИК диапазоне с целью создания технологической платформы для доклинических и клинических исследований, для выработки показателей и устойчивых биомаркеров ответа тканей на различные виды терапии рака.

2. Проведение доклинических исследований по морфологической и патофизиологической индентификации данных ОКТ изображений. Проведение мониторирования индукции опухоли, ее роста и ответа на лечение на модельных животных с использованием многофункциональной ОКТ и других методов биофотоники.

3. Проведение клинических исследований с целью выявления OКT критериев эффективности противоопухолевой терапии по ответу на лечение и определения показаний к разным видам терапии.

Основные направления исследования:

 - Разработка многофункционального спектрального метода ОКТ для исследований биологических тканей прижизненно, со следующими функциональными возможностями: одновременное получение обычных и кросс-поляризационных ОКТ изображений, эластографическую обработку изображений с картированием уровня жесткости, визуализацию микрокапиллярности по спеклам.

 - Изучение основных патоморфологических характеристик тканей, отвечающих за изменение оптических свойств (обратное рассеяние, поляризация).

 - Мониторинг патоморфологических изменений опухоли после лечения с помощью оптических методов и гистологического анализа. Разработка моделей опухолей на экспериментальных животных.

 - Проведение исследований по оптической диагностике опухолей и выработке критериев эффективности лечения в клинике у пациентов, получающих лучевую, фотодинамическую и химиотерапию.

Основными результатами будут:

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

1. Будет разработан приборный вариант многофункционального спектрального метода ОКТ на основе базовой «common path» оптической схемы, с модульными (сменными) гибкими зондами, используя технологию изотропного волокна с легко воспроизводимыми оптическими свойствами.

1а. Будет создана «common path» оптическая схема с произвольной поляризацией зондирующей волны с приемом обратно рассеянного излучения одновременно в каналах с исходной («ко»-) и с ортогональной («кросс»-) поляризациями с одинаковой чувствительностью.

1б. Будут созданы аппаратные и программные средства для оценки эластичности биоткани и картирования областей с повышенной жесткостью. Планируется заявка на патент.

1в. Будут разработаны ОКТ визуализация и обработка сигнала на основе спеклов с целью картирования микроциркуляции в подповерхностной зоне.

1г. Будет обеспечено достаточно высокое быстродействие спектрального приема для наблюдения различных видов ОКТ изображений одновременно, в реальном времени в режиме видеоизображения.

ДОКЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ

2. Будут проведены биомедицинские доклинические исследования на эксперементальных животных методом многофункциональной спектральной ОКТ с целью доказать возможности данного подхода и продемонстрировать его информативность в выявлении специфических маркеров и показателей ответа опухоли на различные виды противоопухолевого лечения.

2а. Будут получены морфологические и физиологические функциональные данные по интерпретации ОКТ изображений в поляризационном, эластографическом и микрососудистом режимах. Планируется заявка на патент.

2б. Будут смоделированы процессы онкогенеза и изучен его патоморфоз методом многофункциональной спектральной ОКТ на фоне различных видов лечения (химиотерапии (ХТ), лучевой терапии (ЛТ), химиолучевой терапии (ХЛТ), фотодинамической терапии (ФДТ)). Будут определены ОКТ и другие критерии эффективности проводимой терапии. Будет количественно оценен мультифункциональныый ОКТ ответ раковой опухоли и прилежащих к ней нормальных участков ткани на различные виды терапии рака (ХТ, ЛТ, ХЛТ,ФДТ).

КЛИНИЧЕСКИЕ ПИЛОТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ПОДГРУППАХ ПАЦИЕНТОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ РАКА

3. Основываясь на описанных выше доклинических исследованиях на эксперементальных животных, будут проведены пилотные клинические исследования пациентов с онкологической патологией с целью выявления аналогичных предикторов ответа опухоли и нормальной ткани на лечение на основе разработанной платформы метода многофункциональной спектральной ОКТ и других оптических диагностик. (мультифотонная томография, narrow-band imaging (NBI) эндоскопия).

3а. Будет создан метод контроля эффективности предоперационной ХТ опухолей желудочно-кишечного тракта.

3б. При патологии шейки матки будет проведен ранний мониторинг реакции тканей на ФДТ с целью оценки эффективности ХЛТ и коррекции параметров воздействия.

3в. При опухолевых заболеваниях кожи будут определены границы поражения и проведен ранний мониторинг эффективности терапии (ФДТ и ЛТ) с целью оптимизации параметров лечения и коррекции схемы лечения (при необходимости).

3г. Будут созданы методы количественной оценки и прогнозирования эффективности ХЛТ опухолей полости рта и глотки на основе многофункциональной спектральной ОКТ.

3д. Будет проведена оценка выраженности реакции нормальных тканей на лучевое воздействие в различных клинических областях (в соответствии с исследованиями, описанными в 3а-3г).