WWW.LIT.I-DOCX.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - различные публикации
 

«развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» Номер Соглашения о предоставлении субсидии/государственного контракта: 14.579.21.0020 Название проекта: Лазерная ...»

Аннотация проекта (ПНИЭР), выполняемого в рамках ФЦП

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям

развития научно-технологического комплекса России на 2014 –

2020 годы»

Номер Соглашения о предоставлении субсидии/государственного

контракта: 14.579.21.0020

Название проекта: Лазерная масс-спектрометрия биологических

объектов при атмосферном давлении для выявления патологических

изменений и лекарственного мониторинга биологических тканей .

Основное приоритетное направление: Науки о жизни Исполнитель: Общество с ограниченной ответственностью "Новые энергетические технологии" Руководитель проекта: Алимпиев Сергей Сергеевич Должность: Заведующий лабораторией лазерной масс-спектрометрии ООО "НЭТ" E-mail: alimpiev@kapella.gpi.ru Ключевые слова: лазерная хирургия, масс-спектрометрические изображения, обнаружение лекарств, диагностика онкологии, атмосферная ионизация, математическое моделирование, ионная оптика .

Цель проекта Разработка физико-технических основ нового метода массспектрометрического анализа биологических тканей, обладающего высоким пространственным разрешением и возможностью послойного анализа для обнаружения патологических участков ткани, включая диагностику онкологических поражений, определения пространственного распределения лекарственных и маркерных препаратов в тканях .

Создание макета лазерного масс-спектрометра для анализа образцов биологических тканей при атмосферном давлении с ионизацией излучением лазерной плазмы и разработка методики его применения .

Основные планируемые результаты проекта В результате выполнения проекта будут разработаны физико-технические основы нового метода масс-спектрометрического анализа биологических тканей и создан макетный образец прибора для анализа биологических тканей в состоянии «как они есть» при атмосферном давлении, получения масс-спектрометрических изображений, как плоских, так и объемных, для обнаружения патологических участков ткани, включая диагностику онкологических поражений, определения пространственного распределения лекарственных и маркерных препаратов в тканях .

В ходе выполнения проекта будут разработаны:

- Технология лазерного испарения анализируемых образцов тканей и транспортировки нейтральных продуктов испарения в зону ионизации .

- Методика моделирования и математическая модель процессов транспортировки ионов из области ионизации при атмосферном давлении в масс-анализатор .

- Эскизная конструкторская документация на ионный источник, разработанный по результатам математического моделирования процессов транспортировки ионов и экспериментального исследования процессов ионизации .

- Макет лазерного масс-спектрометра с разработанным ионным источником для анализа образцов биологических тканей при атмосферном давлении .

- Методика применения созданного макета лазерного масс-спектрометра для анализа образцов биологических тканей .

- Рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики.Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научнотехнической, инновационной) продукции Разработка инструментальных методов анализа биологических тканей, обеспечивающих наиболее полный анализ как молекулярного состава собственно ткани, так и внесенных в нее соединений (лекарств, маркерных соединений) является основным направлением совершенствования современной медицинской диагностики. Такие методы должны обеспечивать анализ реальных тканей без длительной процедуры подготовки пробы в реальном времени, так как любая процедура подготовки пробы не только увеличивает время анализа, но и вносит неустранимые искажения в результаты анализа .





В настоящее время в этом направлении развивается несколько подходов, основанных, в частности, на регистрации люминесценции специально введенных красителей накапливающихся в патологических участках ткани [1] или анализе собственной люминесценции патологических участков. Развивается также подход, основанный на регистрации рассеяния света специально введенными маркерными соединениями и целый ряд других подходов, включая и традиционные методы. Однако по объему получаемой информации и чувствительности масс-спектрометрия находится вне конкуренции с другими методами анализа. В массспектре органических образцов могут регистрироваться одновременно сотни соединений, что позволяет провести анализ ткани с целью выявления патологии, в том числе онкологической, или обнаружения лекарственных и маркерных препаратов. Поэтому разработка массспектрометрических методик анализа образцов тканей в реальном масштабе времени является исключительно актуальной задачей .

Существует пример решения этой задачи, известный как «умный скальпель»

[2]. При использовании в операции хирургического лазера продукты испарения, полученные при рассечении ткани в реальном времени анализируются масс-спектрометром, предоставляя информацию хирургу о типе разрезаемой ткани (мышцы, кожа, внутренние органы и т.п.) и о наличии в ней лекарств или признаков онкологических поражений. Однако практическое применение такого инструмента ограничено несколькими факторами .

Два разных процесса, т.е. процесс испарения ткани и процесс ионизации продуктов испарения объединены и происходят непосредственно в зоне действия хирургического лазера. Эти процессы по-разному зависят от режимов воздействия, что практически исключает какое-либо количественное определение состава удаляемой ткани. Пространственное разрешение метода соответствует размеру лазерного реза и составляет единицы миллиметров. Такой инструмент может различить тип ткани, но бесполезен в определении незначительных, невидимых глазом, изменений ткани, вызванных онкологическим процессом .

Вторым примером реализации масс-спектрометрического анализа биотканей является использование технологии матрично активированной лазерной десорбции-ионизации (МАЛДИ) [3]. В этом случае перед испарением на анализируемую поверхность ткани наносится специальное протонодонорное соединение (матрица), которая также исполняет две функции. С одной стороны матрица, обладая высоким коэффициентом поглощения лазерного излучения, обеспечивает эффективное удаление поверхностного слоя ткани, а с другой стороны приводит к достаточно эффективной ионизации продуктов испарения ткани путем передачи протона от молекулы матрицы молекулам испаренного вещества. Очевидно, что в этом случае в ход аналитического процесса включается достаточно сложная процедура подготовки образца. Это не является помехой при получении масс-спектрометрических изображений отдельно взятых проб тканей “in vitro”, но является непреодолимым препятствием для проведения диагностики в режиме реального времени, как например, во время хирургического вмешательства в организм .

Эта техника позволяет уверенно регистрировать онкологические поражения ткани с высоким, на уровне десятков микрон, пространственным разрешением, однако требует длительной процедуры подготовки пробы .

Из приведенных примеров видно, что технологии масс-спектрометрического анализа биологических тканей востребованы, но требуют существенного совершенствования и развития. При этом важно реализовать возможность масс-спектрометрического анализа состава ткани в состоянии как она есть, при атмосферном давлении, в реальном масштабе времени и с максимально высоким пространственным разрешением. Высокое пространственное разрешение неизбежно требует увеличения чувствительности метода из-за малости объема забираемого вещества. Увеличение чувствительности массспектрометрического анализа при ограниченности анализируемого вещества возможно за счет увеличения эффективности ионизации и оптимизации транспортировки полученных ионов входным трактом массспектрометра .

Исследования по совершенствованию методов масс-спектрометрического анализа биологических объектов ведутся многими ведущими лабораториями мира, основные предлагаемые подходы рассмотрены в обзорной статье [4]. Авторами проекта предложен свой подход, основанный на разделении процессов испарения пробы и ионизации продуктов испарения. При этом в качестве ионизатора предложено использовать излучение лазерной плазмы, формирующейся на специальной мишени вне зоны испарения образца. На предложенный способ анализа получен патента РФ на изобретение № 2012139218 «Способ анализа химического состава материалов» от 13.09.2012. Предложенный способ анализа получил название APLPI (Atmospheric Pressure Laser Plasma Ionization), а первые проведенные эксперименты, выполненные на модельных образцах, показали исключительно высокую эффективность ионизации предлагаемого метода и, кроме того, возможность анализа образцов в состоянии как они есть при атмосферном давлении с пространственным разрешением на уровне 30 мкм [5] .

В основе предлагаемого метода лежит разделение процессов испарения ткани и ионизации полученных газообразных продуктов. Масс-спектрометрический анализ продуктов испарения в реальном времени с использованием ионизации, осуществляемой независимым источником вне устройства забора пробы, позволит идентифицировать свойства ткани в труднодоступных участках для задач ранней диагностики онкологии. Примером области, где технология представляется востребованной - это эндоскопия и лапароскопия с использованием зондов и манипуляторов, снабженных волоконной системой доставки испаряющего лазерного излучения. Технология мгновенной идентификации “in vivo” позволит избежать неопределенности при взятии биопсии из визуально не контрастных участков .

Второй особенностью предлагаемого подхода является возможность обнаружения и определение пространственного распределения не только веществ, генерируемых в тканях, но и лекарственных и маркерных препаратов .

Это может использоваться для обнаружения патологических участков ткани, не идентифицируемых визуально по изменению (контрасту) содержащихся в ткани маркерных соединений .

Еще одной задачей, требующей решения при разработке массспектрометрического метода анализа биологических тканей, является минимизация потерь при транспортировке ионов из области ионизации, находящейся при атмосферном давлении в вакуумную камеру массспектрометра. Среди систем ввода ионов из атмосферы в вакуум в настоящее время преобладают устройства, использующие только газодинамические принципы транспортировки. Такой ввод, «всасывающий»

ионы в камеру прибора, даже при мощной системе откачки не обеспечивает эффективной передачи ионов в масс-спектрометр. Потери, как правило, превышают 90%. Известно, что для увеличения эффективности системы ввода необходимо использовать электрические поля для фокусировки ионного пакета. Эта идея реализована в системах типа «ионная воронка» (ion funnel) путем запирании потока ионов в канале высокочастотными полями. Метод обладает высокой эффективностью транспортировки (десятки процентов), но его существенным недостатком является невозможность работы при атмосферном давлении .

В условиях клинической диагностики количество испаряемого материала или концентрации искомых веществ могут быть сильно ограничены, что требует разработки эффективной системы ввода ионов из атмосферы в вакуумную часть масс-спектрометра. Явных физических предпосылок, препятствующих созданию такого устройства, не существует. Однако разработка технологии, объединяющей преимущества ионной оптики и газодинамики, требует не только качественного понимания основных эффектов, оказывающих значительное влияние на транспортировку ионов (турбулентности, граничные особенности поля, групповое взаимодействие ионов, ионный ветер), но и их точного количественного анализа .

Наиболее эффективным методом получения информации об особенностях этих физических процессов является математическое моделирование. Необходимо разработать принцип работы эффективной и универсальной методики, совмещающей достижения в областях газодинамики и ионной оптики и лишенной недостатков, присущих узкоспециализированным подходам .

Таким образом, применение масс-спектрометрических методов для анализа биологических тканей при атмосферном давлении в реальном масштабе времени и без предварительной подготовки пробы требует решения комплекса научных проблем. Прежде всего, это проблема связанная с процессом лазерного испарения ткани с максимально высоким пространственным разрешением и возможностью послойного анализа, проблема транспортировки пробы испаренного вещества в зону ионизации, разработка эффективного метода ионизации сложных органических соединений в газовой фазе с минимальными ограничениями по классам химических соединений, а также проблема эффективной транспортировки полученных ионов в масс-спектрометр. На решение этих научно технических проблем и направлен предлагаемый проект .

3. Публикации по теме ПНИ, в том числе зарубежные

1. Primeau, 2005, “The Distribution of the Anticancer Drug Doxorubicin in Relation to Blood Vessels in Solid Tumors”. Clinical Cancer Research. 7.837 http://clincancerres.aacrjournals.org/content/11/24/8782 doi: 10.1158/1078-0432.CCR-05-1664

2. Schafer, 2011, “In Situ, Real-Time Identification of Biological Tissues by Ultraviolet and Infrared Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry”. Analytical Chemistry. 5.695 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac102613m DOI: 10.1021/ac102613m

3. Schwamborn, 2010, “Molecular imaging by mass spectrometry — looking beyond classical histology”. Nature Reviews Cancer. 35.000 http://www.nature.com/nrc/journal/v10/n9/full/nrc2917.html DOI:10.1038/nrc2917

4. Monge, 2013, “Mass Spectrometry: Recent Advances in Direct Open Air Surface Sampling/ Ionization”.Chemical Reviews. 41.298 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cr300309q DOI: 10.1021/cr300309q

5. Pento, 2013, "Laser ablation and ionisation by laser plasma radiation in the atmospheric-pressure mass spectrometry of organic compounds". Quantum Electronics. 0.823 http://www.turpion.org/php/paper.phtml?journal_id=qe&paper_id=15065 DOI: 10.1070/QE2013v043n01ABEH015065 Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта Разрабатываемые научно-технологические подходы могут быть применены для решения задач фармакинетики, таких как идентификация малых количеств лекарственных препаратов в биологических тканях, для изучения концентрирования фармацевтических препаратов в тканях и органах .

Применение разрабатываемых подходов в решении гистологических задач позволит проводить идентификацию типа ткани, изучение пространственного распределения веществ в тканях для выявления признаков различных патологий, в том числе, онкологических поражений .

Возможность анализа исследуемого объекта без его предварительной подготовки при атмосферном давлении даст возможность проводить экспресс-анализ тканей непосредственно в области оперативного вмешательства. Это даст хирургу возможность получить дополнительную информацию о состоянии ткани, провести локализацию патологии даже в случае, если этого не удаётся сделать визуально. Более того, разрабатываемые технологии позволят проводить анализ тканей при помощи малоинвазивной хирургии и эндоскопии в тех случаях, где не требуется прямое хирургическое вмешательство или для задач диагностики внутренних органов .

Приборы на основе разрабатываемых научно-технических принципов могут быть установлены в клинических, клинико-диагностических медицинских учреждениях, научноисследовательских учреждениях, ориентированных на биологические и биомедицинские исследования, экспресслабораториях для проведения анализов .

Кроме того, технология может быть применена для экспресс-анализа пищевых продуктов, определения фальсификатов или присутствия вредных веществ, для решения задач микробиологии, идентификации и изучения бактериологических штаммов. Возможны применения в допингконтроле, токсикологии, экологии и криминалистике .

Так, в экологии появляется возможность определения загрязнений непосредственно на природных объектах без стадии выделения и концентрирования целевых соединений перед масс-спектрометрическим анализом. Эта задача близка к более узкой задаче определения следов взрывчатых и наркотических веществ на реальных поверхностях в задачах служб безопасности. В проблемах безопасности продуктов питания появляется возможность прямого анализа продуктов для определения химических соединений, опасных для человека, решения проблем фальсификации продуктов питания, выявления случаев применения запрещенных или не объявленных в описании продукта добавок и пр .

Текущие результаты проекта Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96 .

Выполнен аналитический обзор научных и информационных источников, затрагивающих проблему масс-спектрометрического анализа биологических тканей при атмосферном давлении, в т.ч. с использованием лазерной ионизации и проблемы расчета движения ионов при атмосферном давлении с учетом электрических полей и газодинамических явлений .

Осуществлен выбор и обоснование направлений исследований, в том числе разработаны возможные решения исследовательских задач .

Разработана математическая модель и исследованы процессы транспортировки ионов из области ионизации при атмосферном давлении в масс-анализатор с учетом электрических полей и газодинамических явлений .

Определена оптимальная конфигурация электродов ионно-оптического газодинамического тракта макета ионного источника .

Произведен расчет параметров макета ионного источника на основе лазерной плазмы .

Проведено обоснование выбора режимов лазерного испарения биологических тканей для масс-спектрометрического анализа и определены параметры лазерных источников .

Проведено экспериментальное исследование режимов лазерного испарения/абляции образцов тканей под действием трех типов лазеров NdYLF, Er-YAG и CO2 с длинами волн 263 нм, 2.97 мкм и 10.6 мкм соответственно и в диапазоне длительностей импульсов от 3 нс до 100 мкс .

Исследованы механизмы ионизации продуктов испарения в диапазоне давлений 0.1 – 1 атм. в присутствии лазерной плазмы .

Определены оптимальные параметры нагреваемого канала транспортировки продуктов испарения образцов, т.е. его температура и сечение в диапазоне давлений 0.1-1 атм .

Разработана эскизная конструкторская документация и изготовлен макет ионного источника. Проведены его исследовательские испытания .

Разработана эскизная конструкторская документация на макет лазерного масс-спектрометрадля анализа образцов биологических тканей при атмосферном давлении с ионизацией излучением лазерной плазмы .






Похожие работы:

«ОГЭ—2019 Г.И. Лернер БИОЛОГИЯ ТРЕНИРОВОЧНЫХ ВАРИАНТОВ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ РАБОТ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ОСНОВНОМУ ГОСУДАРСТВЕННОМУ ЭКЗАМЕНУ Москва Издательство АСТ УДК 373:57 ББК 28я721 Л49 Лернер, Георгий Исаакович. менационных работ для подгот ство АСТ, 2018.— 127, [1] с. — (ОГЭ–2019. Это будет на экзаме...»

«8 класс – вариант 2 Задание 1 Какие плоды и семена распространяются ветром? А – семена ели Б – семена недотроги В –жёлуди дуба Г – семянки череды Правильный ответ: 1 Баллы за правильный ответ:...»

«Исследовательский командный конкурс Геккон.ПЦ Новая школа. www.n-sh.org Предметное Название команды Тема доклада (буква) направление С Исследователи Биология Формулировка темы Вора – бей! В 1958 году в Китае по инициативе Мао Цзэдуна была организована кампания по борьбе с вредителями полей. В течение...»

«Окончательный список 21.09.2017 Группа FCI 1 БЕЛАЯ ШВЕЙЦАРСКАЯ ОВЧАРКА/WEISSE SCHWEIZER SCHAFERHUNDE КОБЕЛИ/MALES Класс открытый/Open class № род: AA 000316, рожд. 26.05.2014, Клеймо: Чип:...»

«Задания университетской олимпиады школьников "Биология – это жизнь" 9 класс Задание 1. Задание включает 30 вопросов, к каждому из них предложено 4 варианта ответа. В каждом тесте выберите только один ответ, который вы считаете наиболее полным и правильным. За каждый правильно решённый тест – 2 балла, максимально 60...»

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР СПЕРМА БЫКОВ ЗАМОРОЖЕННАЯ МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГОСТ 2 7 7 7 7 -8 8 (СТ СЭВ 5 9 6 1 -8 7 ) Издание официальное S' Цена 3 коп. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ Москва льняные скатерти УДК 619:611-013.11.001.4:006.354 Группа Р39 СОЮЗА ССР госуд...»

«СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2017, том 52, 2, с. 274-281 УДК 636.1:591.463.1:57.086.8 doi: 10.15389/agrobiology.2017.2.274rus СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ УЛЬТРАСТРУКТУРЫ СПЕРМАТОЗОИДОВ В ЭПИДИДИМАЛЬНОЙ, ЭЯКУЛИРОВАННОЙ И КРИОКОНСЕРВИРОВАННОЙ СПЕРМЕ ЖЕРЕБЦОВ М.М. АТРОЩ...»

«Приложение к свидетельству № 66939 Лист № 1 об утверждении типа средств измерений Всего листов 5 ОПИСАНИЕ ТИПА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ Спектрометр атомно-абсорбционный AI1200 Назначение средства измерений Спектрометр атомно-абсорбционный AI1200 (далее спектрометр), предназначен для измерений содер...»







 
2018 www.lit.i-docx.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.