Достижения - Лаб. Цитометрии и Биокинетики

Достижения:

Инструмент	Инструментальная платформа универсального анализатора для биологии и медицины "BioUniScan"
Теория	Универсальный метод расчета результатов взаимодействия электромагнитного излучения с клетками сложной формы и внутренней структуры
Эксперимент	Детальная характеризация клеток крови по статическим и динамическим индексам с целью создания высокоинформативных методов в гематологической диагностике

Наши достижения в научно-популярном изложении.
(печать, телевидение, соц. сети, форумы)

Раздел книги "Practical Flow Cytometry" от Shapiro H.M., посвященный технологии Сканирующей Проточной Цитометрии (PDF файл, 600 кБ).

Исследования поддерживаются:

Исследование динамики элиминации хиломикронов и активации моноцитов для выявления факторов риска развития атеросклероза
Моделирование светорассеяния с помощью метода дискретных диполей: новые приложения и эффективная программная реализация с открытым кодом
Динамическое исследование активации тромбоцитов и лейкоцитов человека с целью выявления клеточных механизмов патогенеза микрососудистых осложнений сахарного диабета и создания новых неинвазивных методов их терапии
Влияние структурно-функциональных свойств эритроцитов на формирование нестабильных атером в патогенезе атеросклероза

Исследование роли функциональных характеристик эритроцитов и хиломикронов в патогенезе атеросклероза

Исследование динамики биологических процессов на одиночных клетках методом сканирующей проточной цитометрии: развитие статистического подхода в исследовании лиганд-рецепторного связывания на поверхности и внутри клетки

Исследование с помощью сканирующей проточной цитометрии морфологических и функциональных аномалий эритроцитов крови человека при патологиях беременности, приводящих к гипоксии плода

Исследование кинетики агрегации коллоидных систем с анизотропной реакционной способностью с целью создания прогностических моделей описания процесса, а также характеризации основных физических свойств частиц

Исследование клеточных микрочастиц, циркулирующих в крови человека, с целью получения более детальной информации о морфофункциональных свойствах микрочастиц крови и их субпопуляций в норме и патологии, для выделения новых прогностических и диагностических показателей при патологических отклонениях и вегетативных дисфункциях в организме человека

Развитие метода дискретных диполей для моделирования взаимодействия электромагнитного излучения с частицами произвольной формы и внутренней структуры в свободном пространстве или вблизи плоской подложки

Инструментальная платформа универсального анализатора для биологии и медицины "BioUniScan"

Общая формулировка проблемы: Биологические системы в большинстве случаев представляют собой дисперсную среду, дисперсная фаза которой формируется клетками или биоагентами. Высокой эффективности анализа дисперсных сред можно достичь с использованием оптических методов исследования. Наиболее перспективной для анализа одиночных частиц дисперсной фазы является техника проточной цитометрии. В проточных цитометрических системах частицы анализируются со скоростью до 300 тысяч в минуту. Это обеспечивает высокую статистическую точность и позволяет надежно выявлять малые популяции. Технология проточной цитометрии в ее современном инструментальном исполнении появилась в лабораториях 40 лет назад и к настоящему времени выбрала технический потенциал своего развития. Это вызвано тем обстоятельством, что количество измерений от одной частицы ограничивалось сигналами рассеяния в два телесных угла и сигналами флюоресценции на различных длинах волн. При такой регистрации стало возможным произвести классификацию составляющих дисперсной системы на подсистемы. Однако, определение морфологических параметров той или иной подсистемы с использованием стандартного проточного цитометра, даже в простейшем случае, гомогенной сферической частицы, представляют собой сложнейшие процедуры с тщательной калибровкой системы. Тем не менее, анализы в таких областях, как серология, гематология, иммунология и бактериология, все в большем объеме выполняются на приборах, базирующихся на проточной цитометрии. При этом во всех вышеназванных областях существуют свои специализированные приборы, которые практически не пересекаются в инструментальной и программной реализациях.

Формулировка конкретной задачи: Создание прототипа инструментальной платформы универсального анализатора для биологии и медицины.

Авторы исследования:, лаборатория. В.П.Мальцев, А.В.Чернышев, М.А.Юркин, В.М.Некрасов, К.В.Гилев. Лаборатория ЦиБ (зав. лаб. В.П.Мальцев).

Используемый подход: Ядром инструментальной платформы универсального анализатора для биологии и медицины "BioUniScan" является сканирующий проточный цитометр (СПЦ). В отличие от стандартной проточной цитометрии, развиваемая технология позволяет измерять одномерные индикатрисы светорассеяния одиночной частицы в широком угловом диапазоне, в различных состояниях поляризации и/или двумерные индикатрисы. По сути своей индикатрисы играют роль "отпечатков пальцев" в распознавании частиц по светорассеянию и содержат всю необходимую информацию о морфологических характеристиках частицы. Для определения характеристик частицы необходимо решить обратную задачу светорассеяния, что является нетривиальной фундаментальной задачей даже в случае сферических гомогенных частиц.

Полученные результаты На рисунке представлена схема и фотография инструментальной платформы универсального анализатора для биологии и медицины "BioUniScan" (http://cyto.kinetics.nsc.ru/CYBILab/proposal_rus.html).

Подробно изложено в работах:
V. P. Maltsev and K. A. Semyanov // Characterisation of Bio-Particles from Light Scattering" (Inverse and Ill-Posed Problems Series, VSP, Utrecht, 2004), p. 135.
Dyatlov G.V, Gilev K.V, Semyanov K.A, and Maltsev V.P. // The scanning flow cytometer modified for measurement of two-dimensional light-scattering pattern of individual particles // Measurement science and technology. 2008. V. 19. P. 015408

Детальная характеризация клеток крови по статическим и динамическим индексам с целью создания высокоинформативных методов в гематологической диагностике

Общая формулировка проблемы: При всем многообразии современных методов лечения заболеваний человека важнейшую роль в выборе метода играет диагностика. К настоящему времени проведение анализа в гематологии выполняется на приборах, исключающих ручную подготовку пробы. Физической основой этих приборов является проточная цитометрия, которая обладает наиболее мощным потенциалом в анализе дисперсных сред. Технология проточной цитометрии в ее современном инструментальном исполнении появилась в лабораториях 40 лет назад и к настоящему времени выбрала технический потенциал своего развития. Особенно это проявляется при проведении гематологического анализа, когда требуется получить детальную информацию о состоянии клеток крови пациента, имеющего клинические отклонения. В этих случаях персонал диагностических лабораторий вынужден использовать оптический микроскоп для исследования пробы, что приводит к возрастанию субъективного фактора в анализе и, в конечном счете, уменьшает достоверность анализа в виду малой статистики.

Формулировка конкретной задачи: Создание методического обеспечения для характеризации клеток крови по статическим и динамическим индексам для проведения высокоинформативного гематологического анализа.

Авторы исследования, лаборатория: В.П.Мальцев, А.В.Чернышев, М.А.Юркин, В.М.Некрасов, К.В.Гилев. Лаборатория ЦиБ (зав. лаб. В.П.Мальцев).

Используемый подход: Биофизические свойства основных клеток крови изучаются с использованием сканирующей проточной цитометрии, с помощью которой сигналы светорассеяния и флуоресценции регистрируются с одиночных клеток, движущихся в потоке. Измеренные сигналы используются для идентификации клеток и для определения важнейших морфологических характеристик с использованием решения обратной задачи светорассеяния. В результате клетки крови характеризуются набором статических индексов, например, размер клеток, площадь мембраны, размер ядра клеток, плотность ядра, форма клеток и т.д. При проведении кинетических измерений внутри- и межклеточных процессов с измерением временной эволюции функций распределений клеточной популяции по статическим индексам определяются динамические характеристики исследуемых процессов. В результате клеточная популяция характеризуется набором динамических индексов, например, проницаемость мембраны, эффективность агрегации клеток, скорость реакции антиген-антитело на мембранах, жесткость мембраны и т.д.

Полученные результаты: В таблице представлено сравнение возможностей самого информативного гематологического анализа, выполняемого на современном анализаторе, и гематологического анализа, выполняемого на созданной в лаборатории инструментальной платформе универсального анализатора для биологии и медицины "BioUniScan".

Клетки крови	Современный гематологический анализ	Гематологический анализ от лаборатории Цитометрии и Биокинетики
Эритроциты	Концентрация Объем Гемоглобин	Концентрация Объем Гемоглобин Площадь мембраны Индекс формы клетки Проницаемость мембраны Жесткость мембраны Критическое натяжение мембраны
Тромбоциты	Концентрация Объем Плотность	Концентрация Объем Плотность Индекс формы клетки Эффективность агрегации
Лимфоциты Моноциты	Концентрация	Концентрация Размер клетки Размер ядра Плотность цитоплазмы Плотность ядра Абсолютное распределение мембранных рецепторов по популяции Эффективность образования комплексов лиганд-рецептор
Гранулоциты (нейтрофилы, эозинофилы, базофилы)	Концентрация	Концентрация Размер клетки Абсолютное распределение мембранных рецепторов по популяции Эффективность образования комплексов лиганд-рецептор
Микрочастицы крови	------	Концентрация Размер микрочастиц Оптическая плотность микрочастиц

Подробно изложено в статьях:
D.I. Strokotov, M.A. Yurkin, K.V. Gilev, D.R. van Bockstaele, A.G. Hoekstra, N.B. Rubtsov, V.P. Maltsev // Is there a difference between T- and B-lymphocyte morphology? // Journal of Biomedical Optics 14 (6), 1, November/December 2009.
A.V. Chernyshev, P.A. Tarasov, K.A. Semianov, V.M. Nekrasov, A.G. Hoekstra, V.P. Maltsev // Erythrocyte lysis in isotonic solution of ammonium chloride: Theoretical modeling and experimental verification // Journal of Theoretical Biology 251 (2008) 93-107.

Универсальный метод расчета результатов взаимодействия электромагнитного излучения с клетками сложной формы и внутренней структуры

Общая формулировка проблемы: Существует ряд методов моделирования рассеяния электромагнитных волн, но лишь несколько из них подходят для частиц со сложной внутренней структурой. Это методы, основанные на объёмной дискретизации рассеивателя, в частности, метод дискретных диполей (МДД) и метод конечных разностей во временной области (КРВО). МДД широко применяется в различных областях науки и техники: от астрофизики и исследований атмосферы до исследования эффективности пигментов при производстве бумаги и моделирования светорассеяния металлическими наночастицами и биологическими клетками. При этом МДД позволяет решать прямую задачу светорассеяния, что является первым шагом для решения обратной задачи, т.е. характеризации частиц по экспериментальным сигналам светорассеяния. Однако, некоторые виды частиц находятся за границей применимости всех существующих методов моделирования светорассеяния. К таким частицам относились клетки крови, размеры которых много больше длины волны, а размеры внутренних неоднородностей сравнимы с длиной волны.

Формулировка конкретной задачи: Разработка высокоэффективного алгоритма решения прямой задачи светорассеяния (включая программные реализации) для клеток сложной формы и внутренней структуры.

Авторы исследования: лаборатория. В.П.Мальцев, М.А.Юркин. Лаборатория ЦиБ (зав. лаб. В.П.Мальцев).

Используемый подход: МДД был рассмотрен с точки зрения дискретизации интегрального уравнения на электрическое поле в присутствии рассеивателя, что позволило провести строгий теоретический анализ его сходимости. Были предложены методика экстраполяции для улучшения точности и методика оценки её погрешности, что позволило исследовать точность МДД для частиц, для которых не существует аналитических решений. При разработке программной реализации МДД была использована параллельная архитектура, что сделало доступными частицы с размерами много больше длины волны.

Полученные результаты: Развита компьютерная программа ADDA (http://code.google.com/p/a-dda/) для моделирования светорассеяния частицами произвольной формы и структуры. Её текущие возможности при использовании 64 процессоров представлены на рисунке. В частности, в область применения попадают практически все биологические клетки в жидкости. Показано, что ADDA превосходит аналогичные программы в вычислительной эффективности. Кроме того, МДД (и АDDA в частности) более чем в 10 раз быстрее чем КРВО для биологических частиц.

Подробно изложено в статьях:
M.A. Yurkin, A.G. Hoekstra // The discrete dipole approximation: an overview and recent developments // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 106, 558-589 (2007)
M.A. Yurkin, V.P. Maltsev, A.G. Hoekstra // The discrete dipole approximation for simulation of light scattering by particles much larger than the wavelength // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 106, 546-557 (2007).
M.A. Yurkin, V.P. Maltsev, A.G. Hoekstra // Convergence of the discrete dipole approximation. II. An extrapolation technique to increase the accuracy // Journal of the Optical Society of America A 23, 2592-2601 (2006).
M.A. Yurkin, V.P. Maltsev, A.G. Hoekstra // Convergence of the discrete dipole approximation. I. Theoretical analysis // Journal of the Optical Society of America A 23, 2578-2591 (2006).
M.A. Yurkin, A.G. Hoekstra, R.S. Brock, J.Q. Lu // Systematic comparison of the discrete dipole approximation and the finite difference time domain method for large dielectric scatterers. // Optics Express 15, 17902-17911 (2007).
A. Penttila, E. Zubko, K. Lumme, K. Muinonen, M.A. Yurkin, B.T. Draine, J. Rahola, A.G. Hoekstra, Y. Shkuratov // Comparison between discrete dipole implementations and exact techniques // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 106, 417-436 (2007).