КП06-Индия-8/07.08.2019 „Поляризационно-чувствителна флуоресцентна спектроскопия и микроскопия за детектиране на рак“

Финансиран от ФНИ – МОН

Партньорски организации: Институт по Електроника, Българска Академия на НаукитеДепартамент по Биофизика, Школа по науки за живота, Академия за висше образование на Манипал, Манипал, Карнатака, Индия

Научен колектив от българска страна

Доц. д-р Екатерина Георгиева Борисова– ръководител на екипа, Институт по Електроника-БАН
проф. дфн Лъчезар Аврамов, ИЕ-БАН
доц. д-р Александър Гизбрехт, ИЕ-БАН
Цанислава Генова, редовен докторант, ИЕ-БАН
Деян Иванов, редовен докторант, ИЕ-БАН
Стоян Ильов, студент -бакалавър „Медицинска физика”, ФзФ-СУ, техник – ИЕ-БАН

 Научен колектив от индийска страна

Нирмал Мазумдер, гл. асист., д-р – ръководител на екипа
Шарма Парсада Кабеккоду, доц. д-р
Синдоора К М, докторант, магистър по биофизика

АНОТАЦИЯ НА ПРОЕКТА

Съвременните методи за изследване на колагенови и еластинови влакна в биологичните тъкани изискват значителна обработка на образците и са ограничени до методите на хистологията и имунохистохимията. Стокс – поляриметрията от друга страна, основаваща се на поляризационно мултимодално изображение, и интегрирана с микроскопия на генерация на втора хармонична (SHG) е една от най-новите и изследвани области на биофотониката в световен мащаб, благодарение на перспективите за получаване на информация за динамични клетъчни и тъканни изменения in vivo, като техниката позволява измерване на четирите Стоксови вектора едновременно, с прилагане на 4-детекторна схема. Едновременното измерване е важен фактор, за да се характеризира цялостното състояние на поляризация и по този начин да се подобри чувствителността и да се сведат до минимум инструменталните грешки, дължащи се на шум от фона. Визуализацията на фиброзните тъканни структури е затруднена при прилагане на методики за получаване на конвенционални поляризационни изображения, но значително се подобява при приложение на методиката за получаване на векторни стоксови изображения. При все това, високата цена и сложност на използваната за този тип изменрвания апаратура ограничава приложенията ?.

Високата чувствителност на флуоресцентната спектроскопия й позволява да се използва като инструмент за ранна диагностика на патологични промени в тъканите на биохимично ниво преди настъпването на явни морфологични промени. Съчетаването с поляризационни техники за автофлуоресцентна спектроскопия на кожни неоплазии ще допринесе за получаване на информация за анизотропните свойства на кожните тъкани и техните изменения по време на туморния растеж. Поляризацията ще позволи да се подобри оптичният анализ на настъпилите морфологични промени, за да се оценят анизотропните изменения на структурните протеини в екстрацелуларната матрица по време на развитието на неоплазията, които могат да се използват не само за оценка на злокачествени заболявания, но и за детектиране на дегенеративни изменения на съединителните тъкани, автоимунни заболявания, такива като лупус еритематозус, дерматомиозит, склеродерма, ревматоиден артрит и др.

Комбинирането на предходния изследователски, теоретичен, експериментален и клиничен опит на двете изследователски групи, натрупването на нови експериментални данни и разработването на спектрални и образни алгоритми в рамките на съвместното сътрудничество, ще послужат за основа на настоящия проект, спомагайки за развитието и внедряването на комбинирани оптични техники за детектиране и диференциация на кожни новообразувания и други системни заболявания на кожата, за оптимизация и надграждане с поляризационно-чувствителни канали на другите спектрални техники, които използваме в научно-изследователската си практика, и за обогатяване на инструменталните възможности за поляризационно-чувствителна спектрална диагностика на тъканни патологии с цел повишаване на диагностичната точност за клинични приложения и разработка на методика за поляризационно-чувствителна флуоресцентна спектроскопия и микроскопия за детектиране на рак.

ЦЕЛИ НА ПРОЕКТА

Целта на този проект е да се определят поляризационните емисионни свойства на здрави и болни тъкани, като се използват модерни оптични методи. Българската и индийската групи целят да оценят потенциала на поляризационно-чувствителната автофлуоресцентна спектроскопия и Стокс-Мюлеровата микроскопия на биологичните тъкани и по този начин да разработят нов обективен инструмент за биомедицински приложения. В този контекст предлагаме да се създаде обща платформа за проучване, за да се анализират и оценят поляризационните свойства на излъчената светлина при флуоресцентно възбуждане въз основа на нашите експертизи.

Основните цели на проектното предложение са следните:

  1. Визуална оценка и количествено определяне на поляризационните характеристики на тъканта (колагенови влакна, еластин), използвайки автофлуоресцентна спектроскопия и микроскопия;
  2. Определяне на корелациите на поляризационните свойства на здрави тъкани и техните изменения по време на растежа на тумора, автофлуоресцентна спектроскопия с крос-поляризация и Стокс-векторна автофлуоресцентна микроскопия;
  3. Сегментация на образи, реконструкция и автоматизация на диференциацията на здрави и туморни кожни тъкани;
  4. Създаване и развитие на ползотворно научно сътрудничество, като резултатите от изследванията ще бъдат описани в съвместни публикации в реферируеми списания и представени на престижни международни конференции; подпомагане на кариерното развитие на младите учени и докторанти в екипите на проекта и на двамата партньори.

Презентации по проект # КП06-Индия-8/07.08.2019 “ Поляризационно-чувствителна флуоресцентна спектроскопия и микроскопия за детектиране на рак ”:

    1. Ivanov Deyan, Borisova Ekaterina, Ossikovski Razvigor, Bykov Alexander, Dremin Victor, A full Mueller matrix measurement of ex vivo colon samples with Stokes polarimeter, V Summer School „Photonics meet Biology“, 16.09.2019 – 20.09.2019, Heraklion, Greece, (Постерна презентация);
    2. Ilyov S., Ivanov D., Genova Ts., Mircheva V., Zaharieva L., Kolev B., Vladimirov, B., Valkov H., Mazumder N., Sindhoora K., Semyachkina-Glushkovskaya O., Borisova E., Reflectance polarization measurements of gastrointestinal carcinoma lesions ex vivo for cancerous diagnostics, 21st International Conference and School on Quantum Electronics „Laser Physics and Applications“, 21.09.2020 – 24.09.2020, Sofia, Bulgaria (virtual forum) (Постерна презентация);
    3. Ivanov D., Borisova E., Novikova T., Ossikovski R. Experimental validation of depolarizing Mueller matrix model via ex vivo colon samples, 21st International Conference and School on Quantum Electronics „Laser Physics and Applications“, 21.09.2020 – 24.09.2020, Sofia, Bulgaria (virtual forum) (Постерна презентация);
    4. Sindhoora K., Spandana K., Ivanov D., Borisova E., Raghavendra U., Rai Sh., Kabekkodu S. P., Mahato K., Mazumder N., Machine Learning Based Classification of Stokes-Mueller Polarization Images for Tissue Characterization 21st International Conference and School on Quantum Electronics „Laser Physics and Applications“, 21.09.2020 – 24.09.2020, Sofia, Bulgaria (virtual forum) (Постерна презентация);

Публикации по проект # КП06-Индия-8/07.08.2019 “Поляризационно-чувствителна флуоресцентна спектроскопия и микроскопия за детектиране на рак ”:

  1. Ilyov S., Ivanov D., Genova Ts., Mircheva V., Zaharieva L., Kolev B., Vladimirov, B., Valkov H., Mazumber N., Sindhoora K., Semyachkina-Glushkovskaya O., Avramov L., Borisova E.. Reflectance Polarization Measurements of Gastrointestinal Carcinoma Lesions Ex Vivo for Cancerous Diagnostics. Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing Ltd. 2020, SJR=0.23 Линк