КП06-Н28/11/14.12.18 „Нови био-оптически методи за определяне на химическа и конформационна реорганизация на колаген-базирани тъканни структури ин витро и ин виво“

Финансиран от ФНИ-МОН

Партньорски организации:Институт по Електроника, Българска Академия на НаукитеИнститут по Органична Химия с Център по Фитохимия, Българска Академия на Науките

Научен колектив
Доц. д-р Екатерина Георгиева Борисова – ръководител на екипа,
Институт по Електроника-БАН
Лъчезар Аврамов, проф. д.ф.н., ИЕ-БАН
Петранка Троянова, проф. д-р медицина, дерматология, УМБАЛ „Царица Йоанна-ИСУЛ”
Александър Гизбрехт, доц. д-р, ИЕ-БАН
Петя Павлова, доц. д-р, ТУ-София, филиал Пловдив
Иван Ангелов, доц. д-р, ИОХЦФ-БАН
Ваня Мантарева, доц. д-р, ИОХЦФ-БАН
Мелиха Алиосман, асистент, химик, ИОХЦФ-БАН
Пламен Христов, биолог, ИОХЦФ-БАН
Цанислава Генова, редовен докторант, ИЕ-БАН
Деян Иванов, редовен докторант, ИЕ-БАН
Виктория Мирчева, студент -бакалавър „Медицинска физика”
Стоян Ильов, студент -бакалавър „Медицинска физика”
Иван Братченко, доц. д-р, Самарски Държавен Университет, Руска Федерация, външен експерт
Евгений Ширшин, доц. д-р, Московски Държавен Университет, Руска Федерация, външен експерт

 

Анотация:

Основната цел на проекта е разработка на нови био-оптически методи за определяне на химическа и конформационна реорганизация на колаген-базирани тъканни структури in vitro и in vivo по методите на флуоресцентната спектроскопия с честотна и времева разделителна способност.
Разширяване на възможностите на съществуващите експериментални спектроскопски практики за флуоресцентна спектроскопия на биомолекули и моделни системи с честотна и времева разделителна способност, както и надграждане на натрупаните до момента бази данни за флуоресцентните свойства на различните типове колаген и колаген-базирани тъканни структури. Изследване и характеризиране на основните флуоресцентни характеристики на различни типове колаген и модифициран (гликиран) колаген – спектри на възбуждане и излъчване, време на живот на флуоресценцията, което ще позволи създаването на обобщена спектрална база данни на възможните форми на колагена в човешкото тяло при норма и при развитие на патология, които да се използват като индикатори за състоянието на тъканта. Разработка на колаген-базирани оптични фантоми, имитиращи спектралните характеристики на биологичните тъкани за целите на флуоресцентната диагностика, както и получаване на нови научни знания и оптимизация на диагностични алгоритми с приложимост в клинична среда. Обучение на млади учени и обмен на добри практики за разработка и приложение на спектроскопски техники при анализ на кожни патологии in vivo за целите на дерматологията и онкологията.

ИЗПОЛЗВАНИ МЕТОДИ

За да се определят специфичните флуоресцентни спектрални характеристики на различните типове колаген, присъщи за човешките тъкани, ще се прилагат методите на флуоресцентния анализ с честотна и времева разделителна способност. Ще се изследват специфичните спектрални характеристики както на чисти форми на различни типове колаген, така и смеси от тях, в съотношения типични за биологичните тъкани. Ще се разработят и изследват колаген-базирани структури с конформационно и химически модифициран колаген за нуждите на тъканната оптична биопсия с помощта на методите на флуоресцентната диагностика с цел моделиране на регенеративни (зарастване на рани, терапевтични изменения и дегенеративни (колагенози, склеродермия, диабет, преканцерози и др.) състояния при тъкани in vivo, както и за разработка и създаване на оптични фантоми за флуоресцентна диагностика на тъкани.
Ще се наблюдават характеристични изменения в оптичните спектрални свойства на различните типове колаген, свързани с изменението на биохимичния им състав и промени в конформацията на колагеновите молекули и колагеновите матрици (надмолекулни структури, collagen x-links). Методите за спектрален анализ ще включват флуоресцентна спектроскопия с честотна разделителна способност (определяне на спектри на възбуждане и излъчване, построяване на матрици възбуждане – излъчване, синхронна флуоресцентна спектроскопия), така и с времева разделителна способност – TCSPC (time-correlated single photon counting) – флуоресцентна спектроскопия в режим на броене на първи детектиран фотон при излъчване от образеца, FLIM (fluorescence lifetime imaging) – амплитудно-модулирано определяне на времената на живот на флуоресцентния източник чрез анализ на амплитудната демодулация и фазовото отместване на сканиращия оптичен сигнал. FLIM техниката позволява получаване на двумерни изображения, които ще се ползват за анализ на колаген-базираните структури, гелове, оптични фантоми и др.

графика

Спектрални данни за матрици на възбуждане и емисия на нормална (а) и туморна (б) ГИТ лигавица при възбуждане в диапазон от 280 до 440 nm и синхронна флуоресцентна спектрална детекция на нормална (с) и туморна (d) ГИТ лигавица, със спектрална разлика варираща съответно от 10 до 200 nm между спектрите на възбуждане и излъчване.
   
   

ОЧАКВАНИ РЕЗУЛТАТИ

Ще се постигне усъвършенстване на техническите и аналитични умения на учените от екипа в областта на флуоресценния анализ с времева и честотна разделителна способност. Ще бъдат получени нови знания за спектралните особености на различните форми на дегенеративни и регенеративни кожни изменения, свързани с преструктурирането на колагеновата екстрацелуларна матрица в честотната и времевата спектрални области.
Ще се получат нови, оригинални експериментални резултати за спектралните свойства на различни типове колаген и на модифицираните химически и конформационно негови форми, за нуждите на развитието на диагностично-прогностични клинични приложения в дерматологията на регенеративни и дегенеративни кожни изменения. Ще се получат резултати, позволяващи повишение на диагностичната точност на определяне на типа кожно изменение неинвазивно и в реално време.
Научните резултати ще бъдат публикувани в специализирани международни издания и докладвани на конференции, необходими за популяризацията им и ще имат принос за цялостното израстване на участниците, членове на екипа на проекта. Получените резултати ще бъдат използвани за разработка на дисертационния труд в областта на физиката, както и в подготовката на дипломните работи на двама студенти – специалност Медицинска Физика, като проведените изследвания и получените резултати ще са предпоставка за стартирането на докторантури за тези млади учени, с което ще се постигне устойчиво развитие на човешките ресурси в ИЕ-БАН в областта на биофотониката и приложенията ?

Презентации по проект # КП06-Н28/11/14.12.18 „Нови био-оптически методи за определяне на химическа и конформационна реорганизация на колаген-базирани тъканни структури ин витро и ин виво“:

  1. Borisova E., Troyanova P.., Optical Spectroscopy for Skin Cancer Detection , 4th International Mediterranean Science and Engineering Congress , 25.04.2019 – 27.04.2019 , Alanya, Turkey (Пленарна лекция);
  2. Borisova E., Genova Ts., Pavlova E., Terziev I., Pavlova P., Troyanova P.., Autofluorescence and diffuse-reflectance spectroscopy for skin cancer diagnosis 4th International Mediterranean Science and Engineering Congress , 25.04.2019 – 27.04.2019 , Alanya, Turkey (Устен доклад);
  3. Deyan Ivanov, Razvigor Ossikovski, Tatyana Novikova, Pengcheng Li, Ekaterina Borisova, Tsanislava Genova, Lian Nedelchev, Dimana Nazarova, Tissue polarimetric study I: In search of reference parameters and depolarizing Mueller matrix model of ex vivo colon samples, European Conference on Biomedical Optics, 23.06.2019 – 27.06.2019, Munich, Germany (Постер);
  4. Borisova E., Genova Ts., Khorovodov A., Agranovich I., Angelov I., Mantareva V., Kanevsky M., Navolokin N., Semyachkina-Glushkovskaya O., Avramov L.., Photodetection of Stress-induced Gastrointestinal Neoplasia in Laboratorial Animals, European Conference on Biomedical Optics, 23.06.2019 – 27.06.2019, Мюнхен, Германия (Устен доклад);
  5. Borisova E., Khorovodov A., Agranovich I., Kanevskiy M., Konnova S., Genova Ts., Angelov I., Mantareva V., Navolokin N., Semyachkina-Glushkovskaya O., Exogenous fluorescence diagnostics of stress-induced gastric cancer – current state and future perspectives, Topical Problems of Biophotonics , 27.07.2019 – 31.07.2019 , Nijni Novgorod, Russian Federation (Поканена лекция);
  6. Deyan Ivanov, Ekaterina Borisova, Razvigor Ossikovski, Alexander Bykov, Victor Dremin, 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 (Постер);
  7. Borisova E., Genova Ts., Bratashov D., Lomova M., Semyachkina-Glushkovskaya O., Vladimirov B., Valkov Ch. Fluorescence spectroscopy and microscopy of colon benign and malignant lesions – comparative study Saratov Fall Meeting 2019 , 23.09.2019 – 27.09.2019 , Saratov, Russian Federation (Поканена лекция);
  8. Borisova E., Ivanov D., Kolev B., Genova Ts., Mircheva V., Ilyov S., Zaharieva L., Lihachova I., Lihachovs A., Spigulis J., Troyanova P., Autofluorescence spectroscopy of cutaneous neoplasia under ultraviolet, visible and near infrared excitation, Photonics Europe 2020 – Conference „Tissue Optics and Photonics”, 29.03.2020 – 03.04.2020, Strassbourg, France (Устен доклад).
  9. Borisova E., Genova Ts., Troyanova P., Bratchenko I., Bratchenko L., Zakharov V., Lihacova I., Lihacovs A., Spigulis J.”Multispectral fluorescence detection and imaging of skin tumours”, 3rd International Confenrece “Biophotonics-Riga”, 24.08.2020 – 26.08.2020, Riga, Latvia (Поканена лекция);
  10. Mircheva V., Zaharieva L., Ilyov S., Troyanova P., Lihacova I., Lihacovs A., Bratchenko I., Bratchenko L., Khristoforova Yu., Zakharov V., Avramov L., Borisova E.. Near Infrared Autofluorescence Spectroscopy and Photobleaching Detection of Melanin-Pigmented Cutaneous Neoplasia”, 21st International Conference and School on Quantum Electronics „Laser Physics and Applications“, 21.09.2020 – 24.09.2020, Sofia, Bulgaria (virtual forum) (Постерна презентация);
  11. 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);
  12. Genova, Ts., Valkov, H., Vladimirov, B., Kolev, B., Angelov, I., Avramov, L., Borisova, E.. Endogenous and Exogenous Fluorescence Diagnosis of Lower Part Gastrointestinal Tract Tumours. 21st International Conference and School on Quantum Electronics „Laser Physics and Applications“, 21.09.2020 – 24.09.2020, Sofia, Bulgaria (virtual forum) (Постерна презентация);
  13. Borisova E., Genova Ts., Troyanova P., Pavlova E., Vladimirov B.., “Fluorescence diagnostics of soft tissues neoplasia”, Saratov Fall Meeting – SFM’2020, 28.09.2020 – 02.10.2020, Saratov, Russian Federation (Поканена лекция);
  14. Borisova E., Genova Ts., Mircheva V., Ilyov S., Zaharieva L., Ivanov D., Gisbrecht A., Avramov L., Lihachova I., Lihachovs A., Spigulis J., Bratchenko I., Myakinin O., Zakharov V., Terziev I., Troyanova P., “Skin optical spectroscopy – diagnostics of cancerous and degenerative diseases”, 19th International Conference Laser Optics, 02.11.2020 – 06.11.2020, Sankt Petersburg, Russian Federation (virtual forum) (Постерна презентация);

Публикации по проект # КП06-Н28/11/14.12.18 „Нови био-оптически методи за определяне на химическа и конформационна реорганизация на колаген-базирани тъканни структури ин витро и ин виво“:

    1. Borisova E., Genova T., Bratashov D., Lomova M., Terziev I., Vladimirov B., Avramov L., Semyachkina-Glushkovskaya O.. Macroscopic and microscopic fluorescence spectroscopy of colorectal benign and malignant lesions – diagnostically important features. Biomedical Optics Express, 10, 6, Optical Society of America, 2019, DOI:https://doi.org/10.1364/BOE.10.003009, 3009-3017. JCR-IF (Web of Science) :3.91, Q1 ЛИНК;
    2. Agranovich I., Borisova E., Navolokin N., Bucharskaya A., Maslyakova G., Shirokov A., Abdurashidov A., Angelov I., Khorovodov A., Terskov A., Mamedova A., Klimova M., Semyachkina-Glushkovskaya O.. Phenomenon of atypical vascular effects of epinephrine and an increase of photodynamic response by nitroglycerin in rats with colon adenocarcinoma: adrenergic and nitrergic mechanisms and novel applied aspects. Biomedical Optics Express, 10, 8, OSA, 2019, ISSN:2156-7085, DOI:10.1364/BOE.10.004115, 4115-4125. JCR-IF (Web of Science) :3.91, Q1 ЛИНК;
    3. Borisova E., Genova Ts., Bratashov D., Lomova M., Terziev I., Vladimirov B., Valkov H., Semyachkina-Glushkovskaya O.. Fluorescence spectroscopy and confocal fluorescence microscopy of colon benign and malignant lesions – comparative study. Proceedings SPIE, 11457, SPIE, 2020, DOI:https://doi.org/10.1117/12.2559559, 1145702. SJR (Scopus):0.24 ЛИНК;
    4. Borisova E., Ivanov D., Kolev B., Genova Ts., Mircheva V., Ilyov S., Zaharieva L., Lihachova I., Lihachovs A., Spigulis J., Troyanova P.. Autofluorescence spectroscopy of cutaneous neoplasia under ultraviolet, visible and near infrared excitation. Proceedings SPIE, 11363, SPIE, 2020, DOI:https://doi.org/10.1117/12.2555982, 113630Z-1-113630Z-5. SJR (Scopus):0.24 ЛИНК;
    5. Borisova E., Kanevskiy M., Konnova S., Khorovodov A., Agranovich I., Genova Ts., Avramov L., Navolokin N., Smyachkina-Glushkovskaya O.. 5-ALA/PpIX photodiagnosis of stress-induced gastrointestinal metastatic tumours in laboratorial animals. Proceedings SPIE, 11363, SPIE, 2020, ISSN:0277-786X, DOI:https://doi.org/10.1117/12.2555992, 113630U-1-113630U-7. SJR (Scopus):0.24 ЛИНК;
    6. Zaharieva L., Mircheva V., Uzunov Ts., Borisova E., Autofluorescent Characteristics of Different Stages of Dental Carious Lesions. Journal of Physics and Technology, 3, 2, Plovdiv University Press “Paisii Hilendarski”, 2019, ISSN:2535-0536, 20-25 ЛИНК;
    7. Ivanov D., Dremin V., Bykov A., Borisova E., Genova Ts., Popov A., Ossikovski R., Novikova T., Meglinski I.. Colon cancer detection by using Poincar? sphere and 2D polarimetric mapping of ex vivo colon samples. Journal of Biophotonics, 13, WILEY?VCH Verlag GmbH, 2020, ISSN:1864-0648, DOI:https://doi.org/10.1002/jbio.202000082, e202000082. JCR-IF (Web of Science):3.763, Q1 ЛИНК;
    8. Kanevskiy M., Borisova E., Mironova I., Konnova S., Galitskaya A., Khorovodov A., Agranovich I., Pavlova P., Avramov L., Semyachkina-Glushkovskaya O.. Stress-induced gastric adenocarcinoma: fluorescent and electrical measurements. JOAM, 22, 5-6, INOE Publishing House, 2020, 316-322. JCR-IF (Web of Science):0.588, Q4 ЛИНК;

 

  1. Borisova E., Troyanova P.. Chapter 7: Diagnostics of Pigmented Skin Tumors Based on Light-Induced Autofluorescence and Diffuse Reflectance Spectroscopy. Multimodal Optical Diagnostics of Cancer, Springer Nature Switzerland AG, 2020, ISBN:978-3-030-44594-2, DOI:10.1007/978-3-030-44594-2_7, 25, 245-270 ЛИНК
  2. Genova, Ts., Valkov, H., Vladimirov, B., Kolev, B., Angelov, I., Avramov, L., Borisova, E.. Endogenous and Exogenous Fluorescence Diagnosis of Lower Part Gastrointestinal Tract Tumours. Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing Ltd., приета за печат: 2020, SJR (Scopus):0.23 SJR, непопадащ в Q категория (Web of Science)ЛИНК
  3. Ivanov D., Borisova E., Novikova T., Ossikovski R.. Experimental validation of depolarizing Mueller matrix model via ex vivo colon samples. Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing Ltd., приета за печат: 2020, SJR (Scopus):0.23 SJR, непопадащ в Q категория (Web of Science)ЛИНК
  4. Mircheva V., Zaharieva L., Ilyov S., Troyanova P., Lihacova I., Lihacovs A., Bratchenko I., Bratchenko L., Khristoforova Yu., Zakharov V., Avramov L., Borisova E.. Near Infrared Autofluorescence Spectroscopy and Photobleaching Detection of Melanin-Pigmented Cutaneous Neoplasia. Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing Ltd., приета за печат: 2020, SJR (Scopus):0.23 SJR, непопадащ в Q категория (Web of Science) ЛИНК