КП06-Русия/19/28.09.2019 „Мултивариативна раманова и флуоресцентна диагностика на кожни тумори“

Финансиран от ФНИ-МОН

Партньорски организации:Институт по Електроника, Българска Академия на НаукитеСамарски Национален Изследователски Университет „Акад. С.П. Королев”, Департамент по Лазерни и Биотехнически Системи

Научен колектив от българска страна

Александър Гизбрехт, доц. д-р,- ръководител на екипа,
Институт по Електроника-БАН
Доц. д-р Екатерина Георгиева Борисова, ИЕ-БАН
Петранка Троянова, проф. д-р медицина, дерматология, УМБАЛ „Царица Йоанна-ИСУЛ”
Петя Павлова, доц. д-р, ТУ-София, филиал Пловдив
Цанислава Генова, редовен докторант, ИЕ-БАН
Виктория Мирчева, студент -бакалавър „Медицинска физика”
Стоян Ильов, студент -бакалавър „Медицинска физика”
   

 Научен колектив от руска страна

   Валерий Захаров, проф. дфмн – ръководител на екипа
Иван Братченко, доцент, д-р по физика (Оптика)
Александр Морятов, доцент, д-р по медицина
Сергей Козлов, проф. дмн по Онкология
Олег Мякинин, асистент, магистър
Дмитрий Раулов, магистратура,докторант
Людмила Шамина, магистратура, докторант
Дмитрий Артемьевb>, асистент, инженер, магистър
Юлия Христофорова, инженер, докторант

ЦЕЛИ НА ПРОЕКТА

Разширяване и плодотворно развитие на възникнало научноизследователско сътрудничество между Институт по Електроника – БАН, лаборатория „Биофотоника”, България и Самарски Национален Изследователски Университет „Акад. С.П. Королев”, Департамент по Лазерни и Биотехнически Системи, Руска Федерация, в областта на автофлуоресцентната, дифузно-отражателната и Раманова спектроскопия и топография и мултиспектралния анализ на кожни тумори. Разширяване на възможностите на съществуващите в двете организации експериментални спектроскопски практики и надграждане на натрупаните до момента бази данни за флуоресцентните и разсейвателните (Раманови) свойства на кожните патологии със средствата на мултивариативния анализ на спектрални данни и изображения за получаване на нови научни знания и оптимизация на диагностични алгоритми с приложимост в клинична среда. Обучение на млади учени и обмен на добри практики между партньорите за разработка и приложение на спектроскопски техники при анализ на кожни патологии in vivo.
Експериментални изследвания за разработка и оптимизация на оптоелектронен инструментариум, дискриминационни алгоритми и методология за мултиспектрален анализ и диагностика на кожни тъкани в норма и патология и тяхната апробация за внедряване в клиничната практика за ранна диагностика на кожни злокачествени новообразувания. Оптимизация на прилаганите спектроскопски техники за получаване на максимална диагностична точност при определяне на основните типове немеланомни кожни тумори и малигнен меланом, спрямо други пигментни и диспластични състояния на кожата.

ИЗПОЛЗВАНИ МЕТОДИ

Ще бъдат използвани методите на автофлуоресценцията и Рамановото разсейване за спектрален анализ ex vivo и in vivo и определяне на спектралните характеристики с диагностична значимост при доброкачествени, диспластични и злокачествени кожни патологии. Методите на дифузно- отражателната спектроскопия и колориметрия ще се използват за разширение на диагностичните възможности и ще се прилагат за пигментирани новообразувания, включително за малигнен меланом. Руските изследователи ще използват разработените от тях алгоритми за мултивариативен спектрален анализ на изображения и ще надградят възможностите на българския екип за анализ и диференциация на кожните патологии. Измерванията ще бъдат с фиброоптични сонди – едномерно точково сканиране (1-D), както и топографски (2-D) изображения с CCD камери с висока спектрална чувствителност на разпределението на автофлуоресцентния, разсеяния и дифузно-отразения сигнал от тъканите в норма и патология самостоятелно за всеки партньор и в общи експериментални сесии по време на партньорските визити. Спектралните техники на автофлуоресцентен и Раманов анализ ще бъдат интегрирани в обща система за мултиспектрален анализ на тъканите с цел получаване на оригинални експериментални данни за спектралните свойства на изследваните кожни обекти и последваща разработка и надграждане на алгоритми за диагностика и диференциация на кожни тумори.
Ще бъдат създадени комбинирани бази данни за автофлуоресцентните, Рамановите, отражателните и колориметричните свойства на основни кожни неоплазии и ще бъдат въведени компютърни методи за обработка – разработка на диагностични алгоритми за диференциация на основните типове злокачествени образования, по тип, степен на развитие и спрямо доброкачествени патологии. Спектралните данни и диагностични определяния ще бъдат сравнени и верифицирани с получавани по “златен стандарт” хистологични резултати.
Наскоро стартиралото сътрудничество между двете изследователски групи доведе до обмен на знания и идеи за оптимизация на провежданите спектрални измервания на кожни новообразувания, които са отразени в три съвместни публикации, излезли от печат в периода 2017-2019 г., което е индикатор за актуалността и важността на планираните съвместни изследвания.

графика

Близка ИЧ – АФ ЕЕМ на различни кожни лезии при възбуждане в диапазона от 635 до 785 nm със стъпка 10 nm a) нормална кожа, (b) доброкачествен невус, (c) диспластичен невус, и (d) малигнен меланом.
   
   

ОЧАКВАНИ РЕЗУЛТАТИ

Ще бъдат развити и разширени научноизследователските контакти между партниращите организации и ще се постигне ъп-грейд на знанията, техническите и аналитични умения на учените от двата екипа в областта на мултивариативния флуоресцентен и Раманов спектрален анализ на кожни патологии. Ще се получат нови, оригинални експериментални резултати за спектралните свойства на различни типове доброкачествени, диспластични и злокачествени кожни новообразувания и ще се определи тяхната корелация – спектрални характеристики – тип и степен на развитие на новообразуванието, за нуждите на развитието на диагностично-прогностични клинични приложения в онкодерматологията. Ще се получат резултати, позволяващи повишение на диагностичната точност на определяне на типа кожно новообразувание неинвазивно и в реално време.
От българска страна ще бъде усъвършенствана създадената в предходни изследвания методика за автофлуоресцентна, дифузно-отражателна и колориметрична диагностика на тумори на кожата. Ще се получат нови знания и данни за Рамановите разсейвателни характеристики на кожните новообразувания. Ще се набере нова база данни в двумерен режим на детектиране, позволяваща получаване на спектрални изображения на кожните тумори. Апаратните и методологичните средства ще бъдат предклинично реализирани. Руският екип ще постигне оптимизация на методиката си за мултивариативен спектрален анализ на кожа in vivo, на базата на спектроскопските измервания на българския екип в режим автофлуоресценция и дифузно отражение и ще го комбинират с данните по Раманова спектроскопия на кожни неоплазии.
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. Разработените методики и алгоритми ще бъдат използвани в дисертационния труд на двама докторанти – по един от двата партниращи си екипа, подготовката на дипломната работа на двама студенти от българска страна за ОКС „Бакалавър”, и евентуално за „Магистър” като проведените изследвания и установеното сътрудничество ще са предпоставка за стартирането на докторантура в областта на комбинираното приложение на флуоресцентна и Раманова спектроскопия на кожни тъкани за един млад учен, с което ще се постигне устойчиво развитие на човешките ресурси в ИЕ-БАН в областта на биофотониката и приложенията й.

Презентации по проект # КП06-Русия/19/28.09.2019 “Мултивариативна раманова и флуоресцентна диагностика на кожни тумори”:

    1. Ильов, С., Генова, Ц., Иванов, Д., Троянова, П., Братченко, И., Лихачовс, А., Спигулис, Я., Борисова, Е., Спектрални характеристики на меланин-пигментирани кожни новообразувания, VIII Национална студентска научна конференция по физика и инженерни технологии с международно участие, 31.10.2019 – 01.11.2019 , Пловдив,, България (Постер);
    2. Borisova E., Оптическая спектроскопия биологических тканей как инструмент для диагностики первичного рака и мониторинга лечения, XVII Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике, 12.11.2019 – 16.11.2019, Самара, Русия (Пленарна лекция);
    3. Zakharov V., Bratchenko L., Khristoforova Yu., Myakinin O., Artemyev D., Moryatov A., Kozlov S., Borisova E., Genova Ts., Troyanova P., Bratchenko I., Multiparametric spectral diagnosis of skin cancer, Photonics Europe 2020 – Conference „Tissue Optics and Photonics”, 29.03.2020 – 03.04.2020, Strassbourg, France (Поканена лекция).
    4. Khristoforova Yu., Bratchenko I., Borisova E., Bratchenko L., Genova Ts., Gisbreht Al., Moryatov A., Kozlov S., Troyanova P., Zakharov V., The study of ex vivo and in vivo melanocytic skin neoplasms using near-infared fluorescence spectroscopy, VI International Conference on Information Technology anf Nanotechnology, 26.05.2020 – 29.05.2020, Самара, Русия (Устен доклад) ЛИНК
    5. Bratchenko L., Abrosimova E., Stafeev S., Tupikova E., Borisova E., Bratchenko I., “Conventional Raman and Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for Human Skin Components Analysis” VI International Conference on Information Technology anf Nanotechnology, 26.05.2020 – 29.05.2020, Самара, Русия (Постерен доклад);
    6. Khristoforova Y., Bratchenko I., Bratchenko L., Myakinin O., Artemtev D., Zakharov V., Moryatov A., Kozlov S., Borisova E., Genova Ts., Troyanova P.., „Optical biopsy of skin cancer based on Raman and fluorescence spectroscopy“, 4th International Conference Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection and Applications, 24.08.2020 – 26.08.2020, Tomsk, Russian Federation (Устен доклад);
    7. 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)
    8. 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 human cutaneous tissues -tool for melanin pigmented skin cancer detection”, 21st International Conference and School on Quantum Electronics „Laser Physics and Applications“, 21.09.2020 – 24.09.2020, Sofia, Bulgaria (virtual forum) (Постерна презентация);
    9. 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-Русия/19/28.09.2019 “Мултивариативна раманова и флуоресцентна диагностика на кожни тумори”:

    1. Borisova E., Bratchenko I., Khristoforova Y., Bratchenko L., Genova Ts., Gisbrecht A., Moryatov A., Kozlov S., Troyanova P., Zakharov V.. Near-infrared autofluorescence spectroscopy of pigmented benign and malignant skin lesions. Optical Engineering, 59, 6, SPIE, 2020, ISSN:0091-3286, DOI:10.1117/1.OE.59.6.061616, 061616-061616-10, JCR-IF(WoS):1.209 Q1 (Scopus) ЛИНК;
    2. Zakharov V., Bratchenko L., Khristoforova Yu., Myakinin O., Artamiev D., Moryatov A., Kozlov S., Borisova E., Genova Ts., Troyanova P., Bratchenko I.. Multiparametric spectral diagnosis of skin cancer. Proceedings SPIE, 11363, 1136310 -1-1136310 -6, 2020, ISSN:0277-786X, DOI:https://doi.org/10.1117/12.2555306, SJR (Scopus):0.24 ЛИНК;

 

  1. Bashkatov A., Zakharov V., Bucharskaya A., Borisova E., Khristoforova Yu., Genina E., Tuchin V.. Chapter 1: Malignant Tissue Optical Properties. Multimodal Optical Diagnostics of Cancer, Springer Nature Switzerland AG, 2020, ISBN:978-3-030-44594-2, DOI:10.1007/978-3-030-44594-2_1, 103, 3-106 ЛИНК;
  2. Zakharov V., Bratchenko L., Khristoforova Yu., Myakinin O., Artamiev D., Moryatov A., Kozlov S., Borisova E., Genova Ts., Troyanova P., Bratchenko I.. Multiparametric spectral diagnosis of skin cancer. Proceedings SPIE, 11363, SPIE, 2020, ISSN:0277-786X, 1136310, SJR=0.24 ЛИНК;
  3. Христофорова Ю., Братченко И., Борисова Е., Братченко Л., Генова Ц., Гизбрехт А., Морятов А., Козлов С., Троянова П., Захаров В.. ИССЛЕДОВАНИЕ EX VIVO И IN VIVO МЕЛАНОЦИТАРНЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ КОЖИ С ПОМОЩЬЮ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ В БЛИЖНЕЙ ИК ОБЛАСТИ. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ (ИТНТ-2020) Сборник трудов по материалам VI Международной конференции и молодежной школы. В 4-х томах. Под редакцией С.В. Карпеева . 2020, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева (Самара), 2020, 565-572 (AIS eLibrary) ЛИНК;
  4. Братченко Л., Абросимова Е., Стафеев С., Тупикова Е., Борисова Е., Братченко И.. РАМАНОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ И ПОВЕРХНОСТНО-УСИЛЕННАЯ РАМАНОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА КОМПОНЕНТОВ КОЖИ ЧЕЛОВЕКА. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ (ИТНТ-2020) Сборник трудов по материалам VI Международной конференции и молодежной школы. В 4-х томах. Под редакцией С.В. Карпеева . 2020, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева (Самара), 2020, 504-509 (AIS eLibrary) ЛИНК;
  5. Borisova E., Genova Ts., Mircheva V., Troyanova P., Bratchenko I., Bratchenko L., Khristoforova Yu., Zakharov V., Lihacova I., Lihacovs A., Spigulis J.. Multispectral Fluorescence Detection of Pigmented Cutaneous Tumours. Proceedings SPIE, 11585, SPIE, 2020, DOI:10.1117/12.2581967, 1158504. SJR=0.22 ЛИНК;
  6. Ilyov, S., Genova, C., Ivanov, D., Troyanova, P., Bratchenko, I., Bratchenko, L., Zakharov, V., Lihachevs, A., Lihachova, I., Spigulis, J., Borisova, E.. Spectral Characteristics of Melanin-Pigmented Cutaneous Neoplasia. Journal of Physics and Technology, 4, 1, Plovdiv University Press “Paisii Hilendarski”, 2020, ISSN:2535-0536, 41-44 ЛИНК;
  7. Bratchenko L., Abrosimova E., Stafeev S., Tupikova E., Borisova E., Bratchenko I.. Conventional Raman and surface-enhanced Raman spectroscopy for human skin components analysis. IEEE Xplore, IEEE, 2020, DOI:10.1109/ITNT49337.2020.9253245, 1-3 ЛИНК;
  8. Khristoforova Y., Bratchenko I., Borisova E., Bratchenko L., Moryatov A., Kozlov S., Troyanova P., Zakharov V.. The study of ex vivo and in vivo skin neoplasms using near-infrared fluorescence spectroscopy. IEEE Xplore, IEEE, 2020, DOI:10.1109/ITNT49337.2020.9253247., 1-4 ЛИНК;
  9. Khristoforova Yu., Bratchenko I., Bratchenko L., Myakinin O., Artemyev D., Moryatov A., Kozlov S., Borisova E., Genova Ts., Troyanova P., Zakharov V.. Optical biopsy of skin cancer based on Raman and fluorescence spectroscopy. SPIE Proceedings, 11582, SPIE, 2020, 115821K. SJR=0.24 ЛИНК;
  10. Khristoforova Yu., Bratchenko I., Bratchenko L., Myakinin O., Artemyev D., Moryatov A., Kozlov S., Borisova E., Genova Ts., Troyanova P., Zakharov V.. Optical biopsy of skin cancer based on Raman and fluorescence spectroscopy. SPIE Proceedings, 11582, SPIE, 2020, 115821K. SJR =0.24 ЛИНК;