| Аннотация |
Несмотря на успехи создания и использования оптических томографов, позволяющих визуализировать внутренние структуры клеток, исследование процессов, протекающих в клетках во времени, сопряжено с большими методическими трудностями. Разработка и использование физических методов, позволяющих в режиме реального времени в малых участках клетки изучать внутриклеточные процессы, является актуальной задачей биофизики и медицинской диагностики.
В настоящее время биоспеклы успешно применяются для изучения активности различных биологических объектов: в семенах, фруктах, в коже людей, живых тканях и т.п. объектов. Методика на основе контраста спеклов используется в клиниках для оценки скорости кровотока на сетчатке глаза и на конечностях пациентов. Болезни людей прямо или косвенно связаны с явлениями, возникающими в мембранах и внутри клеток. Настоящее исследование направлено на изучение процессов происходящих в живых клетках при воздействии токсическими веществами и заражении вирусом. При зондировании клеток когерентным светом физико-химические процессы, протекающие в клетках, меняют фазы волн. Поэтому появляется потенциальная возможность по изменениям интенсивности прошедшего через клетки излучения выявлять структурные изменения в живых клетках. Сложность решения задач по установлению связи между физическими процессами, влияющими на изменение фаз волн и через них ‒ на параметры динамики спеклов, связана с тем, что необходимы соотношения, связывающие случайные изменения фаз в пространстве и во времени. Указанная сложность была ранее преодолена авторами в работах [Владимиров А.П.: https://radiophysics.unn.ru/issues/2014/8/632, https://radiophysics.unn.ru/issues/2020/8/658], где теоретически была решена задача о динамике спеклов в плоскости изображения тонкого биологического объекта. В работе [Малыгин А.С., диссертация, 2015] были сделаны наработки в создании указанной методики и прибора: обнаружено хорошее согласие теории и эксперимента; выявлен параметр, характеризующий активность клеток, и найдено различие этого параметра для инфицированных вирусом герпеса клеток и неинфицированных клеток при исследовании при малом оптическом увеличении. Вместе с тем, указанные исследования имели один серьезный недостаток: физические величины, характеризующие процессы, протекающие в тонких прозрачных телах, усреднялись по толщине объектов, т.е. определялось суммарное действие процессов, протекающих в клетках одновременно с разной скоростью. Кроме того, изучались процессы, протекающие с относительно малой скоростью -- с временами релаксации флуктуаций показателя преломления от нескольких секунд до десятков часов.
Целью данного проекта является решение фундаментальной проблемы, связанной с созданием физических моделей функционирования живых клеток в норме и при внешних воздействиях (действие токсических веществ, вируса) с учетом различия в изменениях оптических путей зондирующих волн по толщине объекта.
Получение информации об изменении оптических путей волн на малых участках с разной скоростью и по толщине клетки позволило бы создавать более адекватные модели функционирования клеток в норме, более детально изучать процессы, протекающие в клетках при внешних воздействиях (действие вирусов, бактерий, грибов, токсических веществ, лекарств), и в перспективе создать методики индивидуального лечения пациентов.
Научная новизна исследований заключается в том, что впервые:
1) будут зарегистрированы сигналы, характеризующие внутриклеточные процессы, протекающие в малых участках клетки с разной скоростью;
2) будет выявлена степень влияния различных метаболических процессов, протекающих в клетке, вносящих вклад в изменение физических параметров, характеризующих функционирование клеток.
Кроме того, ранее авторами заявки определялись функциональные параметры клеток, характеризующие суммарное действие процессов, протекающих в клетках одновременно с разной скоростью. В настоящей же работе предполагается изучить параметры отдельных процессов.
Ожидаемые результаты
1) на собранной новой оптической установке в норме, при воздействии двух подобранных токсических веществ (предварительно подобраны: 1) дистиллированная вода, изменяющая осмотическое давление в клетке, 2) раствор хлорид цинка, подавляющий процессы обмена веществ через клеточную мембрану) и вируса (ECHO11) будут определены физические параметры, характеризующие процессы, одновременно протекающие в клетках с разной скоростью;
2) будут выявлены процессы, которые были блокированы после введения токсических веществ и вируса;
3) будет прослежена эволюция физических процессов в пространстве и во времени в ходе репликации вируса.
Полученные результаты будут в дальнейшем использованы для создания физических моделей функционирования клеток при внешних воздействиях. Создание таких моделей позволило бы изучить тонкие механизмы развития инфекции в клетках и разработать методики для персонифицированного подхода в медицине.
|
