Соглашение 14.574.21.0025

<Номер соглашения>
<Номер постера>
Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Науки о жизни
Тема: Разработка технологии и программного обеспечения измерения внутриклеточного давления клетки по
данным атомно-силовой микроскопии
Соглашение 14.574.21.0025
на период 2014 - 2015 гг.
Руководитель проекта: снс Нагорнов Юрий Сергеевич
Получатель субсидии: Тольяттинский государственный университет
Цели и задачи проекта
Цель проекта - разработка методик, математических моделей и программного обеспечения для обработки данных атомно-силовой микроскопии с целью визуализации упругих состояний
мембраны клеток крови и оценки внутриклеточного давления в соответствии с разработанными математическими моделями.
Актуальность и научная новизна ПНИР – проект направлен на развитие методов атомно-силовой микроскопии в изучении биологических объектов - морфологии эритроцитов и состояния их
мембраны. Трехмерное изображение эритроцита позволяет оценить степень состояния мембраны и ее упругих свойств, которые для эритроцита является индикатором работы ионных
насосов в мембране. В свою очередь внутриклеточное давление создается упругими свойствами мембраны и ионными насосами, нарушения в работе которых влияют на морфологию
эритроцита и величину внутриклеточного давления. Направление исследований является перспективным для лечения онкологических заболеваний, поскольку при химиотерапии в раковых
клетках происходят нарушения работы ионных каналов более существенные, чем в здоровых клетках.
Ожидаемые результаты проекта
В качестве конечного продукта ожидалось, что будут получены методика расчета и программное обеспечение анализа данных атомно-силового прибора Next, математическая модель
упругих состояний мембраны с целью нахождения их взаимосвязи с вязкоупругими свойствами внутриклеточной среды клеток крови. На основе полученных данных планировалось
разработать программное обеспечение, позволяющее пользователю выделять клетки крови на скане атомно-силового микроскопа для дальнейшего анализа их внутриклеточного давления.
Для объективной оценки разработанной методики расчета планировалось провести серию экспериментов на атомно-силовом микроскопе по анализу упругих свойств мембраны клеток
крови. Планировалось, что будет разработана многопроходная методика определения внутриклеточного давления клеток на основе данных атомно-силовой микроскопии и математической
модели наномеханических свойств клетки. С целью коммерциализации разработанных методик планировалось разработать программную документацию к программному комплексу оценки
внутриклеточного давления на приборе Next.
Перспективы практического использования
Результаты ПНИР будут применяться в медицине для диагностики и лечения онкологических заболеваний как инновационные методы и подходы, связанные с оценкой внутриклеточного
давления в клетках крови. Диагностика внутриклеточного давления необходима при лечении онкологических заболеваний, поскольку для раковых клеток давление, при котором
происходит гибель клетки намного меньше, чем для здоровых клеток. Таким образом, проект позволит развивать инновационные методы лечения рака на клеточном уровне с переходом к
персонализированной медицине. При дальнейшей реализации проекта будет разработана диагностика онкологических заболеваний, на основе которой предлагается разработать
эффективные методы лечения. Основанием для успешного коммерческого завершения проекта является тот факт, что упругие свойства мембраны раковых клеток в разы меньше, чем у
здоровых клеток, а следовательно для раковых клеток давление, при котором происходит гибель клетки также намного меньше, чем у здоровых клеток.
В качестве перспективного коммерческого продукта ПНИР возможна разработка биосенсоров для измерения внутриклеточного давления и технологии их производства.
Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 г.
Norm
Class A
Class B
Class C
Рис.3. Сканы поверхности
мембраны эритроцита,
полученные при помощи
атомно-силовой
микроскопии с размером
изображения 3x3 μm, для
эритроцитов с
различным уровнем
механической желтухи и
для нормы.
Рис.1. Расчетная зависимость формы среза
эритроцита от внутриклеточного давления
эритроцита.
Рис.2. Полученный при помощи АСМ поперечный срез
трехмерного изображения морфологии эритроцита при
разной степени механической желтухи и в норме.
На основе данных атомно-силовой микроскопии скана эритроцитов проведена экспериментальная проверка способа расчета внутриклеточного давления. Проведен расчет внутриклеточного
давления эритроцитов (рис.1) экспериментальных животных при механической желтухе разной степени (рис.2). Показано, что с ростом концентрации билирубина в крови происходит
разрушение мембраны эритроцитов (рис.3), в среднем увеличение их объема и существенное увеличение внутриклеточного давления.
Разработан метод определения внутриклеточного давления и программное обеспечение для автоматизированного анализа данных атомно-силового микроскопа. Метод является
инновационным, мировых аналогов программному обеспечению в настоящее время нет.
Метод возможно использовать для разработки биосенсоров анализа крови на предмет измерения внутриклеточного давления.
Партнеры проекта
Закрытое акционерное общество «Нанотехнология МДТ»
• сфера деятельности – приборостроение, атомно-силовые микроскопы, нанофабрики, нанотехнологии.
• финансовая поддержка ПНИР – софинансирование ПНИР в объеме 1 млн. 170 тыс. рублей.
• задачи в проекте – разработка требований к ПО, проведение технологических работ, внедрение методов и
программных комплексов в ПО выпускаемых атомно-силовых микроскопов.
14.574.21.0025
1