Наука

Информация о материале

Категория: Конкурсы Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ)

Опубликовано: 15 января 2019

Просмотров: 3080

Номер Проекта 17-41-590059-р_а
Название Проекта «Турбулентность и магнитные поля в замкнутом потоке жидкого натрия»
Руководитель: Фрик Петр Готлобович
Аннотация

Проект направлен на исследование процессов формирования турбулентного потока в криволинейном канале и процессов переноса магнитного поля в турбулентных потоках жидкого металла при больших числах Рейнольдса Re и умеренных магнитных числах Рейнольдса Rem. Основную часть проекта составляют экспериментальные исследования характеристик импульсных турбулентных потоков жидкого натрия - металла, обладающего высокой электропроводностью, малой плотностью, малой вязкостью и низкой температурой плавления. Проведены измерения характеристик поля скорости импульсного турбулентного течения натрия за решеткой, установленной в кольцевом канале (решетки обеспечивают инжекцию кинетической энергии непосредственно в малые масштабы). Показано, что динамика импульсного турбулентного потока существенно отличается от наблюдаемой в свободном канале, где турбулентность развивается на масштабах сечения канала, Рис.1.

Рис.1 Тороидальная полоидальная скорости в канале с решетками (верхняя панель) и в свободном канале (нижняя панель).

Измерения характеристик пульсаций скорости и магнитного поля показали, что индукционные эффекты в нестационарном импульсном потоке успевают проявиться в полной мере. Измерен эффективный коэффициент магнитной диффузии, который  за счет турбулентных пульсаций возрастает на 3%, Рис.2.

Рис.2 Измерение коэффициента магнитной диффузии (метод сдвига фаз). Сдвиг фаз в потоке решеточной турбулентности (верхняя панель) и калибровочный сдвиг фаз при отвердевании   жидкого натрия в канале (частоты наложенного магнитного поля 23, 53 и 97гц).

Выполнено численное моделирование процесса генерации мелкомасштабных пульсаций магнитного поля в нестационарном потоке. Расчеты выполнены с помощью каскадной модели турбулентности. Исследовано влияние характеристик возбуждаемого мелкомасштабного магнитного поля от параметров течения и магнитного числа Прандтля.

The project is aimed to study the characteristics of turbulent pulse flow in a curvilinear channel and the induction processes in turbulent nonstationary flows of a liquid metal under large Reynolds numbers and moderate magnetic Reynolds numbers. The main part of the project consists of experimental studies of the characteristics of turbulent spin-down flow of liquid sodium - a metal with high electrical conductivity, low density, low viscosity and low melting point. Measurements were made of the characteristics of the velocity field of a pulsed turbulent sodium flow behind grids installed in a toroidal channel. Grids provide injection of kinetic energy directly into small scales. It is shown that the dynamics of grid induced pulsed turbulent flow is significantly different from that observed in a free channel, where turbulence develops on the scale of the channel cross section. Measurements of the characteristics of the velocity and  magnetic field fluctuations showed that induction effects in this non-stationary pulsed flow have time to manifest themselves in full. The effective coefficient of magnetic diffusion is measured, which due to turbulent pulsations increased by 3%. Numerical modeling of the generation of small-scale magnetic field in the non-stationary flow has been performed. The calculations were performed using a shell model of turbulence. The influence of the characteristics of the excited small-scale magnetic field on the flow parameters and the magnetic Prandtl number is investigated.

Участие в научных мероприятиях по тематике Проекта за период, на который предоставлен грант (каждое мероприятие с новой строки, указать названия мероприятий и тип доклада)
ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г. - все участникиX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г. - все участники
проекта, устные доклады.
16th European Turbulence Conference (ETC16), 21-24 August 2017, Stockholm, Sweden. Фрик П.Г., устный доклад.
Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика", Ялта, Республика Крым, 11-17 сентября 2017г., Фрик П.Г. Приглашенная лекция.

Адреса (полностью) ресурсов в Интернете, подготовленных авторами по данному проекту, например, http://www.somewhere.ru/mypub.html:
https://www.researchgate.net/project/Turbulence-and-magnetic-fields-in-closed-flow-of-liquidsodium?_esc=profileContributions
Библиографический список всех публикаций по Проекту, опубликованных за период, на который предоставлен грант, в порядке значимости: монографии, статьи в научных изданиях, тезисы докладов и материалы съездов, конференций и т.д.:
Stepanov R., Frick P., Noskov V., Pavlinov A., Denisov S. Magnetic field in decaying grid turbulence of liquid sodium // Magnetohydrodynamics. 2019. V.55. N.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // Magnetohydrodynamics. 2019. V.55. N.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.40.
Pavlinov A., Denisov S., Noskov V., Stepanov R., Frick P. Pulsed flows of liquid sodium in a toroidal channel: grid-induced turbulence // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.99.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // MHD Days and GdRI Dynamo Meeting, November 26 - 28, 2018, Dresden, Germany, Book of abstracts

Информация о материале

Категория: Федеральные целевые программы (ФЦП)

Опубликовано: 09 января 2019

Просмотров: 3579

Этап №3 (заключительный) Разработка методик диагностики. Обобщение и оценка результатов выполнения проекта

Cоглашение № 075-15-2019-061 (внутренний номер соглашения 14.607.21.0202)

Номер гос. регистрации АААА-А18-118121090018-8

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI60718X0202

Приоритетное направление: Науки о жизни

Критическая технология: Технологии снижения потерь от социально значимых заболеваний

Период выполнения: 31 мая 2018 г. – 31 декабря 2020 г.

Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (ПФИЦ УрО РАН)

Индустриальный партнер: Акционерное общество «Производственное объединение «Уральский оптико-механический завод им. Э.С. Яламова» (АО «ПО «УОМЗ»)

Ключевые слова: РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА, ПРОТИВООПУХОЛЕВЫЕ ПРЕПАРАТЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕПАРАТОВ,
КЛЕТОЧНЫЙ АНАЛИЗ, РАКОВЫЕ КЛЕТКИ, ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫЕ ОПУХОЛИ, КОМПЬЮТЕРНАЯ ОБРАБОТКА,
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ, ЛАЗЕРНАЯ МИКРОСКОПИЯ, ИНФРАКРАСНАЯ ТЕРМОГРАФИЯ,
ФЛЮОРЕСЦЕНТНАЯ МИКРОСКОПИЯ, НАНОПОРИСТЫЕ И МИКРОПОРИСТЫЕ НОСИТЕЛИ ПРОТИВООПУХОЛЕВЫХ
ПРЕПАРАТОВ, ПРОЛОНГИРОВАННОЕ ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ

1 Цель проекта

Реализация проекта направлена на решение социально-значимой проблемы создания отечественных программно-аппаратных средств и методик для высокоинформативной и достоверной ранней диагностики злокачественных новообразований, обеспечивающих импортонезависимость российского здравоохранения и имеющих экспортный потенциал.

Целью реализуемого проекта является создание обладающего экспортным потенциалом отечественного программно-аппаратного комплекса на базе лазерного модуляционного интерференционного микроскопа, оригинальных методик флюоресцентного и термографического анализа для ранней диагностики злокачественных опухолей, оценки эффективности противоопухолевых препаратов с целью обеспечения импортонезависимости.

2 Основные результаты проекта

Выполненный патентный и аналитический обзор более 100 научно-информационных литературных источника за 2013–2017 гг. в технической области методов диагностики злокачественных новообразований и оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов с использованием лазерной микроскопии, термографического анализа, флуоресцентного анализа позволил сформулировать направления исследований и возможные варианты технических решений. В результате исследований разработаны методы: термографической съемки молочной железы с использованием блока термографической диагностики (ТГД ПАК) и предварительной обработки тепловых изображений молочной железы. Предложен критерий классификации нормальной и раковой ткани молочной железы. Определен критерий дифференциации раковых и нормальных эпителиальных клеток, выделенных из одного источника (ткани, органа), базирующийся на оценке морфометрических параметров фазовых изображений клеток, полученных с помощью метода лазерной интерференционной микроскопии (ЛИМ ПАК). Создана методика анализа динамики изображений лазерной интерференционной микроскопии и дифференциации нормальных и опухолевых клеток. Предложен критерий дифференциации нормальных и опухолевых клеток, устанавливающий соответствие опухолевой эпителиальной клетки человека значениям показателя Хёрста, превышающим значение 0,45 при нулевой ширине мультифрактального спектра. В противном случае клетка считается нормальной. С использованием разработанных в проекте компьютерных моделей поровой структуры созданы методики получения носителей лекарственных препаратов на основе пористых кремния и кальций-фосфатного покрытия для экспресс-оценки эффективности противоопухолевых препаратов. Разработана эскизная документация и изготовлен лабораторный стенд для оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом ЛИМ ФПВК.941416.001. Разработаны макеты модуля флуоресцентного канала и револьверной головки блока ЛИМ ПАК, подготовлена эскизная конструкторская документация модулей, проведены их исследовательские испытания, подготовлены технические рекомендации для максимального интегрирования данных компонентов в систему ЛИМ ПАК.

Анализ измерений тестовых объектов показал, что, по сравнению со сканирующим интерференционным профилометром ZYGO NewView 5010, ЛИМ ПАК удовлетворяет требованиям техзадания по техническим характеристикам: обеспечивает лучшую разрешающую способность в плоскости (X, Y) и точность измерения высоты объектов с размером менее 1,5 мкм. Разработаны и испытаны программные модули обработки данных ПАК: инфракрасной термографии; флюоресцентного анализа клеток, динамики их изображений и морфометрии. Программные модули позволяют: загружать и сохранять оптическое изображение клетки; выделять, загружать и фильтровать флюоресцентный образ клеток; загружать, восстанавливать фазовые сдвиги, удалять наклон, выделять контур фазового изображения, анализировать морфометрические показатели и флуктуации оптической толщины клеток. Методом ЛИМ с использованием пористых носителей препаратов разработана лабораторная методика оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов, основанная на том, что эффективность действия препарата способствует повышению уровня апоптотических изменений в клетке и, как следствие, увеличению степени волнистости профиля ее фазовых изображений. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы, ЭКД модулей флюоресцентного анализа и револьверной головки блока ЛИМ ПАК, испытания которых подтвердили: стабильность работы системы переключения между увеличениями и разницу в положении фокусировки для различных объективов, а также наблюдаемость объекта калибровки - проточного цитометра диаметром 6 мкм. Схема осветителя образца с применением светодиода GNL-50113UBC и плосковыпуклой линзы с ФР 40 мм позволила повысить уровень засветки в 2 раза и снизить мощность питания. Методика транспортировки и хранения клеток образцов тканей человека для исследований методом ЛИМ обеспечивает поддержание 60-70%-ой жизнеспособности клеток. Методика пробоподготовки клеток включает обработку и получение из ткани методом биопсии суспензии жизнеспособных (не менее 60%) клеток. Дисперсия флуктуаций оптической толщины клеток (данные ЛИМ) позволяет выявить живые и мертвые клетки. Разработаны и протестированы компьютерные модели поровой структуры нано- и микропористых материалов носителей лекарственных препаратов и проведено компьютерное моделирование переноса противоопухолевых антибиотиков в поровом пространстве нано- и микропористых материалов.

Разработана и верифицирована методика ранней диагностики рака молочной железы с использованием ПАК. Разработаны рекомендации по применению методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием ПАК в клинической практике. Разработан лабораторный технологический регламент изготовления носителей лекарственных препаратов для оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии. Изготовлены и проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов носителей лекарственных препаратов. Проведены экспериментальные исследования методики оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии. Изготовлен и проведены исследовательские испытания экспериментального образца ПАК. Разработаны рекомендации и предложения Индустриальному партнеру по использованию результатов выполнения проекта при организации производства продукции проекта. Разработан проект технического задания на проведение ОКР «Разработка флюоресцентного лазерного интерференционного микроскопа для программно-аппаратных комплексов ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов». Разработана методика оценки апоптоза опухолевых клеток под действием противоопухолевых препаратов. Разработана и проведены исследовательские испытания программного модуля хранения и протоколирования данных ПАК. Проведены исследовательские испытания программного обеспечения ПАК. Разработан и проведены отладка и тестирование программного модуля управления ПАК. Разработана эксплуатационная документация ПАК. Проведены мероприятия по популяризации и демонстрации результатов выполнения проекта. Выполнено материально-техническое обеспечение работ этапа. Разработана методика оценки функционального состояния опухолевых клеток образцов тканей человека методом лазерной интерференционной микроскопии.

Выполнены патентный и аналитический обзоры современной научно-технической, нормативной и методической литературы в технической области методов диагностики опухолевых новообразований и оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов с использованием лазерной микроскопии, термографического анализа, флуоресцентного анализа, включая более 100 научно-информационных источника за период 2013–2017. На основании аналитического обзора сделан выбор направлений исследований и возможных вариантов технических решений, которые включают: разработку аппаратуры и программного обеспечения для получения комплекса экспериментальных данных, необходимых для выявления закономерностей развития онкологических заболеваний с целью разработки методов ранней диагностики рака и последующего выбора стратегии лечения; выявление основных признаков патологических изменений морфометрических параметров клеток для ранней диагностики онкологических заболеваний с использованием методов лазерной интерференционной микроскопии (ЛИМ) и инфракрасной термографии; создание научно-методического подхода по оценке эффективности вновь разрабатываемых противоопухолевых препаратов с использованием нано- и микропористых носителей лекарственных средств методом лазерной интерференционной микроскопии. Выполненный анализ научной и патентной литературы по тематике проекта, а также результаты собственных исследований авторов проекта позволяют прогнозировать получение новых технических решений в результате разработки и исследовательских испытаний с использованием новых программных комплексов блока термографической диагностики программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии (ПАК), а также модуля револьверной головки блока лазерной интерференционной микроскопии, совмещенного с модулем флуоресцентного анализа для исследования морфологии и динамики флуктуаций клеточных структур. В свою очередь, определение оптимальных параметров применительно к технологии изготовления платформ с пористым носителем, обеспечивающих формирование заданных характеристики пористой структуры, обеспечит получение носителей лекарственных средств для разработки лабораторной методики оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом ЛИМ.

В результате экспериментальных исследований разработаны и апробированы методы термографической съемки молочной железы с использованием блока ТГД ПАК, предварительной обработки тепловых изображений молочной железы, построения мультифрактального спектра и фазового портрета. Для получения критерия классификации нормальной и раковой ткани молочной железы применялся статистический анализ на основе двухвыборочного непараметрического критерия Уилкоксона-Манна-Уитни и проводился корреляционный анализ методом Спирмена. Разработан программный модуль (в виде отдельных компонентов (классов) на высокоуровневом языке программирования MATLAB), который позволяет загружать, фильтровать (по пространству и времени в определенном частотном диапазоне), анализировать флуктуации поверхностной температуры молочных желез человека. Сохранение всех результатов производится в формате xls (файл Excel). Разработанная методика диагностики рака молочной железы с использованием блока ТГД ПАК была апробирована и проведено сравнение с клинико-лабораторными исследованиями.

Созданы методики анализа динамики изображений ЛИМ и дифференциации нормальных и опухолевых клеток. Предложен критерий дифференциации нормальных и опухолевых клеток, устанавливающий, что эпителиальная клетка человека считается опухолевой, если значение показателя Хёрста превышает значение 0,45 и ширина мультифрактального спектра равна 0. В противном случае клетка считается нормальной.

Для дифференциации выделенных из одного источника (ткани, органа) раковых и нормальных эпителиальных клеток определен критерий, базирующийся на оценке морфометрических параметров фазовых изображений, полученных с помощью метода ЛИМ.

Разработанная методика получения носителей лекарственных препаратов на основе кальций-фосфатных соединений позволяет получать методом микродугового оксидирования кальций-фосфатные покрытия на подложках из титанового сплава ВТ1-0 с пористой структурой, состоящей из нижнего оксидного подслоя и основного пористого кальций-фосфатного слоя, содержащего на поверхности сфероидальные структурные элементы с открытыми проницаемыми порами. Общая пористость составляет 30–40 %, средний размер пор составляет 1–15 мкм.

Разработанная методика получения носителей лекарственных препаратов на основе кремния позволяет получать методами химического и электрохимического травления образцы с пористой структурой. Общая пористость составляет 50–80 %, поперечный диаметр пор находится в диапазоне 10–50 нм.

Разработана эскизная документация и изготовлен лабораторный стенд для оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии ФПВК.941416.001.

Разработаны макеты модуля флуоресцентного канала и револьверной головки блока ЛИМ ПАК, подготовлена эскизная конструкторская документация модулей и проведены исследовательские испытания модулей. На основе данных исследовательских испытаний разработанных макетов модулей блока ЛИМ ПАК, подготовлены технические рекомендации для максимального интегрирования данных компонентов в систему ЛИМ ПАК.

Разработаны компьютерные модели поровой структуры нано- и микропористых материалов носителей лекарственных препаратов. Данные модели могут быть использованы для получения параметров поровой структуры носителей лекарственных препаратов для корректного анализа эффективности их действия.

Сравнительный анализ результатов измерений тестовых объектов показал, что, по сравнению со сканирующим интерференционным профилометром ZYGO NewView 5010, блок ЛИМ ПАК удовлетворяет требованиям технического задания по техническим характеристикам:точность позиционирования в плоскости (X, Y) не хуже 300 нм; разрешающая способность в плоскости (X, Y) не хуже 100 нм; разрешающая способность в направлении Z не хуже 0,2 нм; частота кадров не менее 20 Гц; диапазон сканирования (по оси Z) не менее 10 мкм; размер кадра не менее 740х480 пикселей; потребляемая мощность не более 2 кВт, демонстрируя лучшую разрешающую способность в плоскости (X, Y) и позволяя точнее измерять высоту объектов с характерным размером 1,5 мкм и менее.

Разработаны и испытаны программные модули обработки данных флюоресцентного анализа клеток ПАК, а также анализа динамики их изображений и морфометрических данных для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами ЛИМ и инфракрасной термографии. Описанные алгоритмы реализованы в программном модуле в виде отдельных компонентов (классов) на высокоуровневом языке программирования MATLAB. Программные модули позволяют загружать оптическое изображение клетки (*.bmp, *.jpg, *.tiff), выделять и загружать, фильтровать (по времени в определенном частотном диапазоне) флюоресцентный образ клеток молочных желез человека, а также загружать, восстанавливать фазовые сдвиги, удалять наклон, выделять контур фазового изображения и анализировать морфометрические показатели и флуктуации оптической толщины клеток. Сохранение всех результатов производится в формате xls (файл Excel).

Разработана лабораторная методика оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов с использованием метода ЛИМ и разработанных пористых носителей препаратов на основе кремния и кальций-фосфатных соединений. Методика базируется на анализе волнистости профиля фазовых изображений клеток с помощь программного обеспечения Gwyddion. Анализ данных позволяет связать величину волнистости профиля клетки с уровнем апоптических изменений исследуемых клеток, коррелирующих с эффективностью противоопухолевого препарата.

Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы модуля флюоресцентного анализа и модуля револьверной головки блока ЛИМ ПАК, включая эскизную конструкторскую документацию. Исследовательские испытания функционирования экспериментального образца модуля револьверной головки блока ЛИМ ПАК подтвердили стабильность работы системы переключения между увеличениями, а также разницу в положении фокусировки для различных объективов. Исследовательские испытания экспериментального образца модуля флюоресцентного анализа блока ЛИМ ПАК подтвердили наблюдаемость объекта в условиях использования в качестве объекта калибровки проточного цитометра диаметром 6 мкм. При этом техническое решение реализации схемы осветителя экспериментального образца с применением светодиода GNL-50113UBC совместно с плосковыпуклой линзой с фокусным расстоянием 40 мм позволило повысить уровень засветки в два раза с одновременным уменьшением требуемой мощности питания.

Разработанная методика транспортировки и хранения клеток образцов тканей человека позволяет сохранить жизнеспособные клетки исследуемого биоматериала в процессе подготовки к транспортировке, собственно транспортировки с доставкой в научно-исследовательскую лабораторию и первичной обработки образцов. При соблюдении условий разработанной методики, включая среду для транспортировки и температурный режим, определен оптимальный временной интервал (не более 2 часов после операционного вмешательства), в течение которого образцы ткани молочной железы сохраняют жизнеспособность (не менее 60-70%) и могут быть использованы для подготовки клеточных препаратов для исследования методом ЛИМ. Кроме того, установлены условия хранения образцов в виде клеточных проб в условиях криоконсервации (−196°C, 8 часов), позволяющие сохранить жизнеспособность клеток на уровне 60%, что удовлетворяет требованиям для исследования методом ЛИМ.

Установлено, что метод механической дезагрегации образцов тканей молочной железы человека (биопсия) с получением единичных (обособленных) клеток с уровнем жизнеспособности более 60% из образцов тканей молочной железы человека, представленных как плотными, так и мягкими структурами, позволяет осуществить оптимальную пробоподготовку клеточных образцов для анализа с помощью ЛИМ ПАК.

В результате сравнительного анализа живых и мертвых клеток на основе данных ЛИМ ПАК выбран параметр оценки состояния клетки (значение дисперсии флуктуаций оптической толщины клеток) и определено его критическое значение (7 нм²), позволяющие идентифицировать живые / мертвые клетки без специальной фиксации и окраски клеточных образцов.

Разработаны компьютерные модели поровой структуры носителей лекарственных препаратов и на примере противоопухолевых антибиотиков доксорубицина и бензилпенициллина проведено компьютерное моделирование диффузии лекарственных препаратов из пор носителей на основе кремния и кальций-фосфатных соединений, получены оценочные значения коэффициента диффузии. Показано, что с увеличением размера поры величина коэффициента диффузии нелинейно возрастает и выходит на насыщение при размерах пор, превышающих 0,3–0,4 мкм.

Разработана методика ранней диагностики рака молочной железы человека с использованием ПАК, направленная на решение важной социально-медицинской проблемы, а именно проблемы раннего выявления злокачественных новообразований молочной железы. В качестве целевой группы для скрининга определены женщины в возрасте до 40 лет. Обязательные ежегодный скрининг РМЖ данной группы включают использование неинвазивного метода УЗИ, который не позволяет однозначно дифференцировать доброкачественные и злокачественные новообразования. Применение разработанной схемы скрининга также актуально для беременных женщин и женщин в период лактации (независимо от возрастной категории), поскольку предложенный алгоритм диагностики исключает применение инвазивных инструментальных методов исследования. Согласно разработанной методике, блок ТГД ПАК может быть использован в схеме ранней диагностики РМЖ для уточняющей неинвазивной функциональной дифференциации патологического процесса, а блок ЛИМ ПАК − для дифференциации патологически измененных клеток биоптата и объективной оценки результатов цитодиагностики.

Проведена верификация методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием клинических данных маммографии. В ходе верификации проведено сравнение результатов, полученных при реализации методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием метода ТГД, с данными маммографии пациентов, с диагностированным раком молочной железы.

Разработаны рекомендации по применению методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием ПАК в клинической практике. Показано, что разработанная методика применима как для ранней диагностики рака молочной железы, так и для оценки эффективности терапевтического лечения.

Проведены экспериментальные исследования разработанной методики оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии и сопоставление полученных результатов с оценкой эффективности действия противоопухолевого препарата стандартными методами (МТТ-тест, метод прямого подсчета клеток в оптическом микроскопе, метод измерения флуоресценции клеток, метод проточной цитометрии) на примере оценки определения жизнеспособности раковых клеткок линии аденокарциномы молочной железы человека MCF-7 под действием доксорубицина. Результаты исследований с использованием методики ЛИМ обеспечивают статистически сопоставимые результаты со стандартными методами оценки жизнеспособности нормальных и опухолевых клеток, предоставляя возможность количественного определения морфологических характеристик в прижизненном цикле клеток без воздействия (например, окрашивания при флуоресцентном анализе).

Разработаны образцы носителей противоопухолевых препаратов на основе кремния и кальций-фосфатных соединений с нанопористой структурой и методика оценки эффектив-ности противоопухолевых препаратов в прижизненном цикле нормальных и раковых клеток с использованием лазерной интерференционной микроскопии.

Показано, что результаты исследований с использованием разработанной методики ЛИМ обеспечивают сравнимые характеристики со стандартными методами, обеспечивая возможность определения морфологических характеристик в прижизненном цикле раковых клеток, без окрашивания и других воздействий, проводимых при пробоподготовке. Разработанная методика ЛИМ позволяет проводить визуальный скриннинг стадий клеточного апоптоза, что даёт дополнительную информацию о воздействии лекарственных препаратов на раковые клетки. Разработанная методика ЛИМ позволяет реализовать в экспериментах in vitro постепенное дозированное и пролонгированное взаимодействие исследуемого лекарственного препарата с раковыми клетками, что позволяет реализовать условия эксперимента наиболее приближенные к процессам, протекающим в живом организме. Разработанная методика с использованием лазерной интерференционной микроскопии может быть использована при разработке новых противоопухолевых препаратов для оценки их эффективности in vitro.

Изготовлен и проведены исследовательские испытания экспериментального образца ПАК. Экспериментальный образец ПАК представляет собой два независимых блока: лазерный интерференционный микроскоп, работающий в проходящем свете с инвертированной оптической схемой, оснащенный дополнительным каналом флуоресцентного анализа и блока ТГД. Блок ТГД предназначен для скрининговой неинвазивной ранней диагностики. Лазерный интерференционный микроскоп, работающий в проходящем свете с инвертированной оптической схемой, оснащенный дополнительным каналом флуоресцентного анализа предназначен для ранней диагностики злокачественных опухолей, оценки эффективности противоопухолевых препаратов. Блок ТГД состоит из следующих основных структурных блоков: тепловизора и специального бокса для проведения тепловизионной съёмки. Лазерный интерференционный микроскоп состоит из следующих основных структурных блоков: блок оптический предназначен для формирования изображения и представляет собой модификацию интерферометра Линника с объектным плечом; модуль флуоресцентного анализа предназначен для получения флуоресцентного изображения исследуемого микрообъекта, совмещенного с измерительным каналом; модуль регистрации служит для оцифровки полученных изображений и выполняется в виде камер, расположенных в плоскостях изображений измерительного и флуоресцентного каналов; блок оптико-механический, который обеспечивает перемещение оптических элементов для настройки и управления модулем ЛИМ ПАК. Сборка и настройка блока ЛИМ ПАК выполнены с учетом его функционального назначения и требований технического задания.

Разработаны рекомендации и предложения Индустриальному партнеру по использованию результатов выполнения проекта. Показано, что ПАК является перспективным для медико-биологических исследований. Также разработан проект технического задания на проведение ОКР «Разработка флюоресцентного лазерного интерференционного микроскопа для программно-аппаратных комплексов ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов»

Разработана методика оценки апоптоза опухолевых клеток под действием противоопухолевых препаратов с использованием лазерной интерференционной микроскопии. Проведенные исследования показали, что разработанная методика не противоречит общепринятым методам исследования процесса апоптоза и может быть использована как для оценки апоптоза, так и для поиска новых индукторов апоптоза.

Разработан программный модуль хранения и протоколирования данных программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии. Описанные алгоритмы были реализованы в программном модуле в виде отдельных функций на высокоуровневом языке программирования MATLAB. Программный модуль позволяет загружать, редактировать и сохранять данные в формате XML (расширяемый язык разметки). Проведены исследовательские испытания программного модуля хранения и протоколирования данных с целью проверки соответствия загрузки входных данных, их обработки и выгрузки выходных данных.

Разработано программное обеспечение программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии. Выполнены исследовательские испытания программного обеспечения ПАК с целью проверки соответствия загрузки входных данных, их обработки и выгрузки выходных данных.

Разработан программный модуль управления ПАК, проведены его отладка и тестирование. Программный модуль управления ПАК предназначен для управления оптической системой блока ЛИМ ПАК, позволяет использовать любые аппаратные и программные настройки узлов оптической системы блока ЛИМ ПАК для работы в различных режимах, а также получать и сохранять исследовательские данные и настройки всех узлов оптической системы блока ЛИМ ПАК. Протестированы режимы работы оптической системы блока ЛИМ ПАК.

Подготовлена эксплуатационная документация ПАК, состоящая из паспорта, руководства оператора и руководства программиста.

Разработана методика оценки функционального состояния опухолевых клеток образцов тканей человека методом лазерной интерференционной микроскопии. Разработанная методика включает оценку жизнеспособности клеток и последующую дифференциацию живых клеток на раковые и нераковые методом лазерной интерференционной микроскопии.

В связи с получением результатов интеллектуальной деятельности, способных к правовой охране, были выполнены дополнительные патентные исследования, которые показали, что известные источники информации не нарушают новизну и охраноспособность сведений о результатах интеллектуальной деятельности, полученных в рамках настоящего ПНИЭР.

Работы выполнены на высоком научно-техническом уровне, полученные результаты соответствуют техническому заданию и плану-графику исполнения обязательств.

3 Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках проекта

На отчетном этапе зарегистрированы охраноспособные РИД, включающие «Программу для оценки жизнеспособности клеток» (программа для ЭВМ; свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020619888; заявка № 2020618535; дата поступления заявки 03 августа 2020г.; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 25 августа 2020 г.) и «Программу для оценки фрактальной размерности контура фазовых изображений клеток» (программа для ЭВМ; свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020664645; заявка № 2020619628; дата поступления заявки 27 августа 2020г.; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 16 нобяря 2020 г.), а также подана заявка в Евразийское патентное ведомство «Способ определения жизнеспособности клеток эукариот методом лазерной интерференционной микроскопии» (изобретение; Евразийская заявка № 202000269; дата поступления заявки 02 сентября 2020г.).

4 Назначение и область применения результатов проекта

Результаты проекта по разработке отечественных инновационных программно-аппаратных средств для ранней диагностики онкологических заболеваний и оценки эффективности противоопухолевых средств вносят значимый вклад в реализацию приоритетов Стратегии научно-технологического развития России в части перехода к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения.

5 Эффекты от внедрения результатов проекта

Организация производства и выпуск программно-аппаратных комплексов на территории РФ позволит повысить эффективность неинвазивной диагностики и терапевтических методов лечения рака молочной железы, сократить сроки лечения и снизить затраты медицинских учреждений на закупку лекарственных препаратов импортного производства, обеспечит импортонезависимость отечественного здравоохранения от поставок дорогостоящего оборудования и препаратов, а также позволит увеличить объемы экспорта российской высокотехнологичной продукции.

6 Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

Коммерциализация результатов проекта позволит создать высокотехнологичный наукоемкий продукт – программно-аппаратный комплекс (ПАК), востребованный в здравоохранении и в области биомедицинских исследований для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа действия противоопухолевых препаратов. Создание производства на базе Индустриального партнера позволит увеличить долю российской продукции на отечественном рынке в части оборудования лазерной интерференционной микроскопии и сопутствующего оборудования к 2024 г. до 2,5 % (в настоящий момент около 1 %). По данным агентства BCC Research, объем мирового рынка микроскопии и сопутствующего оборудования для биомедицинских приложений в 2018 году превысил $7,0 млрд, а в 2019 – $7,1 млрд (доля российского рынка менее 0,1%). Техническо-экономические характеристики планируемой к производству продукции проекта обеспечивают ее конкурентные преимущества перед импортными аналогами. Прогнозируемая стоимость ПАК на 30 % ниже импортных аналогов, что обеспечивает конкурентоспособность продукта на внутреннем и на внешних рынках. Вывод на рынок создаваемых на основе результатов проекта программно-аппаратных комплексов планируется осуществить в 2021 г.

7 Наличие соисполнителей

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, этап 3, январь-ноябрь 2020 г.

Информация о материале

Категория: Федеральные целевые программы (ФЦП)

Опубликовано: 09 января 2019

Просмотров: 4488

Федеральные целевые программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

• соглашение от 26.11.2018 г. № 075-02-2018-147
  номер гос. регистрации АААА-А18-118121090018-8
  Уникальный идентификатор проекта RFMEFI60718X0202
  "Разработка программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии"
  
  
• Соглашение от 01.11.2019 № 075-15-2019-1655
  Номер гос. регистрации АААА-А19-119121390036-8
  Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62119X0031
  «Поддержка и развитие центра коллективного пользования научным оборудование "Исследования материалов и вещества" для обеспечения реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации»
  Этап 1 (2019 год)
  Этап 2 (2020 год)

• Соглашение от 13.05.2020 № 075-15-2020-539
  Номер гос. регистрации АААА-А20-120121090066-4
  Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62120X0036
  Поддержка и развитие центра коллективного пользования научным оборудованием "Исследование материалов и вещества" для обеспечения реализации исследовательских программ и проектов по перспективным научным направлениям Пермского научно-исследовательского центра мирового уровня "Рациональное недропользование"

Информация о материале

Категория: Конкурсы Российского научного фонда (РНФ)

Опубликовано: 19 декабря 2018

Просмотров: 3004

Аннотация проекта:

Возрастающее использование возобновляемых источников с сильно изменяющимся во времени выходом энергии требует соответствующего масштабного расширения хранилищ электроэнергии. Хотя углеводороды считаются единственным жизнеспособным способом долгосрочного хранения энергии (на масштабах тераватт-часов), электрохимические хранилища являются привлекательным кандидатом для краткосрочного и среднесрочного хранения. Жидкометаллические батареи (ЖМБ) активно изучались еще в 1960-х и вновь привлекли к себе внимание в последнее время. ЖМБ состоят из двух жидких металлических электродов, разделенных слоем жидкости с ионной проводимостью (расплавленной соли). Их основными преимуществами являются сверхбыстрая кинетика переноса заряда на границах жидкость-жидкость, обеспечивающая чрезвычайно высокую плотность тока заряда-разряда, их потенциально низкая стоимость, обусловленная обилием электродных материалов, таких как натрий и свинец, а также, отсутствие проблем старения, что обещает беспрецедентный срок службы. В настоящее время созданы образцы небольших лабораторных ЖМБ, однако выходу на промышленно интересные размеры мешает целый букет гидродинамических и магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей: конвективная, электровихревая, тейлеровская и пр.   Проект включает теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамики ЖМБ, в частности МГД-эффектов, возникающих в многослойных жидкометаллических системах при протекании больших электрических токов и вызванном ими сильном локальном разогреве. Предстоит выяснить критерии, определяющие ограничения на максимальный размер ЖМБ и / или на минимальную толщину слоя электролита, а также, провести поиск путей преодоления этих ограничений.
       Удивительно, но одна из МГД неустойчивостей, связанных с ЖМБ, неустойчивость Тейлера, лежит и в основе модели Тейлер-Спройта для звездных динамо. Недавно было обнаружено, что в отличие от других моделей солнечного динамо, модель Тейлера-Спройта очень восприимчива к синхронизации слабыми приливно-отливными силами, вызываемыми движением планет. Это может послужить ключом к объяснению удивительной эмпирической синхронизации цикла Швабе с периодической со-ориентацией трех доминирующих планет (Венеры, Земли и Юпитера) с периодом11.07 лет. В рамках проекта планируется подтвердить и расширить эту модель синхронизации с целью объяснить и более длительные циклы солнечного динамо, которые, в свою очередь, должны быть поняты и количественно определены, чтобы получить более надежные климатические прогнозы и обеспечить выявление антропогенных компонентов. Будет  построена модель синхронизации динамо, которая позволит подтвердить (или опровергнуть) эту возможность. В том случае, если идея обнаружит жизнеспособность, мы предполагаем построить метод использования обнаруженного таким образом фактора, определяющего солнечную активность, для ее прогноза. Мы ожидаем, что эти методы, безотносительно от судьбы идеи синхронизации самой по себе, окажутся полезными для задачи предсказания солнечной активности. В ходе проекта будут развиты соответствующие методы анализа и прогноза.
       План работ включает четыре задачи:  первая и вторая посвящены ЖМБ, третья и четвертая - солнечному динамо. Обе темы проекта тесно связаны лежащими в их основе МГД неустойчивостями, что отражает и содержание задач плана. Учитывая имеющийся опыт участвующих институтов, работа будет проводиться в тесном сотрудничестве в расчете на синергетический эффект.
Задача 1 «Эксперименты по ЖМБ» направлена на изучение различных МГД неустойчивостей в ЖМБ в «холодном» трехслойном эксперименте, который позволит использовать весь арсенал методов измерений. Второй этап предполагает переход к «горячей» системе с Bi, солью Na и Na, для чего должны быть разработаны соответствующие индукционные методы идентификации границ раздела. С учетом опыта  экспериментов по конвекции натрии, эксперимент будет реализован в ИМСС, но при всесторонней поддержке ГЦДР как при планировании и подготовке эксперимента, так и в подготовке и проведении измерений.
Задача 2 «Численное моделирование и разработка методов измерений для ЖМБ» включает численные исследования ЖМБ. Основываясь на существующей библиотеке разработанных в ГЦДР кодов для одно- и двухфазных потоков, большая часть численных работ будет проводиться в ГЦДР, но при тесном сотрудничестве с группой в Перми. Работа по комбинированной индуктивной системе для одновременного определения скорости потока и положений интерфейса будет проводится совместно. Во всех экспериментах будут проанализированы возникающие режимы течения и структура поверхности для разных параметров процесса. Результаты численного моделирования будут сопоставлены с результатами эксперимента. Это позволит уточнить математическую модель и достичь хорошего согласия между результатами расчета и эксперимента.
Задача 3 «Эксперимент по инициированию колебаний спиральности в потоке Рэлея-Бенара» относится к модели планетарной синхронизации солнечного динамо, которая основана на изменениях спиральности, вызванных приливно возмущениями, без существенного изменения кинетической энергии. Идея состоит в том, чтобы исследовать запуск колебаний спиральности в конвективном эксперименте  с помощью соответствующего возмущения старшей моды. Эксперимент будет проводиться в ГЦДР, но с учетом опыта российской группы по конвективным экспериментам на жидком металле.
Задача 4 «Теория синхронизации солнечного динамо» направлена на развитие модель солнечного динамо с синхронизацией, и ее согласования с традиционными моделями солнечного динамо, а также данными солнечных наблюдений и связанных с климатом данных. Поскольку модель опирается на МГД явления, рассматриваемые и задачах ЖМБ, задача 4 тесно связана методологически с задачей 2. Существующий код будет адаптирован и использован для изучения колебаний спиральности при более высоких (магнитных) числах Прандтля. Численное моделирование будет также выполнено для более тонких цилиндрических оболочек (которые более похожи на тахолин, но численно более затратны) и с учетом вращения. Результаты моделирования будут сравниваться с данными наблюдения за солнечной активностью. Особое внимание будет уделено долговременных циклов и тому, как они могут возникать в модели синхронизации. Основные численные эксперименты будут выполняться в ГЦДР, при активной поддержке ИМСС и МГУ в части построения моделей 
и интерпретации наблюдательных данных.

Основные участники российского коллектива:

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Фрик Петр Готлобович (рук.) 
Степанов Родион Александрович (осн. исп.)
Колесниченко Илья Владимирович (осн. исп.)
Халилов Руслан Ильдусович,
Павлинов Александр Михайлович,
Мамыкин Андрей Дмитриевич,
Титов Валерий Викторович, 
Лосев Геннадий Леонидович, 

Московский государственный университет

Соколов Дмитрий Дмитриевич (осн. исп.)
Калинин Антон Олегович, 

Основные участники зарубежного коллектива:

Геймгольц Центр Дрезден-Розендорф

Стефани Франк (рук.) , доктор наук, вед.науч.сотр. 
Вайер Том, доктор тех.наук, науч.сотр. 
Вебер Норберт, доктор тех.наук., пост.док. 
Гиизеке Андре, доктор наук, науч.сотр. 
Вондрак Томас, доктор тех.наук