ПРОЕКТ ДНТС/Русия 01/7/ 23.06.2017
„Разработка на нови оптически технологии за повишаване на качеството на ранната диагностика на рака на стомаха”

Финансиран от ФНИ - МОН

   

Базови организации:

Институт по Електроника, Българска Академия на Науките

Федерално Държавно Бюджетно Образователно Учереждение за Висше Образование Саратовски Национален Изследователски Държавен Университет „Н.Г. Чернишевски”, Биологически факултет, Катедра „Физиология на човека и животните”

   

   

   

   

   

Научен колектив

Научен колектив от българска страна:

Доц. д-р Екатерина Георгиева Борисова - ръководител на екипа,
Институт по Електроника-БАН

Проф. д.м.н. Борислав Владимиров
УМБАЛ "Царица Йоанна"ЕАД

Доц. д-р Александър Гизбрехт
Институт по Електроника-БАН

Цанислава Генова-Христова
докторант в Институт по Електроника-БАН

Лилия Пламенова Ангелова,
магистър биолог, Институт по Електроника-БАН

Яна Андреева
бакалавър физик, Институт по Електроника-БАН

Научен колектив от руска страна:

Проф. д.б.н. Оксана Семячкина-Глушковская
ръководител на екипа

Екатерина Зинченко
биолог, асистент, докторант

Аркадий Абдурашидов
физик, докторант

Илана Агранович
биолог, докторант

Александр Хороводов
биолог, студент

Никита Наволокин
медик, ассистент, докторант

Светлана Коннова
биолог, профессор

Матвей Каневский
биолог, ассистент

Владимир Великов
биолог, доцент

Мария Уланова
биолог, студент - магистратура

Анотация:

Оптичните методи за детектиране на тъканни патологии, включително и на злокачествени новообразувания са мощен инструмент в развитието на медицинските диагностични методики. Те се характеризират с бързина, неинвазивност, възможност за многократно приложение, поради липса на дозово натоварване (каквото се наблюдава при диагностиката с йонизиращи лъчения), и обективност. Създаването, развитието и клиничното приложение на спектралните техники за диагностични цели е едно от основните направления на биомедицинската фотоника. Това е най-новото и най-бързо развиващото се направление на физичните технологии в науките за живата материя (“live sciences”). Формира се като самостоятелна област в последното десетилетие и е характеризирана в литературата като “революция на интерфейса наука - технология” (Biomedical Photonics Handbook, ISBN 0-8493-1116-0, 2003). Биофотониката е един от приоритетите за развитие на фотонните науки и технологии в Европейския съюз. В програмни сесии на 7РП и Хоризонт2020 на ЕС бяха финансирани проекти в това направление, което показва колко значима е темата, както на национално, така и на общоевропейско ниво. Тази теза се поддържа и в програмата на Европейската платформа „Photonics21” и в нейните документи за стратегическо развитие на европейската наука и индустрия през следващите 10 години (http://www.photonics21.org/). В настоящия проект се предвижда приложението на няколко оптични спектрални метода за диагностика и мониторинг на развитието на неопластични изменения на гастроинтестиналния тракт, и в частност - дисплазии и неоплазии на стомаха, в моделни системи in vivo. Съчетаването на интердисциплинарния екип от специалисти в областта на физиката (България) и биологията (Русия) ще допринесе за получаване на значими научни резултати с възможност за получаване на данни с практическо значение за нуждите на ранната диагностика и мониторинг на терапията при неопластичните изменения на гастроинтестиналния (ГИТ) тракт.

Очаквани резултати

Очаква се постигане на повишена диагностична чувствителност на флуоресцентната гастроскопия на стомаха при оптимизация на режимите на детектиране и допълнително приложение на методите на математическия анализ върху получаваните спектрални данни, за определяне на неспецифични възпаления, диспластични образувания и начални форми на развитие на рак. Определяне на параметрите на оксиметрията, оптичната кохерентна томография и спекл-визуализацията на микроциркулацията на стомаха, които отразяват измененията в състоянието на кръвотока и съдовата архитектура на органа при формиране на началните фази на новообразуванието.

В процеса на изпълнение на научно-изследователските задачи по проекта ще се разработят алгоритми за диференциация и диагностика на ранни фази на развитие на рака на ГИТ на базата на оптични спектрлани методи. Ще се определят нови маркери в кръвта и тъканите на органа, специфични за предраковите и раковите изменения. Данните ще могат да се използват повишаване на качеството на медицинската диагностика за пациенти с рак на стомаха и провеждане на своевременна диагностика на първичните злокачествени изменения. Моделните системи с приложение на лабораторни животни (плъхове, мишки) ще позволят изследването на стрес-индуцираните патологични изменения в ГИТ. Тези резултати ще представляват научна платформа за формиране на нови решения за по-детайлно изучаване на процесите на канцерогенеза.

   

   

   

   

   

Ще бъдат разширени научно-изследователските контакти между партниращите организации и ще се постигне ъп-грейд на знанията, техническите и аналитични умения на учените от двата екипа в областта на развитието на новообразувания на ГИТ. Ще се получат нови, оригинални експериментални резултати за спектралните свойства на различни типове доброкачествени, преходни и злокачествени ГИТ новообразувания и ще се определи тяхната корелация с типа и степента на развитие на новобразуванието, за нуждите на развитието на диагностично-прогностични клинични приложения в онко-гастроентерологията. Ще се получат резултати, позволяващи повишение на диагностичната точност на определяне на типа ГИТ новобразувание 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. Разработените методики и алгоритми ще бъдат използвани в дисертационния труд на двама докторанти – по един от двата пертниращи си екипа, подготовката на дипломната работа на един студент от българска страна за ОКС «Магистър», като проведените изследвания и установеното сътрудничество ще са предпоставка за стартирането на докторантура за този млад учен, с което ще се постигне устойчиво развитие на човешките ресурси в ИЕ-БАН в областта на биофотониката и приложенията й.

   

Основните цели на проекта са:

Основните организационни цели са свързани с установяване и развитие на плодотворно научно-изследователско сътрудничество между Институт по Електроника – БАН, лаборатория „Биофотоника”, България и Катедра „Физиология на човека и животните” към Саратовски Национален Изселдователски Държавен Университет, Руска Федерация, в областта на началната диагностика и спектрален мониторинг на гастроинтестинални (ГИТ) тумори. Обучение на млади учени и обмен на добри практики между партньорите за разработка и приложение на спектроскопски техники при анализ на ГИТ патологии in vivo е друга важна цел на проекта. Основната изследователска цел на настоящия проект се явява разработката на иновационни оптични технологии за чувствителна диагностика на началните стадии на развитие на рак на стомаха и мониторинг на стрес-индуцирана поява и развитие на новообразувания на гастроинтестиналния тракт с прилагане на методите на оптичната спектроскопия – дифузно-отражателна спектроскопия, ендогенна и екзогенна флуоресцентна спектроскопия. Моделирането на стрес-индуцираните патологии ще се мониторира чрез оптичните спектрални методи и ще бъдат получени нови научни знания и ще бъде разработена и оптимизирана система на диагностични дискриминационни алгоритми с приложимост в клинична среда.

Основни задачи:

За постигането на основната цел на проекта ще се провеждат изследвания в три основни направления, включващи в себе си описание на етапите на провеждане на детайлните задачи по проекта:

1. Провеждане на експериментални изследвания по оптимизация на метода на флуоресцентната гастроскопия с прилагане на екзогенни флуорофори – 5-ALA/PpIX, като ще се търси оптимална концентрация и ефективен метод на въвеждане на препарата, повишаване на качеството на оптическите сигнали за сметка на разработката на специално програмно обеспечение и математически анализ на спектралните данни, както и разработка на практически рекомендации за клинично приложение с повишаване на диагностическата ефективност на този флуорофор;
2. Разработка и апробация на оптични техники за диагностика на начални форми на развитие на тумори на гастроинтестиналния тракт, и в частност на рак на стомаха, неинвазивно, без въвеждане на допълнителни контрастни агенти, с приложение на методите на дифузно-отражателната и автофлуоресцентната спектроскопия на биологични тъкани;
3. Оптически мониторниг и изучаване на механизмите на съвместното въздействие на биоекологически фактори (стрес, Helicobacter pillory, екотоксини в храната, водата, почвата и въздуха) върху трансформацията на повредени участъци на лигавицата на стомаха в злокачествени новообразувания за нуждите на определянето на методите на контрол и корекция на произтичащите процеси и разработка на практически рекомендации по профилактика на рака на стомаха в рисковите групи.

   

   

Презентации по проекта

1. Macro and micro spectroscopy parameters of tumour and healthy gastrointestinal tissues, Ts. Genova, E. Borisova, O. Semyachkina-Glushkovskaya, D. Gorin, D. Bratashov, I. Terziev, Saratov Fall Meeting, Conference on Optical Technologies in Biophysics & Medicine XIX, Saratov, Russia, 25-29 September 2017, poster presentation;
   
2. The role of stress and nitrosamines in the development of gatric cancer: a new model of adenocarcinoma formation with metastases in rats, A. Khorovodov, I. Agranovich, N. Shushunova, N. Navolokin, A. Telegin, A. Shnitenkova, M. Sagatova, I. Trishkina, M. Ulanova, E. Borisova, O. Semyachkina-Glushkovskaya, United European Gastroenterology Week, Barselona, Spain, 28 October-01 November 2017, poster presentation;
   
3. Photodynamic diagnostics of stress-induced gastrointestinal neoplasia in laboratory animals using 5-aminolevulinic acid and Al-phthalocyanine, E. Borisova, O. Semyachkina-Glushkovskaya, N. Navolokin, I. Agranivich, A. Khorovodov, N. Shushunova, A.Bodrova., V. Mantareva., I. Angelov., I. Fedosov., A. Namykin., A. Abdurashitov., L. Avramov, PHOTONICS WEST- BiOS, January 2018, San Francisco, USA, oral presentation, Proc. SPIE 10501, Optical Diagnostics and Sensing XVIII: Toward Point-of-Care Diagnostics, 105011E (20 February 2018); doi: 10.1117/12.2289159;
   
4. Feasibility study of polarization imaging and confocal fluorescence microscopy for histology analysis of soft tissue neoplasia, Ts. Genova-Hristova, T. Sang Hyuk Yoo, H. Ryung Lee, E. Borisova, E. Garcia-Caurel, R. Ossikovski, T. Novikova, O. Semyachkina-Glushkovskaya, D. Bratashov, D. Gorin, I. Terziev, Photonics Europe, 22-26 April 2018, Strasbourg, France, poster presentation;
   
5. Optical UV-VIS-NIR spectroscopy of benign, dysplastic and malignant cutaneous lesions ex vivo, E. Borisova, Ts. Genova-Hristova, P. Troyanova, I. Terziev, E. Genina, A. Bashkatov, V. Tuchin, Photonics Europe, 22-26 April 2018, Strasbourg, France, poster presentation;
   
6. Synchronous fluorescence spectroscopy with and without polarization sensitivity for colorectal cancer differentiation, Ts. Genova-Hristova, E. Borisova, N. Penkov, B. Vladimirov, L. Avramov, Photonics Europe, 22-26 April 2018, Strasbourg, France, oral presentation;
   
7. Time-dependance of synchronous fluorescence signals in gastrointestinal tumous ex vivo, Genova-Hristova Ts., Borisova E., Penkov N., Vladimirov B., Avramov L., 5th International Symposium on Lasers in Medicine and Biophotonics, St. Petersburg, 04.06.2018 - 08.06.2018, Russian Federation, oral presentation;
   
8. Fluorescence Methods for Detection of Gastrointestinal Tumours on Different Stage of Growth, E. Borisova, Ts. Genova, I. Terziev, N. Penkov, B. Vladimirov, O. Semyachkina-Glushkovskaya, L. Avramov, Current Trends in Cancer Theranostics, 01.07.2018 - 05.07.2018 Trakai, Lithuania, oral presentation;
   
9. Tissue Polarimetric Discrimination Analysis of Skin and Colon Histological Samples, Deyan Ivanov, Ekaterina Borisova, Tsanislava Genova, Dimana Nazarova, Lian Nedelchev, 10th Jubilee Conference of the Balkan Physical Union, 26.08.2018 - 30.08.2018, Sofia, Bulgaria, poster presentation;
   
10. Statistical Evaluation of Fluorescence Tumour Spectral Features Through Excitation-Emission Matrices for Gastrointestinal Cancer, Genova-Hristova Ts., Borisova E., Vladimirov B., Kermedchiev M., Penkov N., Avramov L., 10th Jubilee Conference of the Balkan Physical Union, 26.08.2018 - 30.08.2018, Sofia, Bulgaria, poster presentation;
    
11. Stomach and intestine neoplasia fluorescence detection using 5-ala/ppix photosensitization, Agranovich I., Genova Ts., Khorovodov A., Mamedova A., Terskov A., Kanevskiy M., Shimanova V., Shitenkova A., Gisbrecht A., Avramov L., Semyachkina Glushkovskaya O., Borisova E., 20th International Conference and School on Quantum Electronics: Laser Physics and Applications, 17.09.2018 - 21.09.2018 Nessebar, Bulgaria, poster presentation;
    
12. Photodetection of Stress-induced Gastrointestinal Neoplasia in Laboratorial Animals, Borisova E., Genova Ts., Khorovodov A., Agranovich I., Angelov I., Mantareva V., Kanevskiy M., Navolokin N., Semyachkina-Glushkovskaya O., Avramov L., International Conference on Advanced Laser Technologies, 17.09.2018 - 22.09.2018, Tarragona, Spain, invited lecture;
    
13. Autofluorescence differentiation of lower gastrointestinal tract benign and malignant lesions using synchronous spectroscopy technique, Genova Ts., Borisova E., Penkov N., Vladimirov B., Zhelyazkova A., Avramov L., International Conference on Advanced Laser Technologies, 17.09.2018 - 22.09.2018, Tarragona, Spain, poster presentation ;
    
14. Photodiagnostics of stress-induced gastrointestinal neoplasia, Borisova E., Saratov Fall Meeting 2018, 24.09.2018 - 29.09., Saratov, Russian Federation, key note lecture;
    
15. Improvement of photodiagnosis using 5-ALA/PpIX, ZnPc and GalZnPc photosensitizers in combination with vaso-dilatation drugs, Khorovodov A., Borisova E., Agranovich I., Shitenkova A., Shimanova V., Kanevskiy M., Navolokin N., Genova-Hristova Ts., Angelov I., Mantareva V., Semyachkina-Glushkovskaya O., Saratov Fall Meeting 2018, 24.09.2018 - 29.09., Saratov, Russian Federation, poster presentation;
    
16. Photodiagnostics of stress-induced stomach neoplasia using direct and indirect photosensitization, Khorovodov A., Agranovich I., Shintenkova A., Shimanova V., Kanevskiy M., Semyachkina-Gluyshkovskaya O., Genova Ts., Gisbrecht A., Angelov I., Mantareva V., Borisova E., Saratov Fall Meeting 2018, 24.09.2018 - 29.09., Saratov, Russian Federation, poster presentation;
    
17. Fluorescence detection of 5-ALA/PpIX and Zn-Pc distribution in the body of experimental animals with stomach neoplasia, Agranovich I., Borisova E., Khorovodov A., Kanevsky M., Navolokin N., Avramov L., Angelov I., Mantareva V., Semyachkina - Glushkovskaya O., Saratov Fall Meeting 2018, 24.09.2018 - 29.09., Saratov, Russian Federation, oral presentation;
    
18. Photodynamic diagnostics of stomach cancer, Agranovich I., Genova Ts., Khorovodov A., Kanevskiy M., Shimanova V., Shnitenkova A., Mantareva V., Angelov I., Semyachkina-Glushkovskaya O., Borisova E., International Conference on Laser Applications in Life Sciences, 18.11.2018 - 21.11.2018 Tel Aviv, Israel, poster presentation;
    
19. Improvement of photodynamic diagnosis of gastric pre-cancer in laboratorial animals using polymer photosensitizers’ carriers, Khorovodov A., Borisova E., Agranovich I., Mantareva V., Angelov I., Meleshko T., Yakimansky Al., Navolokin N., Semyachkina-Gluyshkovskaya O., 59th Annual Conference of Indian Society of Gastroenterology, 28.11.2018 - 01.12.2018, Kochi, India, poster presentation;
    

   

   

Публикации по проекта

1. Tsanislava Genova, Ekaterina Borisova, Oksana Semyachkina-Glushkovska, Dmitry Gorin, Daniil Bratashov, Ivan Terziev. Macro and micro spectroscopy parameters of cancerous and healthy gastrointestinal tissues. Journal of Biomedical Photonics and Engineering, 3, 4, SSAU, 2017, ISSN:2411-2844, DOI:doi: 10.18287/JBPE17.03.040305, 040305-1-040305-7 ЛИНК;
   
2. Borisova E., Genova-Hristova Ts., Penkov N., Terziev I., Troyanova P., Vladimirov B., Avramov L.. Synchronous fluorescence spectroscopy of soft tissues – tool for diagnostics of malignant lesions. IEEE Xplore, IEEE, 2018, 493-493 ЛИНК ;
   
3. Borisova E., Genova-Hristova Ts., Troyanova P., Terziev I., Genina E., Bashkatov A., Semyachkina -Gglushkovskaya O., Tuchin V., Avramov L.. Optical UV-VIS-NIR spectroscopy of benign, dysplastic and malignant cutaneous lesions ex vivo. Proceedings SPIE, 10685, International Society for Optics and Photonics, 2018, DOI:10.1117/12.2306914, 106853T. SJR:0.234 ЛИНК ;
   
4. Borisova Ekaterina, Semyachkina-Glushkovskaya O., Navolokin Nikita, Mantareva V., Angelov I., Agranovich I., Khorovodov A., Shushunova N., Bodrova A., Fedosov I., Namykin A., Abdurashidov A., Avramov L.. Photodynamic diagnostics of stress-induced gastrointestinal neoplasia in laboratory animals using 5-aminolevulinic acid and Al-phthalocyanine. Proceedings SPIE, 10501, International Society for Optics and Photonics, 2018, DOI:10.1117/12.2289159, 105011E. SJR:0.234 ЛИНК ;
   
5. Genova Ts., Borisova E., Penkov N., Vladimirov B., Avramov L.. Synchronous fluorescence spectroscopy with and without polarization sensitivity for colorectal cancer differentiation. Proceedings SPIE, 10685, International Society for Optics and Photonics, 2018, DOI:10.1117/12.2306877, 106852L-1-106852l-7. SJR:0.234 ЛИНК ;
   
6. Genova Ts., Borisova E., Penkov N., Vladimirov B., Zhelyazkova Al., Avramov L.. Time-dependance of synchronous fluorescence signals in gastrointestinal tumours ex vivo. IEEE Xplore, IEEE, 2018, DOI:10.1109/LO.2018.8435892, 495-495 ЛИНК;
   
7. Borisova E., Gisbrecht A., Genova-Hristova Ts., Troyanova P., Pavlova E., Penkov N., Bratchenko I., Zakharov V., Lihachova I., Kuzmina I., Spigulis J.. Multispectral autoflourescence detection of skin neoplasia using steady-state techniques. Proceedings SPIE, 11047, International Society for Optics and Photonics, 2019, DOI:doi: 10.1117/12.2516337, 11047-04-6. SJR:0.234 ЛИНК;
   
8. Genova Ts., Borisova E., Vladimirov B., Kermedchiev M., Penkov N., Avramov L.. Statistical evaluation of fluorescence tumour spectral features through excitationemission matrices for gastrointestinal cancer detection. AIP Conference Proceedings, 2075, 1, American Institute of Physics, 2019, DOI:10.1063/1.5091379, 170014-4. SJR:0.16 ЛИНК;
   
9. Agranovich I., Khorovodov A., Kanevskiy M., Genova -Hristova Ts., Gisbrecht A., Angelov I, Mantareva V., Navolokin N., Semyachkina - Glushkovskaya O., Borisova E.. Detection of Stress-Induced Gastrointestinal Lesions Using Al-Phthalocyanines in Experimental Animals. Proceedings SPIE, 11047, International Society for Optics and Photonics, 2019, DOI:doi: 10.1117/12.2516336, 11047-09-7. SJR:0.234 ЛИНК;