Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Поиск электрофизических маркеров злокачественных изменений в живой клетке на основе экспериментального изучения диэлектрических и радиоизлучательных характеристик цитологических материалов и крови и разработка радиофизических методов ранней диагностики он

Отношение к критическим технологиям:
Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных


Контактная информация

Название организации
Учреждение Российской академии наук Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН


ФИО руководителя организации
Винокуров Юрий Иванович


Юридический адрес
656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1


Почтовый адрес
656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1


ФИО руководителя проекта:
Романов Андрей Николаевич


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Исследовано совокупное влияние физических параметров (температура, плотность, вязкость, массовая концентрация) и компонентного состава крови и цитологических материалов на их диэлектрические и радиоизлучательные свойства. Выявлены существующие различия в электрофизических свойствах живых клеток, как нормальных, так и с патологическими изменениями, которые можно использовать в качестве электрофизических маркеров для обнаружения первичных признаков онкологических заболеваний. В диапазоне частот 0.4…5.0 ГГц исследованы зависимости комплексной диэлектрической проницаемости крови, разработаны регрессионные модели зависимости комплексной диэлектрической проницаемости нормальных и патологических клеток. Эти модели использованы для обоснования физической природы наблюдаемых вариаций электродинамических параметров и обнаружения отклонений, связанных с возникновением злокачественных новообразований. Изучена возможность разработки оперативных методик и создания аппаратуры для обследования населения в массовом порядке.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
В настоящее время для диагностики онкологических заболеваний используют ряд различных методов: 1) ультразвуковой метод позволяет дифференцировать злокачественные опухоли, кисты, гемангиомы, увеличенные лимфоузлы ворот печени; 2) рентгеновская компьютерная томография является наиболее информативным методом в диагностике первичного рака печени и с помощью метода внутривенного "усиления" позволяет дифференцировать первичный рак печени от гемангиом, узлов регенераторной гиперплазии, метастазов опухолей внепеченочных локализаций, выявлять жидкие, жировые, газовые включения, кальцинаты; 3) магнитно-резонансная томография информативна в обнаружении внутрипеченочных отсевов опухоли, дифференциальной диагностике рака и хорошо васкуляризированных образований (узловая гиперплазия, аденома, гемангиома); 4) тонкоигольная пункционная цитобиопсия - метод морфологической диагностики опухолей печени осуществляется под контролем УЗИ, РКТ, лапароскопии, при пальпируемых опухолях "в слепую"; 5) рентгенологическое исследование высокоинформативно в установлении природы, характера злокачественной опухоли (Ю.И. Патютко, И.В. Сагайдак, А.Г. Котельников и др.). Из электрофизических методов для диагностики онкологических заболеваний чаще всего используют методы реологии, основанные на изменении электрического сопротивления крови и позволяющие качественно оценить стадию заболевания с определенной долей вероятности. Однако на электрическое сопротивление крови оказывают влияние и другие заболевания, что снижает достоверность правильного распознавания онкологических заболеваний на ранних стадиях.Исходя из результатов исследований характеристик микроволнового излучения нормальных и раковых клеток, выполненных разными авторами, показана возможность использования электромагнитных волн СВЧ диапазона для обнаружения злокачественных опухолей (Шехтман, 1980, Foster, 1982).Разработаны радиометрические методы, основанные на увеличении интенсивности микроволнового излучения тела в области зарождения опухоли, характеризующейся более высокой температурой (Barrett, 1977, Поляков, 1991, Малыгин, 1993).Разными авторами исследовались электрофизические и диэлектрические свойства как целых биологических клеток, так и составляющих их отдельных компонент: протеинов, ДНК, лизосом, мембранных комплексов, а также различных фаз воды, присутствующей в клеточной мембране (Pitera, 2001; Cherepanov, 2003; Bonincontro, 2004).Исследовались диэлектрические свойства плазмы крови (Kashuap, 1981). Проведено изучение состояния гидратного окружения эритроцитов человека при моделировании различных путей трансмембранной передачи сигнала в клетку. Показано, что при воздействии электрических сигналов на клеточные структуры происходит изменение общего количества связанной и свободной воды в суспензии клеток. В результате этого наблюдается изменение действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) (Щеголева, 1996).Известны немногочисленные работы по определению диэлектрических характеристик кровяных клеток, находящихся в стадии апоптоза (Kanapitsas, 2006). Появление подобных публикаций в международной печати указывает на возрастающий интерес к данной проблеме.В ряде экспериментов проведено сравнительное исследование диэлектрических свойств живых и мертвых клеток, позволившее получить важную информацию о физических механизмах воздействия электромагнитных излучений на биологические объекты (Grant, 1978, Pethig, 1979, Athey, 1982 и др.).Из результатов экспериментальных исследований, выполненных различными авторами, следует, что электродинамические свойства живых и мертвых клеток различаются. На примере Schizosaccharomyces pomb установлено, что живые и погибшие клетки, помещенные в однородное электромагнитное поле с частотой 0.2…0.8 МГц, по разному ориентируются в этом поле, имеют различную электропроводность, зависящую от частоты приложенного поля (Iglesias, 1985).Экспериментально обнаружено различие частотных зависимостей разности энергий между параллельным и перпендикулярным направлениями электромагнитного поля для живых и погибших клеток. Для субстанции, состоящей из живых клеток, установлено, что внеклеточная, внутриклеточная жидкости и клеточная мембрана характеризуются различными значениями комплексной диэлектрической проницаемости и электропроводности. Изменение диэлектрических свойств мертвых клеток по сравнению с живыми клетками происходит в результате образования пор в мембранах мертвых клеток, в которые могут проникать ионы (Asencor, 1993).При температуре 25…38 град. Цельсия в диапазоне радиочастот обнаружены гистерезисные зависимости модуля диэлектрической проницаемости от температуры, присущие только тканям живого организма (Шестиперов, 1990).В диапазоне частот 0.1…10 GHz (на 5 частотах) измерены значения диэлектрической проницаемости и проводимости биологической ткани при комнатной температуре. Установлено, что для связанной воды, находящейся в живой ткани, частота диэлектрической релаксации Дебая f приходится на частоту 1 GHz, в то время как для свободной воды, находящейся в объеме f = 19.7 GHz при температуре 25 град. Цельсия (Schwan, 1977). Частота диэлектрической релаксации связанной воды, оцененная другими авторами f оказалась менее 600 МГц. Вода, находящаяся в гидратной оболочке ионов и вблизи поверхности клеток имеет частоту релаксации 2 ГГц. Также доказано существование категории воды, характеризующейся промежуточной подвижностью и частотой релаксации 2…10 ГГц (Дергачева, 1987).В диапазоне 10 МГц…17 ГГц (на 6 частотах) изучены основные механизмы диэлектрической релаксации воды, находящейся в живой ткани. Показано, что диэлектрические свойства живой ткани, зависят от диэлектрических характеристик и количества связанной и свободной воды, находящейся в мышечных волокнах (Foster, 1980). В диапазоне радиочастот от 0.1 МГц до 70 ГГц (на 35 частотах) при температуре 20 С исследованы диэлектрические свойства водных раствора ДНК. Обнаружены две области аномальной дисперсии, связанные с наличием полярных групп в ДНК молекуле (Takashima, 1984). В диапазоне частот (0.01…1 ГГц) (на 29 частотах) исследована диэлектрическая проницаемость водных молекул, связанных с молекулами полиаденина. Установлено, что диэлектрическая проницаемость связанной воды имеет меньшие численные значения, чем у свободной воды. (Takashima, 1986).Измеренные в диапазоне от 1 КГц до 500 МГц (на 7 частотах) диэлектрические характеристики протопласта растительных клеток позволили выявить три области дисперсии. Для расчета КДП использована модель Максвелла-Вагнера (Asami, 1992).Измеренные в диапазоне частот 0.1…100 МГц значения действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости лизосом, находящихся в растворе вода-этиленгликоль, позволили выявить дисперсию диэлектрических потерь и с использованием формулы Коула-Коула оценить частоту релаксации (Bonincontro, 2004).Высказывались предположения о том, что наблюдаемые изменения диэлектрических параметров обусловлены изменением фазового состава воды, присутствующей в биологических клетках (Schwan, 1965, Harvey, 1972, Masszi, 1972, 1976, Щеголева, 1984, Новскова, 1989 и др.). Исследован ряд конформационных изменений биополимеров в процессе их функционирования по измерению их гидратационных характеристик. Часть гидратной воды определяется пространственной структурой объекта и зависит от чисел гидратации, показывающих количество молекул воды, попадающих в гидратное окружение объекта. Изменения гидратного окружения несут информацию об изменении структуры объекта. Гидратное окружение эффективно интегрирует общие изменения структуры объекта (Щеголева, 1985). Изменения гидратного окружения биополимеров позволяют получить информацию о конформационных переходах макромолекул на разных уровнях организации, в том числе в клетках. Образование нового гидратного окружения комплекса комформационных превращений приводит к перестройке всей сети водородных связей вокруг мембраны и проявляется в значительном изменении способности системы поляризоваться в СВЧ-поле, а также в изменении количества связанной воды (Малая и др., 1988). Установлено, что в белковых структурах могут присутствовать следующие водные фракции, различающихся по диэлектрическим свойствам: прочно связанная вода, характеризуемая очень слабым поглощением, первый и второй гидратные слои воды, имеющие разное время релаксации, и объемная вода. Значительная часть клеточной воды прочно удерживается стенками клетки, состоящими, в основном, из белков, образуя их гидратную оболочку. Твердая фаза белка и первые порции воды не ослабляют интенсивности высокочастотного излучения. Поглощение начинается с некоторого характерного для каждого вещества критического значения влажности, соответствующего завершению образования полной гидратной оболочки белка, после насыщения белка адсорбированными водными молекулами (Ниссенбаум, 1989).Для описания диэлектрических параметров биологических объектов разными авторами использовались модели Релея, Максвелла, Вагнера, Онзагера, Ханаи, Коул-Коула (Foster, 1980; Takashima, 1986; Asami, 1992), Брауна (Калмыков, 1991) и др. Частотные зависимости КДП компонент описывались моделью Дебая для чистой воды и моделью Фрелиха.Значительная часть работ, опубликованных к настоящему времени, посвящена исследованию изменений, происходящих в биологических объектах, после воздействия на них низко-интенсивным электромагнитным излучением миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (Бецкий, 1994; Девятков, 1996). Наблюдаемое при облучении биологического объекта поглощение миллиметровых волн, обусловленное высокой поглощательной способностью молекул воды в этом диапазоне, сопровождается избирательным микронагревом клеточной влаги, в результате чего происходит существенное изменение свойств клетки (Бецкий, 1993).Сформулированы принципы определения физиологического состояния биологических тканей, установлены различия в характере прохождения, поглощения и отражения электромагнитных волн СВЧ-диапазона в зависимости от вида исследуемой ткани (Протасевич, 1986). Установлено, что зависимость комплексной диэлектрической проницаемости от влагосодержания в области дисперсии свободной воды имеет ряд особенностей, на основании которых удается разделить несколько типов воды по месту и характеру связывания в структуре биополимеров (Есипова, 1983).Более подробно результаты исследований по данной проблеме изложены в следующих литературных источниках: Бецкий О.В. // Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38. Вып. 10. С. 1760); Бецкий О.В. // Изв. вузов, сер. Радиофизика. 1994. Т. 27. №1. С. 30; Бецкий О.В., Девятков Н.Д. // Радиотехника. 1996. №9. С. 4); Есипова Н.Г., Щеголева Т.Ю. Структура гидратного окружения макромолекул биополимеров // Деп. ВИНИТИ, №5920-83. Деп. 01.11.1983); Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений. М.: Энергоатомиздат, 1987. 144 с; Малая Л.Е., Щеголева Т.Ю., Бахова Л.К. //Биофизика 1988, т. 33, вып. 4. С. 629-633); Малыгин А.А. Радиотермометрия в диагностике заболеваний молочной железы. Дисс… на соискание ученой степени канд. мед. наук. Н.Новгород, 1993; Ниссенбаум Н.Д, Перепечкина Т.Л., Хургин Ю.И. и др. // Применение КВЧ-излучения низкой интенсивности в биологии и медицине. Звенигород, М.: ИРЭ АН СССР, 1989. С. 123; Поляков В.М., Шмаленюк А.С. СВЧ-термография и перспективы ее развития. Применение в медицине и народном хозяйстве // Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Вып. 8 (1640). М.: Изд-во ЦНИИ: Электроника. 1991. 58 с.; Протасевич Е.Т., Шиян В.П. Некоторые физические характеристики биологических тканей в СВЧ-полях // Деп. ВИНИТИ, №3774 В-86. Деп. 23.05.1986; Шестиперов В.А, Колмаков Д.Н. //Биофизика 1990, т. 35, вып. 5. С. 846-849; Шехтман Ф.И. // Радиоэлектроника за рубежом. НИИЭР. 1980. Вып.25(919). С. 6-14; Щеголева Т.Ю. //Биофизика 1984, т. 29, № 6. С. 935).(Щеголева Т.Ю. // Биофизика 1984, т. 34, вып. 6. С. 935-939); Щеголева Т.Ю. //Биофизика 1985, т. 30, вып. 6. С. 959-961; Щеголева Т.Ю., Колесников В.Г. // Биофизика 1996, т. 41, вып. 5. С. 1082-1085; Asami, K. and T. Yamaguchi. 1992. Biophys. J. 63: 1493-1499; Asencor, F.J., C. Santamaria, F.J. Iglesias, and A. Dominguez. 1993. Biophys. J. 64: 1626-1631; Athey, T.W., M.A. Stuchly, and S.S. Stuchly. 1982.// IEEE Trans. Microwave Theory Techn. MNN-30: 82-92; Barrett A., Myers P.C., Sadowsky N.L.// Radio Sci. 1977. V. 12. № 68. P.167-171; Bonincontro, A. S. Cinelli, G. Onori, and A. Stravato. 2004. //Biophys. J. 86. 1118-1123; Cherepanov, D.A., B.A. Feniouk, W. Junge, and A.Y. Mulkidjanian. 2003. Biophys. J. 85: 1307-1316; Foster K.R., Schepps J.L. // J. Microwave Power. 1981. V. 16. № 2. P. 107-119; Foster K.R., Schepps J.L., Epstein D.R. // Bioelectromagnetics. 1982. V. 3. № 3. P. 29-43; Foster, K.R., J.L. Schepps, and H.P. Schwan. 1980. Biophys. J. 29: 271-282; Harvey, S.C., and P. Hoekstra. 1972. J. Phys. Chem. 76. 2987-2994; Kanapitsas, A. Vartzeli-Nikaki, P. Konsta, A.A. Visvardis, E.-E., Sideris, E.G. // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2006. Vol.: 13, N 5. P. 1057- 1062; Kashuap S.C. // Electronics Letters. 1981. V. 17. № 19. P. 713-714; Masszi, G. 1972. Acta Biochim. Biophys. Acad. Sci. Hung. 7: 349-357; Masszi, G., A. Szuarto, and P. Grof, 1976. Acta Biochim. Biophys. Acad. Sci. Hung. 11: 129-131; Pitera, J.W., M. Falta, and W.F. van Gunsteren. 2001. Biophys. J. 80: 2546-2555; Schwan H.P., and K.R. Foster. 1977. Biophys. J. 17: 193-197; Gabriel, 1989; Schwan, H.P. 1965. Electrical properties of bound water. Ann N.Y. Acad. Sci. 125: 344-354; Takashima, S., Gabriel, C., Sheppard, R.J. and E.H. Grant. 1984. Biophys. J. 46: 29-34; Grant, E. H., R.J. Sheppard, and G.P. South. 1978. Dielectric behavior of biological molecules in solution. Clarendon Press, Oxford. 237 pp.; Pethig, R. 1979. Dielectric and electronic properties of biological materials. John Wiley&Sons,Inc., New York. 376 pp.; Takashima, S., A. Gasaleggio, F. Giuliano, M. Morando p. Arrigo, and S. Ribdella. 1986. Biophys. J. 49: 1003-1008; Gabriel, C., E.H. Grant, R. Tata, P.R. Brown, B. Gestblom, and E. Noreland. 1989. Biophys. J. 55: 29-34.Несмотря на кажущееся обилие экспериментальных данных проблема исследования электрофизических свойств человеческого организма и закономерностей взаимодействия электромагнитных волн с элементами человеческого тела далека до завершения. Из результатов многочисленных экспериментальных исследований (в том числе, описанных выше), следует вывод о том, что диэлектрические свойства биологических структур во многом зависят от количества и фазового состава воды, присутствующей в биологической ткани. Однако модель комплексной диэлектрической проницаемости живой клетки до сих пор не создана.Доказано, что диэлектрические свойства живых и погибших клеток, а также клеток, находящихся на стадии отмирания значительным образом различаются, но физические механизмы наблюдаемых изменений до конца не изучены. Не определены электродинамические параметры, которые можно использовать в качестве онкомаркеров, соответственно, не изучены их диэлектрические свойства.Измерения в частотных диапазонах, на которых производились исследования диэлектрических параметров, несмотря на заявленные, порою, значительные интервалы, на самом деле оказываются, в основном, измерениями на 6-8 частотах. Лишь измерения Такашимы осуществлены в диапазоне радиочастот от 0.1 МГц до 70 ГГц на 35 частотах, но из них на рассматриваемый заявителями интервал приходится 10 точек.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
1. Для изучения электродинамических характеристик исследуемых биологических объектов предполагается использовать метод мостовых схем, обладающий высокой точностью определения диэлектрических параметров дисперсных гетерогенных смесей и жидкостей, характеризующихся высокой поглощательной способностью. Метод известен достаточно давно, но его использование для изучения диэлектрических свойств биологических объектов было весьма ограниченным. 2. Исследования диэлектрических параметров предполагается провести в диапазоне от 400 МГц до 5 ГГц с шагом 100 МГц (56 частот), что позволит выявить существующие частотные особенности диэлектрических параметров. Выбор данного диапазона обусловлен тем, что по экспериментальным данным многих авторов, в том числе и авторов заявки (Романов), в указанном диапазоне лежат частоты релаксации связанной воды, внутриклеточной воды и воды, находящейся в мембранных комплексах. И если существуют какие-либо особенности в поведении диэлектрических свойств белков и клеток, то они с большей долей вероятности проявляются именно на частотах, близких к частоте релаксации. Новизна заключается в том, что измерения предполагается провести с гораздо большей детальностью, чем прежде. 3. Предусматривается исследование диэлектрических характеристик крови и выделенных из нее компонент (эритроциты, лейкоциты, белки), взятых у пациентов Краевого онкологического диспансера (г. Барнаула), находящихся на разных стадиях заболевания (до 1000 образцов в год).


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Результаты исследований могут быть использованы для ранней диагностики онкологических заболеваний


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
Проблема обнаружения электрофизических маркеров онкологических заболеваний очень сложная и для ее решения требуются специалисты из разных областей науки. Поэтому коллектив исполнителей составлен из медиков, специализирующихся на онкологических заболеваниях, радиофизиков, специализирующихся на изучении диэлектрических свойств гетерогенных минеральных и органических материалов и жидкостей, биологов и биохимиков, специализирующихся на изучении структурных особенностей воды в биологических объектах. В работах авторов накоплен большой фактический материал по распространению онкологических заболеваний на территории Алтайского края (А.Ф. Лазарев, В.А. Лубенников): 1. Изучены проблемы формирования групп онкологического риска. 2. Проведен многофакторный анализ при формировании групп риска рака желудка. 3. Имеется опыт использования метода факторного анализа для формирования групп высокого онкологического риска. 4. Осуществлено применение общей магнитотерапии при хирургическом лечении рака желудка. 5. Разработаны методики лечения больных раком щитовидной железы на радиационно-загрязненных территориях и лечения местнораспространенного рака пищевода. 6. Имеется значительный опыт экспериментальных исследований на СВЧ комплексной диэлектрической проницаемости и коэффициента излучения одноклеточных микроорганизмов, растительных клеток, сухих и влажных минерально-органических смесей с разным фазовым составом влаги, водно-солевых растворов. 7. Измерены комплексной диэлектрической проницаемости крови человека для 200 образцов. Установлена зависимость действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости крови от содержания жидкой фазы (А.Н. Романов). 8. Измерены диэлектрические характеристики одноклеточных микроорганизмов (А.Н. Романов). Установлено, что в живой клетке существуют, по крайней мере, три категории воды с разными диэлектрическими свойствами в дециметровом диапазоне длин волн, в то время как для погибших клеток выявлено существование двух категорий воды, различающейся по диэлектрическим свойствам. Для описания диэлектрических характеристик микроорганизмов использована рефракционная модель. Рассчитаны диэлектрические параметры внутриклеточного раствора и связанной воды, запасенной в стенках дрожжевой клетки. 9. Показано, что при определенной температуре на зависимостях показателей преломления и поглощения наблюдается излом, означающий изменение закономерностей поведения диэлектрических свойств клетки в результате ее гибели. Из анализа температурных зависимостей показателей преломления и поглощения следует, что при нагревании в клетках микроорганизмов происходят структурные изменения, сопровождаемые изменением их диэлектрического поведения. 10. Впервые установлено изменение поведения диэлектрических свойств растворов в зависимости от параметров ионной гидратации.


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Имеются патенты


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
Основные научные достижения: 1) Впервые обнаружен гистерезис диэлектрической проницаемости от температуры в циклах нагревание-остывание. 2) Впервые выдвинуто предположение о возможности диагностики злокачественных образований по диэлектрическим характеристикам человеческого пота.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
Способы ранней диагностики онкологических заболеваний


Срок реализации Проекта (месяцев)
-


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
-


Ключевые слова

-


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-