• Релаксационные процессы в наномагнитах в условиях теплового шума
  
  

  Руководитель направления Титов Сергей Владимирович вед. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  Тепловые флуктуации, обуславливающие релаксацию намагниченности однодоменных ферромагнитных наночастиц, необходимо учитывать как в современных устройствах хранении информации, так и в биомедицинских разработках, использующих наномагниты и магнитные суспензии. Магнитные наночастицы (~ 10 нм) проявляют нестабильное поведение намагниченности в следствии хаотических тепловых флуктуаций позиций электронов кристаллической решетки частицы. При этом каждая наночастица фактически ведет себя как парамагнетик с огромным магнитным моментом ~ 10⁴-10⁵ магнетонов Бора (явление суперпарамагнетизма). Однако в высокочастотных полях такие наночастицы продолжают проявлять ферромагнитные свойства, обладая динамическим магнитным гистерезисом. Для более широкого применения наночастиц в технике и медицине необходима достаточно развитая теория тепловых флуктуаций и релаксационных процессов в наномагнетиках, основанная на принципах неравновесной статистической механики. Совершенствованию теоретических методов исследования релаксационных процессов в наномагнитах служит данное направление. А именно, развиваются аналитические методы решения основополагающих уравнений для намагниченности (Ландау-Лифшица-Гильберта, магнитного уравнения Фоккера-Планка и т.д.) в условиях действия случайного поля. Новые теоретические результаты важны для оценки эффективности использования различных магнитных наноструктур, позволяют описывать релаксационные процессы в наночастицах с различными типами внутренних анизотропных потенциалов (одноосный, биаксиальный, кубический и др., см. рис.) в условиях переключения и действия внешних (как постоянных, так и переменных) полей, дают возможность проводить количественные оценки энергопотребления и разогрева магнитных суспензий в сильных переменных полях на основе расчета площади динамического гистерезиса и т.д.

  a)	b)
  c)	d)

  Рис. Внутренние потенциалы, обусловленные магнитокристаллической анизотропией феромагнитных частиц: (а) положительная кубическая анизотропия (кристаллы Fe-типа ); (б) отрицательная кубическая анизотропия (кристаллы Ni-типа); (с) одноосная анизотропия; (d) смешанная анизотропия.

• Разработка основ методов ИК-люминесцентной диагностики и тераностики рака с использованием металлокомплексов порфиринов и высокочувствительного лазерно-волоконного флуориметра
  
  

  Руководитель направления Шилов Игорь Петрович в.н.с., к.т.н эл. почта: [email protected]

  
  

  В настоящее время проводятся интенсивные исследования целой парадигмы наноразмерных иттербиевых комплексов порфиринов (ИКП), которые являются весьма перспективными субстанциями для ранней люминесцентной диагностики (ЛД) и тераностики новообразований (злокачественные, доброкачественные) кожи и слизистой в БИК-области спектра (700-1100нм). Эти соединения характеризуются люминесцентным сигналом повышенной интенсивности в спектральном диапазоне 900-1100нм, что позволяет детектировать их при концентрации порядка 10^-11M и ниже. Они обладают высоким коэффициентом экстинции (~ 1.96х10⁵ М^-1см^-1 на длине волны 398нм), квантовым выходом люминесценции вплоть до 1%, и временем жизни люминесценции до 20 микросек. Но одно из главных их свойств-в диагностических концентрациях они не создают (в отличие от используемых для ЛД препаратов, в том числе и зарубежных) токсичных концентраций синглетного кислорода, который разрушает биоткани, в том числе и здоровые.
  На фото представлен один из элементов установки для синтеза ИКП и работа на ней с.н.с. лаб. 276 Румянцевой В. Д.
  В лаборатории проводятся исследования спектральных характеристикик люминесценции ИКП, а также и других металлокомплексов порфиринов (включая висмут, цинк и т.д.). Экспресс-измерения проводились на портативной установке, основу которой составляет миниспектрометр типа FSD-10 (разработка НТЦ «Волоконно-оптических устройств, Москва)

  Рис. Устройство для экспресс-исследований спектрально-люминесцентных характеристик металлокомплексов порфиринов, а также для изучения фармакокинетики и биораспределения их в биотканях.

  Современным трендом в биомедицинской фотонике является создание мультимодальных наноструктур для тераностики новообразований, которые совмещают диагностические и терапевтические функции в одной наночастице. В настоящее время в лаборатории разрабатываются основы следующих новых методов тераностики рака на базе наноразмерных ИКП: а) люминесцентная диагностика опухолей в БИК-диапазоне в сочетании с локальной ферромагнитной гипертермией; б) люминесцентная диагностика опухолей в БИК- диапазоне в сочетании с фотодинамической терапией (ФДТ) в полосе поглощения порфирина.
  
  Второй метод тераностики, разрабатываемый в лаборатории, основан на проведении процедуры ЛД с последующей ФДТ в полосе поглощения порфирина (635 нм). Исследования осуществлялись на разработанном в лаб.276 макетном лазерно-волоконном флуориметре (ЛВФ). На фото представлен прибор, на котором работает вед. инженер Новичихин Е. П.

• Исследование лазерных и оптоволоконных систем для создания лазерно-волоконных устройств фотодиагностики и тераностики опухолей
  
  

  Руководитель направления Шилов Игорь Петрович в.н.с., к.т.н эл. почта: [email protected]

  
  

  Основным критерием для разработки волоконно-оптической лазерной системы таких устройств, как флуориметры, являлись задачи максимально возможной качественной и количественной оценки уровня люминесцентного отклика. Очевидно, что в этом случае необходимо создание параметрически надежной лазерной системы (ЛС) с возможностью настройки выходной мощности лазера непосредственно на чувствительном торце волоконно-оптического зонда (ВОЗ). Структурная блок-схема усовершенствованной лазерной системы представлена ниже.

  Рис. Блок-схема усовершенствованной ЛС: 1 – лазер (405 нм, 100 мВт) с оптической системой ввода излучения в ВОЗ, 2 – драйвер стабилизации тока лазерного диода содержащий вход управления включением импульсами, 3 – генератор пакетов импульсов, 4 – система настройки уровней мощности излучения лазера, 5 – переключатель режимов работ лазера с ручного управления на управление от блока регистрации, 6 – блок регистрации оптического сигнала рефлексного отражения по 18 приемным волокнам ВОЗ.

• Изучение механизмов биологической чувствительности организма человека к действию микроволнового излучения
  
  

  Руководитель направления Казаринов Константин Дмитриевич в.н.с., к.б.н, старший научный сотрудник эл. почта: [email protected]

  
  

  Основное внимание уделяется участию клеточных мембран в процессах слияния клеток. Ситуация в мире, связанная с интенсивным продвижением новой системы беспроводной связи 5G и ожидания, неизбежно следующей за ней системы 6G, предполагает беспретендентно высокий уровень плотности микроволнового излучения в среде обитания человека. Опубликованные результаты исследований пока не предоставляют достаточной информации для оценки опасности воздействия или же интерпретации вопроса о биологических эффектах. На данный момент накоплено недостаточно научных данных для оценки воздействия на здоровье человека микроволнового излучения, которое планируется использовать в разрабатываемых устройствах 5G. Тем не менее, в связи с тем, что имеются данные, свидетельствующие о наличии биофизических механизмов воздействия микроволнового излучения на организм человека, которые могут привести к неблагоприятным последствиям для здоровья, возможно использование принципа предосторожности или принципа “Алара” (минимального риска) при формировании экологических требований к строительству и эксплуатации инфраструктуры планируемых систем 5G, 6G. Экспериментальные исследования преследуют цель определить механизмы, провоцирующие появление медицинской патологии биологических объектов под действием микроволнового излучения. Наличие физически обоснованных механизмов биологической чувствительности организма человека к действию микроволнового излучения, как было уже сказано, предъявляет соответствующие требования к формированию экологических норм к строительству и эксплуатации планируемых систем беспроводной связи. Следуя в русле этой идеологии, мы продолжаем изучение механизмов биологических эффектов микроволнового излучения в диапазоне КВЧ.
  
  Изучение механизма антиагрегантного действия микроволнового излучения
  К важнейшим проблемам современной медицины причисляют различные тромбоэмболические явления, которые возникают при избыточной активности тромбоцитов (Тц). Для лечения и профилактики ишемических нарушений кровообращения у больных применяют антитромбоцитарные антиагрегантные препараты. Однако, несмотря на значительные усилия, приложенные в этом направлении, проблема еще далека до своего разрешения. Поэтому наряду с медикоментозными средствами в медико биологических исследованиях все чаще предлагаются электромагнитные воздействия с целью коррекции нарушений реологических свойств крови. К этим воздействиям относятся низкоинтенсивные микроволновые излучения. В наших экспериментах обогащенную тромбоцитами плазму (ОТП) инкубировали при комнатной температуре в условиях КВЧ облучения в течение 30 минут и переносили в прибор AggRam Helena (Великобритания) для измерения уровня и скорости агрегации тромбоцитов. В результате был получен набор агрегатограмм. В ходе работы оценивались степень агрегации и скорость агрегации тромбоцитов. Кинетику агрегации регистрировали в течение 10 минут.
  Было показано, что КВЧ облучение низкой интенсивности в условиях нашего эксперимента способно уменьшить уровень агрегации тромбоцитов. Эффект облучения проявлялся в снижении степени агрегации тромбоцитов по сравнению с контролем при добавлении индуктора агрегации – ристомицина, а также в уменьшении угла наклона агрегатограммы (скорости агрегации тромбоцитов) (рис. 1).

  Рис. 1. Типичная кривая агрегации тромбоцитов после КВЧ облучения при добавлении индуктора агрегации ристомицина в среде, содержащей этанол в различной концентрации. Образец содержит 225 мкл плазмы донора и 25 мкл индуктора ристомицина с конечной концентрацией в образце 0,1 мг/мл. 1 – контроль (обогащенная тромбоцитами плазма(ОТП)); 2 – ОТП + облучение КВЧ; 3 – ОТП + облучение КВЧ/этанол 2,5 мкл; 4 - ОТП + облучение КВЧ/этанол 10 мкл; 5 - ОТП + облучение КВЧ/этанол 15 мкл

  Действие КВЧ излучения на активность фактора фон Виллебранда, который содержится в гранулах тромбоцитов, при определенных условиях может активировать противосвертывающие системы, предотвращая избыточное тромбообразование. Обсуждая механизм наблюдаемого эффекта действия КВЧ излучения на процесс агрегации тромбоцитов индуцированный ристомицином, мы принимали во внимание наличие двух структурных переходов в мембранах тромбоцитов при изменении температуры в области 10-30 °С. Переход при 23-25 °С инициируется в липидной фазе, а при температурах 13-14 °С - в белках. При этих же температурах происходят изменения скорости агрегации тромбоцитов под действием агрегирующих агентов. Так что, температура облучаемого в эксперименте образца может рассматриваться как один из регуляторных факторов агрегационной способности тромбоцитов.
  Результаты работы могут быть полезны для применения КВЧ излучения, как безопасного фактора воздействия с целью коррекции патологий реологических свойств крови человека и, в частности, при алкогольной интоксикации.
  
  Изучение стимуляции КВЧ облучения выработки активных форм кислорода в клетках крови
  Известно, что окислительный стресс играет существенную роль при патологических процессах (ишемии, воспалении), токсических воздействиях и т.п. Предполагается, что воздействия микроволнового излучения на клетки человека могут вызывать апоптоз (генетически запрограммированный процесс гибели клетки). Образование свободных радикалов в организме или окислительный (оксидативный) стресс, стимулированный воздействием микроволнового излучения рассматривается многими специалистами как один из основных механизмов биологической активности данного вида излучения. Мы провели эксперименты с цельной кровью, которые более достоверны по сравнению с ситуацией in vivo. Кроме того, мы использовали методы, которые позволяют нам определять статус активации клеток сразу после облучения, а именно измерения люминол-зависимой ХЛ (хемилюминесценции). В нашей работе мы показали, что излучение КВЧ с длиной волны около 7,7 мм может усиливать реакцию нейтрофилов в крови на агонисты в виде частиц - ОЗ (опсонизированный зимозан) или бактерии (рис. 2).

  Рис. 2. Временной ход окисления ОД (о-дианизидина) измеренный путем регистрации накопления в растворе продукта окисления с максимумом поглощения при 450 нм. КВЧ-индуцированное увеличение активности MPO в плазме крови анализировали по увеличению продуктов окисления ОД

• Разработка волноводно диэлектрического метода и устройства для измерения концентрации водных растворов и облучения биологических объектов
  
  

  Руководитель направления Казаринов Константин Дмитриевич в.н.с., к.б.н, старший научный сотрудник эл. почта: [email protected]

  
  

  В отличие от широко применяемых в измерительной технике полых резонаторов с поглощающим образцом, для которых измерения основаны на эффекте малого возмущения поля в резонаторе образцом, в данном случае исходная измерительная система с пустым капилляром не обладает резонансными свойствами, а резонанс возникает только в присутствии исследуемого образца. Эта особенность рассматриваемого волноводного резонатора и определяет высокую чувствительность параметров регистрируемого резонанса к диэлектрическим свойствам образца.

• Разработка метода контроля легочной сурфактантной системы с помощью электрической генерации капиллярных волн (экспресс метод)
  
  

  Руководитель направления Казаринов Константин Дмитриевич в.н.с., к.б.н, старший научный сотрудник эл. почта: [email protected]

  
  

  В последние годы были приложены значительные усилия ученых для изучения моделей клеточных культур эпителиального барьера легких от простых монослоев до сложных трехмерных систем, использующих различные типы клеток. Учитывая наш опыт изучения моделей биологических мембран, в том числе и тонких липидных пленок, мы использовали, запатентованную нами конструкцию генератора капиллярных волн, для разработки метода определения качества сурфактанта человека в целях диагностики легких. В предлагаемом устройстве используется генерация капиллярных акустических волн с помощью электрического поля. Электрическое поле взаимодействуя с жидкостью, приводит к деформации ее свободной поверхности вследствие явления электрострикции. В качестве генератора капиллярных волн используется металлический цилиндр  диаметром 2 мм, расположенный параллельно поверхности жидкости на расстоянии 1 мм. Между цилиндром и поверхностью жидкости в малом объеме создается сильное неоднородное электрическое поле. Жидкость как диэлектрик с диэлектрической проницаемостью существенно большей, чем у воздуха втягивается в область сильного поля, где энергия системы поле-жидкость уменьшается, т.е. жидкость притягивается к цилиндру. Этому противодействуют силы поверхностного натяжения и тяжести. Прикладывая переменное напряжение частотой 100 Гц (длительность генерации в одном кадре 256 мс) и амплитудой 2 кВ к цилиндрическому электроду, мы создаем колебательный процесс в жидкости и распространение капиллярных волн, изменение амплитуды которых регистрируется двумя оптическими датчиками, расположенными на расстоянии 20 и 40 мм от генератора. Отношение максимальных амплитуд, измеренных датчиками, определяет коэффициент затухания, а сдвиг фаз между сигналами – длину волны. Таким образом, измеряют кинетику изменения поверхностных свойств жидкости при формировании монослоя сурфактантных фосфолипидов. При добавлении конденсата выдыхаемого воздуха в измерительную ячейку первоначально устанавливается уровень поверхностного натяжения около 65 мН/м связанный, с быстрым распределением части липидного материала сурфактанта на поверхности. Затем следует кратковременный небольшой рост и резкое снижение поверхностного натяжения на 3 минуте до 55 мН/м, которое затем продолжается с меньшей скоростью вплоть 50 мН/м (рис. 4). Преимуществом метода является малое время измерения параметров сурфактанта и его низкая стоимость.

  Рис. 4. Изменение величины поверхностного натяжения сурфактанта от времени после добавления сурфактанта в измерительную ячейку (пример реализации)

• Разработаны и исследованы (совместно с МТУ МИРЭА-МИТХТ, Москва) фармацевтические композиции (ФК) на основе ИКП для БИК-люминесцентной диагностики и тераностики кожных новообразований и слизистых оболочек.
  Индивидуальность вещества подтверждена данными высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Содержание основного вещества (ИКП) до 98 %. Что подтверждает исходную чистоту синтезируемого соединения. На основе ФК создан новый препарат для ЛД аппликационного типа-гель «Флюроскан», прошедший соответствующую Госрегисрацию (№РОСС RU.0001.510608) и разрешенный в клинической практике на территории РФ, Белоруссии и Казахстана.

  Публикации:
  
  • И. П. Шилов, В. Д. Румянцева, Ю. В. Алексеев, А. В. Иванов // Иттербиевые комплексы порфиринов в люминесцентной диагностике и тераностике рака// Журнал «Известия Российской Академии Наук, сер. Физическая». Т. 84. №11. 2020. С. 1645-49
  • I. P. Shilov, A. V. Ivanov, V. D. Rumyantseva, Yu. V. Alekseev, M. V. Ryabov and A. S. Gorshkova// Ytterbium porphyrins complexes for NIR-luminescent diagnostics and magneto-luminescent theranostics of tumours// Journal of Physics: Conference Series. Vol.1679 (2020) 022031
  • Щелкунова А.Е., Болтухина Е.В., Румянцева В.Д., Шилов И.П., Каракотовa С.Д. Разработка синтеза дикалиевой соли иттербиевого комплекса 2,4-ди(α-метоксиэтил)дейтеропорфирина IX // Макрогетероциклы. 2019. Т. 12. N.3.
  • Щелкунова А. Е., Румянцева В. Д., Алексеев Ю. В., Шилов И. П., Иванов А. В., Ковалева А. М., Ковалев М. И.//Препарат Флюроскан для люминесцентной диагностики в ближней ИК-области спектра. Biomedical Photonics, специальный выпуск/2018.С.67-68. 2018

• Разработаны основы нового метода ИК-люминесцентной диагностики опухолей поверхностной локализации на основе ИКП.
  Проведены предклинические испытания разработанной методики ИК-люминесцентной диагностики рака на основе геля «Флюроскан» и малогабаритного переносного ИК-лазерно-волоконного флуориметра в медицинских учреждениях РФ (при базальноклеточном раке кожи, раке шейки матки и т.д.). Методика может быть рекомндована для онкоскрининга предраковых заболеваний, а также при сопровождении ФДТ. Методика позволяет выявлять объективные различия между морфологически нормальными и патологически измененными тканями при диагностике заболеваний кожи и слизистых оболочек. При этом обеспечивается достижение высоких значений люминесцентного контрастного индекса что позволяет с повышенной точностью определять границы распространенности поражений кожи не видимых глазом.

  Рис. Базальноклеточный рак кожи (язвенная форма): 1 - кожа без опухолевого роста, обработанная гелем; 2 - участок опухолевого роста, без изьявления; 3, 4 - язвенная поверхность очага, 5 - кожа, не обработанная гелем, 6 – неизмененная кожа, обработанная гелем.

  Нижний рисунок показывает распределение интегральной интенсивности люминесценции в зависимости от времени лазерного воздействия на данную позицию на лице пациента.
  Из графика видно, что наблюдается повышенная интенсивность люминесценции (накопление препарата) в язвенных поверхностях очага.
  Предварительные статистические данные позволяют определять уровень онкологической настороженности при проведении процедур ЛД величиной ЛДКИ норма/опухоль=1:5

  Публикации:
  
  • И. П. Шилов, В. Д. Румянцева, А. В. Иванов, Ю. В. Алексеев, А. С. Горшкова, М. В. Рябов, А. М. Ковалева, М. И. Ковалев. // Перспективы инфракрасной люминесцентной диагностики новообразований поверхностной локации на основе иттербиевых комплексов порфиринов// Ж. Радиотехника и Электроника. 2023. Т. 68. № 4. С. 399-406.
  • Ковалев М. И., Ковалева А. М., Ищенко А. И., Шилов И. П., Иванов А. В., Алексеев Ю. В., Румянцева В. Д., Вознесенский В. И., Поминальная В. М.//Люминесцентная диагностика рака шейки матки.//Сборник научных трудов . XXIX Международная конференция. Лазеры в науке, технике, медицине. Т. 29. С. 187-191. 2018.
  • Ковалев М.И., Ковалева А.М., Ищенко А.И., Алексеев Ю.В., Вознесенский В.И., Шилов И.П. Люминесцентная диагностика рака шейки матки // Лазерная медицина. 2019. № 23 (3S). С. 65.

• Разработан, изготовлен и освоен в ряде медучреждений г. Москвы опытный образец мультимодального лазерно-волоконного флуориметра (ЛВФ) повышенной чувствительности для ИК-люминесцентной диагностики и тераностики рака.
  Данный прибор показал свою высокую эффективность в процессе проведения диагностических процедур рака кожи и слизистых оболочек при работе с препаратом «Флюроскан».
  Устройство прибора базируется на компактном полупроводниковом лазере (мощность до 50 мвт, длина волны 405нм), блоке управления и преобразования, включающего аналогово-цифровой преобразователь (АЦП-ЦАП); блоке регистрации и обработки сигнала люминесценции; многожильного высокоапертурного волоконно-оптического зонда (применялась новая конструкция 19-жильного зонда); ноутбуке с разработанной программой.. При этом чувствительность обнаружения препарата, содержащего иттербий порфириновый комплекс, повысилась до значений~ 20 микрограмм/кг веса биообьекта.

  Получены Акты освоения ЛВФ и методик ИК-люминесцентной диагностики рака от 1-ого МГМУ им. И. М. Сеченова Минздрава РФ и ФГБУ Государственный научный центр лазерной медицины им. О.К.Скобелкина», ФМБА.

  Публикации:
  
  • Shilov I.P., Kochmarev, L.Y. & Novichihin, E.P.// A Fiber-Optic Laser Fluorimeter for NIR Luminescent Diagnostics of Skin and Mucous Membrane Neoplasms// Biomed Eng 54, 371–375 (2021).
  • Шилов И.П., Рябов А.С., Новичихин Е.П. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018617536, 2018.
  • Шилов И. П., Даниелян Г. Л., Маречек С. В., Кочмарев Л. Ю.// Радиотехника и Электроника. 2021. Т. 66. № 1. С. 96.

• Разработаны основы нового метода магнито-люминесцентной тераностики опухолей (МЛТ) .
  Данная разработка основана на люминесцентной диагностике опухолей в ближнем инфракрасном диапазоне спектра 900-1100нм в сочетании с локальной ферромагнитной гипертермией. Для целей МЛТ проведен синтез композитных наночастиц (КНЧ), содержащих ядро из оксида железа (магнетит), а также ИКП. В качестве матрицы для инкорпорирования в нее вышеназванных элементов использовалась полимерная оболочка типа «Лексан». В качестве ИКП для использования нанокомпозита в диагностических целях нами был синтезирован иттербиевый комплекс диметилового эфира протопорфирина IX (Yb-ДМЭ ПП). При этом наночастицы оксидов железа в накопившей их опухолевой ткани обеспечивают проведение процедуры локальной ферромагнитной гипертермии опухолей в радиочастотном диапазоне, где практически отсутствует поглощение самих биотканей. Синтез таких нанокомпозитов был осуществлен совместно ФИРЭ РАН и МТУ МИРЭА-МИТХТ (Москва). Исследованы основные фотофизические и фармакокинетические свойства разработанных нанокомпозитов.

  На Рис. представлены эмиссионные спектры в ближней ИК-области спектра (λвозб ~ 532 нм) нанокомпозитов с МНЧ-ядром и без. 1- ЛПМ + Yb(асас)-ТМЭ ГП IX (без МНЧ), 2 — ЛМП + Yb(асас)-ТМЭ ГП IX + Fe3O4 (средний размер d~20нм), 3- ЛМП + Yb(асас)-ТМЭ ГП IX + Fe3O4 (средний размер d~30нм).

  Показано, что применение МНЧ со средним размером~20нм приводит к незначительному снижению интенсивности люминесценции Yb(асас)-ТМЭ ГП IX и всей КНЧ в целом, в то время как включение магнетитового ядра с размером 30нм в КНЧ приводит к более чем двухкратному снижению интенсивности люминесценции Yb(асас)-ТМЭ ГП IX в синтезированных вариантах МНЧ. Снижение интенсивности люминесценции для МНЧ с размером 20нм может быть компенсировано некоторым увеличением терапевтической дозы нанокомпозита, что является допустимым для осуществления процедур ЛД опухолей.

  Публикации:
  
  • I.P.Shilov, V. D. Rumyantseva, A. V. Ivanov, A. S. Gorshkova. //Magnetic-Luminescent Theranostics of Cancer based on Ytterbium Complexes of Porphyrins and Magnetite Nanoparticles// J. of Communications Technology and Electronics. 2022. Vol.67. No.7. Pp.884-889.
  • И. П. Шилов, В. Д. Румянцева, А. В. Иванов. // Нанокомпозиты для магнито-люминесцентной тераностики новообразований.// Патент на изобретение РФ. № 2 766513. Опубл. 15. 03. 2022. Патентообладатель: ФИРЭ РАН

• Изучены возможные механизмы накопления ИКП в опухолевых биотканях.
  В лаборатории совместно с НМИЦ онкологии им. Н. Н. Блохина проводились исследования по изучению механизмов селективности накопления ИКП, в частности дикалиевой соли иттербиевого комплекса 2,4-ди(α-метоксиэтил)дейтеропорфирина IX (Yb-ДМДП) в опухолевых тканях при проведении БИК-люминесцентной диагностики и тераностики новообразований. Исследования проводились на основе изучения фармакокинетики в режимах ex vivo и in vivo, а также используя метод лазерной корреляционной спектроскопии (ЛКС). Показано, что основной механизм накопления ИКП связан с эффектом “усиленного проникновения и удержания” коллоидных наночастиц в активно растущих опухолях (“enhanced permeation and retention”, или эффект EPR). Измерения, проведенные на лазерном спектрометре динамического рассеяния света типа КУРС-3 показали, что примерно через сутки коньюгаты ИКП-сывороточный альбумин выделяются в самостоятельную фракцию со значительной концентрацией частиц со средним размером 20…25 нм, что значительно меньше пор быстро формирующейся сосудистой сети в опухолях (поры размером более 200 нм). Таким образом ожидаемый максимум накопления ИКП в опухоли должен составлять не менее 25 часов после введения в организм, поскольку только через сутки после введения ИКП начинает эффективно работать транспортная функция альбумина. Полученный результат был подтвержден исследованиями фармакокинетики Yb-ДМДП в режимах ex vivo и in vivo на мышах-самках линии Balb/c с привитой под кожу правого бока саркомой S-37. Максимальный люминесцентный диагностический контрастный индекс (ЛДКИ) опухоль/мышца (отношение интенсивности люминесценции опухоли к интенсивности люминесценции от соседней здоровой мышечной ткани), находящийся в диапазоне 12-14 единиц, наблюдался через 30-48 ч после инъекции.

  Рис. Фармакокинетика Yb-ДМДП в органах и тканях мышей (внутривенное введение в дозе 10 мг/кг веса): 1 – опухоль, 2 – почки, 3 – селезенка, 4 – мышца

  Полученный результат находится в соответствии с исследованиями размерного фактора методом ЛКС. Конъюгаты ИКП с альбуминами имеют высокую селективность накопления в опухоли, которую мы связываем прежде всего с их размерностью, а также с природной туморотропностью порфиринов и амфифильностью Yb-ДМДП.

  Публикации:
  
  • И. П. Шилов, В. Д. Румянцева, А. В. Иванов, Ю. В. Алексеев, А. С. Горшкова, М. В. Рябов, А. М. Ковалева, М. И. Ковалев. // Перспективы инфракрасной люминесцентной диагностики новообразований поверхностной локации на основе иттербиевых комплексов порфиринов// Ж. Радиотехника и Электроника. 2023. Т. 68. № 4. С. 399-406.
  • Горшкова А. С., Шилов И. П. , Иванов А. В., Румянцева В. Д. 9-ый Международный Конгресс "Фотодинамическая терапия и фотодиагностика. //О возможных механизмах накопления иттербиевых комплексов порфиринов в опухолевых тканях.// Сб. научных трудов. 2020. С. 5.

• Разработан теоретический метод расчета нелинейного стационарного отклика на воздействие переменным полем произвольной величины и ориентации системы магнитных наночастиц в условиях теплового шума. Метод позволяет определять частоты резонансов наночастиц и площадь петли динамического гистерезиса в зависимости от температуры системы. Показано, что нелинейная динамическая восприимчивость, так и динамический магнитный гистерезис (см. рис.) достаточно чувствительны как к ориентации переменного поля, так и к амплитуде переменного поля благодаря взаимовлиянию между прецессией магнитного момента и его переориентациями из-за тепловых флуктуаций. Таким образом, изменяя параметры внешнего поля, можно контролировать выделение тепла (энергетические потери) в наночастицах.

  Рис. Динамический магнитный гистерезис для (a) различных параметров магнитокристаллической анизотропии σ = νKu/(kT), выраженных в единицах тепловой энергии (kT), (b) различных параметров внешнего поля ξ, (c) углов наклона внешнего поля ψ=π/6, π/4, π/3, и (d) частот внешнего поля ω τ0.

  Публикации:
  
  • Yu. P. Kalmykov, S. V. Titov, W.T. Coffey, M. Zarifakis, and W.J. Dowling, "Forced response and dynamic hysteresis of magnetic nanoparticles with mixed uniaxial and cubic anisotropy in superimposed strong ac and dc bias fields", Phys. Rev. B, 2019, v. 99, p. 184414

• Показано, что эффект микроволнового облучения проявлялся в снижении агрегации тромбоцитов по сравнению с контролем при добавлении индуктора агрегации, а также в уменьшении угла наклона агрегатограммы (скорости агрегации тромбоцитов). Предложен мембранный механизм обнаруженного эффекта – влияния излучения низкой интенсивности на активность фактора фон Виллебранда, который при определенных условиях может активировать противосвертывающие системы, предотвращая избыточное тромбообразование, а также наличие двух структурных переходов в мембранах тромбоцитов при изменении температуры в области 10-30 °С. Предложенный механизм существенно расширяет наши представления о слабом тепловом мембранотропном действии микроволнового излучения.

  Публикации:
  
  • Казаринов К.Д., Баранова О.А., Щелконогов В.А., Чеканов А.В. Экспериментальные результаты изучения эффектов КВЧ излучения на межклеточные взаимодействия в плазме крови человека. Электронная техника. СВЧ-техника. 2019. Вып. 2. (545). С. 79-86.
  • Казаринов К.Д., Баранова О.А., Чеканов А.В. Изучение действия КВЧ облучения на клетки крови человека. Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2019. Т. 4, № 2. С. 278-282
  • Антиагрегантная эффективность микроволнового излучения. Электронная техника. CВЧ-техника. 2022. № 2. С. 90-95

• Преимущество разработанного и запатентованного нами волноводно диэлектрического устройства, заключается в уменьшении искажения формы резонансной кривой отраженного КВЧ сигнала за счет улучшения контакта контролируемой жидкости, помещенной в диэлектрический капилляр с волноводным измерительным устройством, что приводит к повышению точности и чувствительности измерений, а также, упрощается конструкция устройства за счет исключения настроечных поршней с дифференциальными винтами, фторопластовыми шайбами, зубчатыми колесами и спиральными пружинами, уменьшаются габариты устройства и его вес в несколько раз и, следовательно, должна снижаться себестоимость измерительного узла.

  Публикации:
  
  • Казаринов К.Д., Тихонова Е.А., Солосин В.С. Патент на изобретение № 2655028. “Волноводное устройство для измерения параметров жидкостей”. Дата гос. регистрации в Гос. Реестре изобретений РФ 23 мая 2018. Бюл. № 15.
  • Казаринов К.Д., Полников И.Г. Опыт использования волноводно диэлектрической камеры для измерения концентрации воды в органических средах и облучения биологических объектов. Электронная техника. Сер. 1. СВЧ - техника. 2018. Вып. 3 (538). С. 92-102.
  • Казаринов К.Д. Комплекс методов и приборов для изучения электромагнитной чувствительности биологических объектов. Биомедицинская радиоэлектроника. 2020. №2. С. 5-14.

• Предложено и запатентовано устройство для измерения параметров липидных монослоев - моделей биологических мембран. Техническое решение обеспечивает бесконтактную генерацию капиллярных акустических волн в жидкости с помощью электрического поля, приводящей к деформации свободной поверхности вследствие явления электрострикции и обеспечивает простоту конструкции и повышение чувствительности результатов измерений параметров липидных монослоев по сравнению с другими устройствами. На основе использования новой конструкции генератора капиллярных волн предлагается разработанный метод исследования сурфактантной системы легких (ССЛ) человека для диагностики больных, страдающих легочными заболеваниями, в том числе, после заражения COVID-19. Предлагаемый нами способ контроля конденсата выдыхаемого воздуха человека заключается в нанесении пробы конденсата на поверхность водного раствора, на которой создаются за счет явления электрострикции капиллярные волны, изменение амплитуды и фазы которых, позволяет определить поверхностное натяжение жидкости и параметры сурфактантного слоя. Cовершенствование технологии процесса контроля ССЛ преследует решение задач сокращения времени измерения ССЛ и снижения стоимости метода.

  Публикации:
  
  • С.В.Титов, В.С.Малинин, А.С.Титов, Казаринов К.Д. Исследования поверхностных свойств липидных монослоев – моделей биологических мембран. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018, №10 – октябрь. С. 1-15.
  • Казаринов К.Д., Титов А.С., Малинин В.С., Титов С.В. Результаты экспериментального изучения поверхностных свойств липидных монослоев - моделей биологических мембран. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019, №2 –февраль. С. 1-11.
  • Казаринов К.Д., Полников И.Г. Патент на изобретение № 2735315. “Измеритель параметров поверхности жидкости». Дата гос. регистрации в Гос. Реестре изобретений РФ 29 октября 2020. Бюл. № Приоритет изобретения 03 марта 2020 г.
  • Казаринов К.Д., Малинин В.С., Щелконогов В.А., Чеканов А.В. Разработка технологии исследования легочной сурфактантной системы с помощью электрической генерации капиллярных волн (экспресс метод). Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2022. Т. 2. С. 293-296.

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН