ИФИБ НИЯУ МИФИ

Как синтезированные лазером наночастицы германия помогают в терапии рака?

2024-03-28T16:20:25.756Z

Исследовательская группа из лаборатории «Бионанофотоники» ИФИБ НИЯУ МИФИ совместно с коллегами из лаборатории «Молекулярной иммунологии» ИБХ РАН разработали инновационный материал для визуализации и лечения раковых опухолей на основе биорастворимых наночастиц германия (Ge). Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.

Наночастицы на основе металлических или полупроводниковых материалов способны очень эффективно нагреваться под действием инфракрасного излучения, приходящегося на так называемое окно относительной прозрачности биологических тканей. Подобное излучение является безопасным для человека и способно проникать в ткани на глубину до 5 см, а его источником может служить самая обычная лазерная указка с маркетплейса. Наночастицы способны самостоятельно находить раковые опухоли и накапливаться в них благодаря своим крайне малым размерам. После чего на новообразование достаточно посветить безопасным инфракрасным излучением, и наночастицы конвертируют эту энергию в тепло, что вызовет перегрев (T > 45 °C) и гибель раковых клеток. То есть мы буквально выжигаем раковые опухоли, не нанося при этом никакого вреда здоровым тканям. Такой инновационный неинвазивный щадящий метод лечения называют фототермической терапией (ФТТ). В 2019 году в ходе пилотных клинических испытаний этот метод показал крайне высокую эффективность при лечении рака простаты 1-2 стадии – удалось полностью вылечить 15 из 16 пациентов.

Кроме того, эффективный фотонагрев наночастиц может использоваться не только для лечения, но и для визуализации раковых опухолей. Хорошо известно, что при нагреве большинство материалов расширяется, и если нагрев произошел достаточно быстро, это может привести к возникновению акустического отклика – фотоакустическому эффекту, открытому Александром Беллом в конце XIX века. Поэтому, когда наночастицы нагревают импульсным лазерным излучением, они излучают ультразвук в ответ. Такой отклик пропорционален концентрации наночастиц, а его пространственное распределение позволяет с высокой точностью (~10-100 мкм) судить о местоположении опухоли, что позволяет не только визуализировать новообразования, но и планировать процедуру лечения методом ФТТ.

Еще одной важной проблемой, которую удалось решить, стала задача полного выведения наночастиц из организма после проведения лечения. Учёным из НИЯУ МИФИ и ИБХ РАН удалось совместными усилиями разработать биодеградируемые нетоксичные наночастицы на основе германия. Для снижения иммунного ответа и повышения эффективности накопления в опухоли поверхность наночастиц была покрыта биосовместимым сывороточным белком бычьего альбумина. Затем модифицированные наночастицы вводились в организм для проведения ФТТ и фотоакустической визуализации. Результаты исследований показали, что наночастицы позволяют эффективно визуализировать и уничтожать опухоли, а затем полностью растворяются и естественным образом выводятся из организма за неделю.

Эти уникальные наночастицы были впервые получены в лаборатории «Бионанофотоники» ИФИБ НИЯУ «МИФИ» по запатентованной технологии лазерно-абляционного синтеза наноматериалов. Метод лазерной абляции в жидкости позволяет получать сверхчистые нетоксичные наночастицы с контролируемыми физико-химическими свойствами. При этом сам метод является универсальным – можно получать наночастицы практически из любого материала.

Как синтезированные лазером наночастицы германия помогают в терапии рака?

2024-03-28T14:37:38.171Z

Интервью с преподавателем: Екатерина Ахлюстина

2024-03-25T12:51:24.718Z

Добрый день! Расскажите, пожалуйста, о себе.

— Добрый день! Меня зовут Екатерина Ахлюстина, я прошла все ступени обучения в ИФИБ, осталась верна своей alma mater и сейчас являюсь старшим преподавателем кафедры №87 «Лазерных микро-, нано- и биотехнологий». Специализируюсь в области применения лазерных технологий для борьбы с устойчивыми бактериями, что в узком кругу широко известно как антибактериальная фотодинамическая терапия.

Вы ведете научную деятельность помимо преподавательской работы?

— Обязательно. Мне кажется, что это залог успеха хорошего современного преподавателя: быть в курсе происходящего в мире науки, уметь рассказать реальные истории применительно к читаемому курсу. Сложно читать свой предмет, если никогда напрямую не работал руками или не обсуждал с командой планы экспериментов.

Расскажите подробнее о своей работе.

— Кафедра №87 базируется в лаборатории Лазерной биоспектроскопии ИОФ РАН. Также мы обустроили лабораторию для занятий в Доме ИФИБ на Каширском шоссе, 64. Моя научная работа проходит в большой команде, которая включает специалистов из разных областей науки – это химики, физики, биологи, медики, инженеры. Каждый отвечает за свой кусочек исследования, но при этом должен быть в курсе дел своих коллег в других областях знаний. Как физики мы с помощью оптических и спектральных методов изучаем и отбираем новые фотосенсибилизаторы. Это такие молекулы, которые чувствительны к свету, их используют для проведения флуоресцентной диагностики или фотодинамической терапии. Совместно с микробиологами подбираем режимы облучения для борьбы с патогенной микрофлорой. А также мы разрабатываем светодиодные облучатели как для исследований в лаборатории, так и для клинического применения.

Расскажите, пожалуйста, о предмете вашего курса.

— За мной закреплено две дисциплины. Это «История и методология физики», эту дисциплину мы реализуем совместно с преподавателем кафедры №88 Анастасией Андреевной Фроней. Это в большей мере теоретический курс. А также частично веду производственную практику (научно-исследовательскую работу). Считаю, что эти дисциплины неразрывно связаны друг с другом. Например, в рамках проведения научно-исследовательской работы студенты учатся работать на реальном оборудовании: это конфокальный микроскоп, спектрометры, флуоресцентная видеосистема, рамановский спектрометр, разного рода источники лазерного излучения. Оборудование подбирается непосредственно под поставленную задачу, в ходе работ студент учится не только получать данные, но и критически их оценивать и обрабатывать для достижения поставленных результатов. Я рада, что в рамках базовой кафедры у нас есть возможность работать на высококлассном оборудовании и решать прикладные задачи.

В рамках какой образовательной программы преподается ваш курс?

— Курс «История и методология физики» реализуется в рамках программы «Биомедицинская фотоника» и «Перспективные полупроводниковые лазеры и технологии».

На каком году обучения студенты с ним знакомятся?

— Знакомятся в первом семестре первого курса магистратуры, а практика начинается со второго семестра первого года обучения.

Какие компетенции получают студенты после прохождения вашего курса?

— Студенты учатся работать с литературой и анализировать зарубежные статьи, грамотно выстраивать доклады для презентаций, и что кажется важным в наше время, – работать в команде. Курс построен таким образом: мы разбираем на реальных исторических примерах приемы и методы, которые могут пригодиться любому экспериментатору. Знакомимся с людьми, воплотившими в реальность идеи микроскопии, электромагнетизма и квантовой теории.

Как эти компетенции применяются в процессе трудовой деятельности?

— Это основные экспериментальные методы в спектроскопии и оптике. Какие возможности микроскопии есть на данный момент и для каких образцов можно использовать эту методику. Также мы обсуждаем нюансы постановки эксперимента. Мне кажется, это самое главное в реализуемой дисциплине, потому что этот навык передается сейчас из уст в уста от научного руководителя к его подопечным.

В каких сферах, кроме работы по специальности, можно будет применить компетенции, полученные на вашем курсе?

— Думаю, все софт-скиллс, которые мы тренируем в рамках этого курса пригодятся в любой современной работе. Мы все должны уметь выделять главное и правильно презентовать результаты своей деятельности. А также всем нам необходимо эффективно взаимодействовать с людьми, с членами команды в рамках проекта или задачи.

Могли бы дать какой-нибудь совет студентам и абитуриентам?

— Отвечу в рамках своей специализации: учение - свет. Как преподаватель рекомендую задавать вопросы, если что-то вам было непонятно: будь то вопросы по существу или организационные моменты. Преподаватели тоже заинтересованы решить их быстро, а главное - совместно со студентами. Открою вам страшную тайну: мы тоже учимся вместе с вами, а порой даже и у вас. Поэтому я надеюсь, что у нас получится создать на время учебы любознательный тандем.

Интервью с преподавателем: Анастасия Фроня

2024-03-09T22:41:45.230Z

Стоматолог, офтальмолог, хирург и онколог. Нет, это не направление на медосмотр. Именно эти специалисты чаще всего используют в своей работе лазеры. Но кто создает и изобретает лазеры для медицинских применений? Сегодня мы решили взять интервью у Анастасии Фроня. Человека, который на своих курсах рассказывает о том, как создавались современные лазеры, какие технологии лежат в их основе и как сделать то, что нужно медицине сейчас.

Добрый день! Расскажите, пожалуйста, о себе.

— Добрый день! Меня зовут Фроня Анастасия Андреевна, я доцент кафедры №88 «Полупроводниковая квантовая электроника и биофотоника». Работаю на кафедре с момента ее создания в 2013 году. Являюсь менеджером программы магистратуры «Перспективные полупроводниковые лазеры и технологии».

Вы ведете научную деятельность помимо преподавательской работы?

— На кафедре научная деятельность идет рука об руку с преподаванием. Фактически все преподаватели кафедры являются действующими научными исследователями, и я в том числе.

Расскажите подробнее об области своей работы.

— Область моих научных интересов это фотоника, взаимодействие лазерного излучения с веществом, наноматериалы. В настоящее время научная группа, в которую я вхожу, работает над несколькими крупными задачами. Например, мы изучаем процессы взаимодействия лазерного излучения с пористыми полупроводниковыми наноматериалами, как влияют параметры пористого наноматериала на процессы абляции. Группа матмоделирования обсчитывает эти задачи с теоретической точки зрения, а наша группа проводит эксперимент, дальше идет сравнение полученных данных. Другая задача, над которой мы работаем, это взаимодействие излучения с биообъектами. В частности, исследуем возможности инактивации коронавирусов оптическим излучением, безопасным для человека, изучаем процессы фотоинактивации, их механизмы и эффективность.

Расскажите, пожалуйста, о вашей преподавательской деятельности.

— Моя преподавательская деятельность связана с программой магистратуры «Перспективные полупроводниковые лазеры и технологии». В рамках этой программы я читаю несколько курсов: «Фотоника», «Квантовая электроника», «История и методология физики».

История физики, в частности, история развития квантовой электроники (лазерной физики) – одно из моих увлечений. Я собираю книги и фильмы о выдающихся ученых. И на дисциплине «История и методология физики» мы со студентами рассматриваем современные лазерные системы и устройства в ретроспективе их изобретения, создания, развития, изучаем биографии выдающихся физиков и их вклад в развитие современной лазерной физики, например, Н.Г. Басова, Ж.И. Алферова.

Дисциплины «Фотоника», «Квантовая электроника» являются базовыми, преподаются на 1 курсе магистратуры, сочетают в себе как теоретические, так и практические занятия. На занятиях студенты изучают физические основы формирования, распространения, преобразования лазерного излучения. Подробно рассматриваются основные элементы лазера, приводится качественное и количественное описание процессов генерации лазерного излучения, разбираются основные виды лазеров, виды активных сред, виды резонаторов, типы накачки.

Какие компетенции получают студенты после прохождения вашего курса?

— По результатам изучения базовых курсов студенты получают знания и практические навыки по решению задач фотоники для создания и расчета устройств на основе лазеров, представления о современных лазерах, их характеристиках, потенциальных областях применения.

Программа нацелена на подготовку научных, инженерно-технических и управленческих кадров в области полупроводниковых лазеров и технологий на их основе. И здесь базовые знания по лазерной физике формируют каркас, который в дальнейшем «обрастает» более углубленными знаниями в соответствии со спецификой дальнейшей работы.

В каких сферах, кроме работы по специальности можно будет применить компетенции, полученные на вашем курсе?

— Лазерные источники излучения сейчас очень широко применяются как в промышленности, медицине, науке, так и в повседневной жизни. Например, в сканерах штрих кодов используется лазерный диод – миниатюрный полупроводниковый лазер, излучающий в красном оптическом диапазоне. И крайне важно знать технику безопасности при использовании лазерных источников, и это обязательная составляющая дисциплин.

Могли бы вы дать какой-нибудь совет студентам и абитуриентам?

— Мы живем в интенсивно меняющемся мире, время от формирования новых знаний до внедрения технологии в жизнь очень быстро сокращается. Я желаю всем научиться получать новые знания, исследовать неизведанное, постоянно развиваться самому и совершенствовать окружающий мир, верить в себя.

Интервью с преподавателем: Александра Далечина

2024-03-03T23:07:14.699Z

Что объединяет физику ионизирующего излучения, искусственный интеллект и виртуальную реальность? Все это, и не только – составляющие курсов Александры Далечиной, доцента кафедры медицинской физики. О науке, практике и пути к важной и благородной цели – помощи пациенту – в сегодняшнем интервью.

Добрый день! Расскажите, пожалуйста, о себе.

— Добрый день. Меня зовут Александра Владимировна Далечина, я медицинский физик, кандидат физико-математических наук и доцент кафедры «Медицинская физика». Преподаю такие курсы как дозиметрия ионизирующих излучений, дозиметрическое планирование лучевой терапии, физика лучевой терапии.

Вы ведете научную деятельность помимо преподавательской работы?

— Да, помимо преподавания я также веду научную деятельность.

Расскажите подробнее об области своей работы.

— За более чем 10-летний стаж в профессии мои научные исследования были связаны с разработкой методов дозиметрических расчетов в лучевой терапии, основанных на методе Монте-Карло, дозиметрией и гарантией качества на радиохирургических системах Кибер-нож и Гамма-нож. На данный момент вместе с моими коллегами и студентами мы занимаемся исследованиями в области применения методов искусственного интеллекта в лучевой терапии.

Расскажите, пожалуйста, о предметах ваших курсов.

— На лекциях и практических занятиях студенты изучают основы дозиметрии ионизирующих излучений, знакомятся с необходимым дозиметрическим оборудованием, которое используется в отделениях лучевой терапии.

Курс по планированию лучевой терапии посвящен алгоритмам и методам расчета дозы, методам оптимизации, важнейшим аспектам программы по гарантии качества в лучевой терапии.

Они являются практическими или теоретическими?

— Курсы являются и теоретическими, и практическими. Без понимания теории невозможно приступить к практическим занятиям. Моя задача, как преподавателя, показать, как то, что мы обсудили на лекциях, применяется ежедневно в работе медицинского физика в клинике. В рамках практической части мы используем платформу виртуальной реальности VERT, моделирующую реальный кабинет лучевой терапии. Благодаря трехмерной визуализации линейного ускорителя, анатомии пациента и плана лечения практические занятия становятся полностью интерактивными и обеспечивают возможность реализации различных клинических сценариев.

В рамках какой образовательной программы преподаются ваши курсы?

— В рамках программ магистратуры "Медицинская физика лучевой диагностики и терапии" и "Медицинская физика ядерной медицины", а также в аспирантуре.

На каком году обучения студенты с ним знакомятся?

— На первом и втором году обучения в магистратуре. В программе аспирантуры курс изучается на третьем году обучения.

Какие компетенции получают студенты после прохождения вашего курса?

— Студенты осваивают теоретические и практические аспекты дозиметрии, получают навыки работы с различными типами дозиметров и дозиметрического оборудования, используемого для измерения и мониторинга дозы облучения.

В рамках курса по дозиметрическому планированию студенты получают знания по различным методам расчета дозы, использующимся в современных системах планирования, методикам реализации планов лучевого лечения.

Также важной и необходимой частью при прохождении курсов является изучение российских и зарубежных статей по темам курсов, обсуждение их на занятиях.

Эти компетенции позволяют выпускникам работать медицинскими физиками в клинике, заниматься научной деятельностью

Могли бы вы дать какой-нибудь совет студентам и абитуриентам?

— Конечно же я хочу пожелать и студентам, и абитуриентам успехов в учебе, вдохновения, целеустремленности, настойчивости, достижения целей. Стремитесь к постоянному самосовершенствованию в профессии и не забывайте, что каждый шаг, сделанный на этом пути, приближает вас к достижению очень важной и благородной цели – помощи пациенту.

Интервью с преподавателем: Александр Отченашенко

2024-02-26T14:36:52.669Z

Как применяют технологии искусственного интеллекта в медицине? Об этом рассказывает наш аспирант и победитель конкурса «Молодой преподаватель НИЯУ МИФИ» – Александр Отченашенко. С ним и его курсом по машинному обучению знакомы или скоро познакомятся все студенты программы «Высокотехнологичные диагностические системы». О том, как строится его уникальный курс и как он сам в своих проектах применяет технологии компьютерного зрения в медицине – читайте в интервью

Добрый день! Расскажите, пожалуйста, о себе.

— Добрый день! Меня зовут Александр Отченашенко, я аспирант и ассистент кафедры компьютерных медицинских систем. Специализируюсь в области компьютерного зрения в медицине и стремлюсь внести свой вклад в развитие искусственного интеллекта в медицине.

Вы ведете научную деятельность помимо преподавательской работы?

— Да, помимо преподавательской деятельности я также занимаюсь научными исследованиями. Это позволяет мне не только расширять собственные знания, но и делиться последними достижениями в данной области с моими студентами.

Расскажите подробнее об области своей работы.

— Моя научная деятельность сосредоточена в области компьютерного зрения в медицине, где я изучаю нейросетевые технологии применительно к онкодерматологии. Эти исследования направлены на помощь врачам в диагностике новообразований кожи.

Расскажите, пожалуйста, о предмете вашего курса.

— Мой курс называется «Основы машинного обучения». В его рамках мы погружаемся в изучение теоретических основ машинного обучения и его практическое применение в решении реальных задач, особенно акцентируя внимание на обработке данных, нейронных сетях и алгоритмах машинного обучения. Этот курс дает студентам глубокое понимание механизмов работы машинного обучения и его приложений.

Он является практическим или теоретическим?

— Курс является практическим, что обеспечивает студентам необходимые навыки для работы с реальными данными, разработки и тестирования моделей машинного обучения, что крайне важно для их будущей карьеры в области данных, искусственного интеллекта и разработки программного обеспечения.

В рамках какой образовательной программы и на каком году обучения преподается ваш курс?

— Этот курс преподается в рамках направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» образовательной программы «Высокотехнологичные диагностические системы», направленной на подготовку специалистов в области разработки и применения современных биомедицинских технологий, включая искусственный интеллект в медицине. Студенты знакомятся с курсом на 4-м году обучения, когда они уже имеют достаточные знания в области информатики, программирования и биомедицины, что позволяет им успешно осваивать более сложные дисциплины, такие как машинное обучение.

Какие компетенции получают студенты после прохождения вашего курса?

— После прохождения курса студенты получают компетенции в области разработки и применения моделей машинного обучения, анализа данных и компьютерного зрения, что необходимо для работы в сфере биомедицинской инженерии, исследований и разработки медицинских приложений.

Как эти компетенции применяются в процессе трудовой деятельности?

— Эти компетенции находят прямое применение в процессе трудовой деятельности при создании систем поддержки принятия решений для врачей, разработке диагностических инструментов на основе искусственного интеллекта и анализе медицинских данных.

— Полученные на курсе компетенции могут быть применены не только в медицине, но и в других сферах, где требуется анализ данных и применение машинного обучения. Включая, но не ограничиваясь ими, финансы, ритейл и исследования пользовательского опыта. Это делает подготовку студентов максимально универсальной и востребованной на рынке труда.

Могли бы вы дать какой-нибудь совет студентам и абитуриентам?

— Мой совет студентам и абитуриентам – не останавливайтесь на достигнутом, постоянно расширяйте свои горизонты и ищите новые возможности для обучения и самосовершенствования. Особенно важно уделять внимание практическим навыкам и работе над реальными проектами, так как это позволяет лучше понять и применить теоретические знания на практике. Не бойтесь браться за сложные задачи и экспериментировать – так вы сможете открыть для себя новые направления в науке и технологиях.

Интервью с преподавателем: Наталья Шилова

2024-02-19T01:44:28.953Z

А вы знали, что большинство лекарств, которыми мы пользуемся, имеют в своей основе растительные компоненты? Начиная от аспирина и заканчивая некоторыми противоопухолевыми препаратами. До сих пор при разработке лекарств мы опираемся на существующие в природе биохимические процессы. И наши студенты, проходящие обучение на кафедре промышленной фармации, знакомятся с ними в рамках курсов Натальи Владимировны Шиловой. Об этих курсах и ее научной работе читайте в интервью.

Добрый день! Расскажите, пожалуйста, о себе.

— Шилова Наталья Владимировна, кандидат медицинских наук по специальности Фармакология, клиническая фармакология. Окончила Сибирский медицинский университет и в НИИ фармакологии ТНЦ СО РАМН защитила диссертацию по противоопухолевой активности растительных экстрактов.

Вы ведете научную деятельность помимо преподавательской работы?

— Обязательно! Предметом моих научных интересов является фармакология в репродуктологии и все стороны взаимодействия фармагентов и женского организма. Кроме того, мне интересно, что может улучшить результативность криопротокола во вспомогательных репродуктивных технологиях. Это крайне актуальное направление сегодняшней медицины, учитывая растущее число протоколов ЭКО.

Расскажите, пожалуйста, о предмете вашего курса.

— Читаю 2 курса: «Биохимия» и «Фармакология и основы физиологии». Обе эти дисциплины, как мне кажется, нашей кафедре удалось сделать интересными для производственников.

Они являются практическими или теоретическими?

— Мы не проводим лабораторных работ, но разбираем ситуационные задачи, так что вероятно будет справедливыми сказать, что оба курса – дисциплины смешанного типа.

В рамках какой образовательной программы преподаются ваши курсы?

— «Химическая технология лекарственных средств».

На каком году обучения студенты с ними знакомятся?

— Обе дисциплины студенты изучают в течение 1 года магистратуры.

Какие компетенции получают студенты после прохождения ваших курсов?

— Они понимают, какой потенциал в разработке лекарств у ресурсов биологического происхождения. Умеют определить перспективу развития фармрынка и его актуальных сегментов. Знают механизмы действия и номенклатуру лекарств и готовы применять эти знания в производстве как оригинальных, так и воспроизведенных препаратов.

Как эти компетенции применяются в процессе трудовой деятельности?

— Знание биохимии и фармакологии применимо в целях разработки, выбора методов детекции веществ, а также в деле регистрации препаратов, в работе над досье препарата.

В каких сферах, кроме работы по специальности, можно будет применить компетенции, полученные на ваших курсах?

— Прежде всего, в личной жизни. Ведь биохимия – это основа правильного питания, а значит профилактики заболеваний. А фармакология нужна по определению, ведь мало кому удается избежать приема лекарств. Хотя, безусловно, назначать их должен врач, понимать назначения тоже полезно!

Могли бы вы дать какой-нибудь совет студентам и абитуриентам?

— Главный совет – будьте смелыми и любознательными! Больше читайте, развивайте коммуникативные навыки и управляйте своим временем! Учиться у нас невероятно интересно и хочется пожелать, чтоб Вы успели максимально много за годы, проведенные с нами!

Что такое биопринтинг?

2024-02-17T15:17:12.960Z

Как напечатать искусственное сердце? Можно ли уже сегодня использовать технологию 3D-печати органов в хирургии?

Еще недавно печать живых органов на 3D-принтере была чем-то из области научной фантастики. Сейчас же биопринтинг – одно из перспективных направлений исследований, которым занимаются, в том числе, и в России. Что же изменилось?

В классической медицине, начиная с 20-го века, применялись три класса материалов: металлы, керамика и полимеры. Такие материалы используются, например, для изготовления всевозможных протезов и имплантов, позволяющих улучшить жизнь человеку. Но этого оказалось недостаточно.

В первую очередь, создание импланта – это очень сложный и высокотехнологичный процесс. Главная проблема – подбор материалов, которые не должны окисляться, вступать в конфликт с окружающими живыми тканями организма и не будут отторгаться. Но металл, в лучшем случае, биоинертен и не поддерживает рост тканей, а иногда и препятствует ему.

Кроме того, имплант еще должен иметь очень сложную структуру. Давайте рассмотрим кость. Например, для замены ключицы, как самой часто ломающейся кости в теле человека, необходимо не только подобрать материал, но и полностью повторить её структуру. Поскольку внутри полостей ключицы содержится губчатое вещество, то и искусственную кость необходимо дополнить естественным внутренним содержимым. Чтобы иммунная система приняла имплантат как родной, клетки тканей должны адгезироваться – закрепиться в комфортных для себя условиях. Тогда они будут делиться.

Все это делает изготовление искусственного импланта сложной и дорогостоящей задачей. Поэтому ученые разработали абсолютно новый подход к решению данного вопроса – 3D-биопринтинг.

Смысл такой: пациент отдаёт немного своей ткани, далее из неё методом последовательной обработки клеток получаются необходимые конструкционные элементы. После чего создаётся трёхмерная модель органа, посылается на 3D-принтер. Устройство использует специфические биочернила на основе клеток, синтезированных из взятого генного материала у человека. Умный принтер понимает, в какую точку трехмерного пространства ему необходимо «уложить» очередной кирпичик - конкретный тип клетки.

В результате такой печати появляется тканевый конструкт, который помещают в специальную питательную среду, чтобы не начались проблемы с гипоксией и отмиранием напечатанных клеток ткани. Далее в биореакторе он «созревает». После чего орган можно трансплантировать пациенту.

Современная технология позволяет решать задачи различного уровня. Так в 2014 году ученые из Великобритании разработали технологию биопечати, которая позволяет создать искусственный костный протез в точной форме требуемой кости, используя биосовместимый материал, который является одновременно долговечным и регенеративным.

Летом 2014 года под руководством Владимира Миронова был создан первый российский биопринтер оригинальной конструкции и дизайна. С его помощью в 2015 году впервые в истории был напечатан и затем успешно пересажен функционирующий орган – щитовидная железа мыши. Было показано, что напечатанный орган не просто повторяет морфологию, но и способен выполнять функции щитовидной железы.

В 2015 году ученые в Швейцарии разработали технологию, позволяющую печатать хрящи. Полноразмерный имплантат человеческого носа может быть создан менее чем за 20 минут. Исследователи считают, что любой хрящевой имплантат может быть изготовлен по такой методике.

В 2016 научная группа из США использовала 3D-биопечать для создания кровеносных сосудов. Уникальность исследования заключалась в том, что материалы, созданные при помощи таких принтеров, позволяли маленьким кровеносным сосудам развиваться в дальнейшем самостоятельно.

В 2020 году ученые из США и Канады разработали принтер, позволяющий печатать клетки кожи непосредственно для лечения ран и ожоговых поражений.

Пока не удается напечатать полноценно работающий человеческий орган, и работа в этом направлении ведется в лабораториях по всему миру, в том числе и в России.

На базе Центра трехмерной биопечати Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ под руководством ведущего российского ученого-биоинженера Владимира Миронова ведутся исследования по возможности печатать живые ткани прямо в операционном блоке.

Сегодня ученые решают задачу непосредственно в больнице восстанавливать поврежденные ткани или целые органы пациента. Такая технология ускорит процесс выздоровления, избавит людей от поисков доноров органов, а также позволит избежать неоправданных летальных исходов.

Еще одна амбициозная задача, стоящая перед мировым научным сообществом, – напечатать функционирующее человеческое сердце. Несмотря на кажущуюся сложность, весьма вероятно, что именно этот орган будет напечатан одним из первых. Повторить его устройство гораздо проще, нежели, например, почек или печени, поскольку в последних протекают сложные биохимические реакции, а сердце выполняет, по большей части, механическую работу.

Существуют и функциональные препятствия, которые ученым еще предстоит преодолеть. Например, для биопринтинга ученые берут из организма клетки, которые затем делятся для последующего создания основы. Однако у клеток есть предел деления, после которого они уже непригодны для использования.

Биопринтинг – очень молодое и многообещающее направление, и исследователям в этой области еще предстоит разрешить огромное количество сложных и нетривиальных вопросов, правильного ответа на которые никто не знает. И каждый из вас, кто сейчас поступает в вузы, стремится в науку, может принять личное участие в его развитии!

Интервью с преподавателем: Алла Генералова

2024-02-12T12:46:41.594Z

Наноматериалы – не только одно из основных направлений исследований в ИФИБ, но и то, что окружает нас в повседневной жизни. Они повсюду: от технологий таргетной доставки лекарств до парфюмерии. В ИФИБ знакомит студентов с этой темой профессор, доктор химических наук Алла Николаевна Генералова. О ее курсе и научной работе читайте в интервью.

Добрый день! Расскажите, пожалуйста, о себе.

— Добрый день! Меня зовут Генералова Алла Николаевна, профессор, доктор химических наук. Я читаю курс лекций по основам химической модификации наноматериалов. Акцент этого курса сделан на такую модификацию поверхности, которая позволила бы применять наночастицы в биомедицине.

Вы ведете научную деятельность помимо преподавательской работы?

— Да. Я работаю в Институте биоорганической химии, где возглавляю лабораторию полимеров для биологии

Расскажите подробнее об области своей работы.

— Как видно из названия нашей лаборатории, область моих научных интересов включает полимеры, представляющие интерес для биомедицины. В настоящий момент основное направление деятельности связано с использованием полимеров для функционализации поверхности неорганических наночастиц, в частности, наночастиц с антистоксовой флуоресценцией. Под функционализацией подразумевается не только введение реакционноспособных функциональных групп, но и получение покрытий, обладающих особыми свойствами. Такими как гидрофильность, стимул-чувствительность, низкая адгезия к белкам крови, возможность инкапсуляции лекарственных препаратов и других типов наночастиц и др. Последние два свойства необходимо учитывать при создании нанореагентов в in vivo исследованиях. Кроме того, мы ведем активные работы в области тканевой инженерии, связанные с получением полимерных матриц, так называемых «скаффолдов», в качестве носителей клеток для регенерации утраченных тканей. Такие «скаффолды» представляют собой гидрогели, полученные из природных (хитозан, гиалуроновая кислота и др.) или синтетических (полиэтиленгиколи и др.) полимеров за счет нековалентных взаимодействий или при облучении светом из УФ- и ИК-диапазона.

Расскажите, пожалуйста, о предмете вашего курса.

— Курс подготовлен с учетом моего многолетнего опыта работы с различными типами наночастиц и с использованием литературных источников последних лет, включая такие журналы как Nature group, Advanced Materials, ACS Nano.

Предмет моего курса – изучение подходов к модификации поверхности как органических, так и неорганических наночастиц. Органические наночастицы классифицируются по способу получения:

1. из природных и синтетических полимеров;

2. наночастицы, которые синтезируют из мономеров.

Отдельно рассматриваются наноматериалы из углерода, которые получают в виде графита, фуллеренов, нанотрубок, графена, наноалмазов, фотолюминесцентных углеродных точек. Переходными к неорганическим материалам являются наноматериалы на основе кремния. Широкий спектр неорганических наноматериалов представлен наночастицами на основе благородных металлов (золото, серебро), оксидов металлов (Zn, Ti, Fe), а также фотолюминесцентными квантовыми точками и апконвертирующими наночастицами. Каждый тип наночастиц рассматривается по одной схеме: свойства, методы получения, способы модификации, применение.

Главной особенностью наночастиц является наличие высокоразвитой поверхности, а это влечет за собой избыток поверхностной энергии, который наночастицы стремятся снизить за счет агрегации (т.е. за счет уменьшения площади поверхности). В результате в системе будут присутствовать не наночастицы, а их агрегаты, свойства которых будут в корне отличаться от индивидуальных наночастиц. Отсюда вытекает основная цель курса – изучить подходы к получению дисперсий агрегативно-устойчивых наночастиц в среде электролитов, которые входят в состав биологических жидкостей. Эти подходы базируются на теоретических основах коллоидной химии, которые в кратком виде разбираются на первых двух лекциях.

Он является практическим или теоретическим?

— Трудно дать однозначный ответ, потому что в нем рассматриваются причины нестабильности дисперсий наночастиц с теоретической точки зрения, а способы стабилизации и функционализации уже имеют практическое значение. Кроме того, проводятся лабораторные работы, где студенты познают основы работы с наночастицами и способами их модификации.

В рамках какой образовательной программы и на каком году обучения преподается ваш курс?

— В рамках образовательной программы Бионанотехнологии. Студенты знакомятся с этим курсом в первом семестре на 4-ом году обучения.

Какие компетенции получают студенты после прохождения вашего курса?

— Прежде всего, студенты учатся применять базовые принципы коллоидной химии для получения дисперсий наночастиц, с которыми можно уже проводить in vitro и in vivo эксперименты. Получают представление о многообразии наночастиц, способах их получения и модификации, что позволит в будущем выбирать самый оптимальный их тип для решения поставленных задач. Представленные в курсе полимеры, низкомолекулярные соединения, биологические молекулы входят в базу основных молекул-модификаторов поверхности наночастиц, которой необходимо владеть, особенно на первом этапе работы с новым типом наночастиц при выборе способа модификации. Студенты осваивают основные методы работы с наночастицами и знакомятся с приборным парком для их характеризации.

— Вся наша бытовая и профессиональная деятельность связана с наночастицами. Приведу только несколько примеров. Парфюмерная промышленность, где практически все продукты представляют собой дисперсии или эмульсии наночастиц. Пищевая промышленность, где используются наночастицы в качестве добавок или сами продукты представлены в виде эмульсий (например, молоко). Лакокрасочная промышленность и производство резиновых изделий. Важную роль в медицине играют наночастицы в качестве диагностических препаратов, антибактериальных средств, покрытий и т.д. В оптике, катализе, сенсорах также активно используются наночастицы. Это только малая часть областей применения, которая постоянно расширяется.

Могли бы вы дать какой-нибудь совет студентам и абитуриентам?

— В советское время был плакат с фразой Ф.Бэкона «Знание-сила». В этом лаконичном выражении скрыт очень глубокий смысл: тот кто владеет знаниями, действительно способен идти «впереди планеты всей», он всегда находится в поиске ответов на вопросы, расширяет свои горизонты и всегда на пути к инновациям. Это, конечно, достаточно тяжелый путь, который требует кропотливой работы, но удовлетворение от результата (пусть и незначительного на первых порах) делает жизнь наполненной и позволяет достигать высоких целей.

Интервью с преподавателем: Владимир Макаров

2024-02-02T16:46:56.925Z

Что скрывается за словом «биоспектроскопия» и как можно лечить светом? Об этом в ИФИБ не просто знают, но и читают курсы. Наш сегодняшний гость – Владимир Макаров, доцент кафедры «Лазерные микро-нано и биотехнологии» – читает два курса по этой теме для наших магистрантов. Хотите узнать, как нам удалось поставить свет на службу медицине? Тогда читайте интервью!

Добрый день! Расскажите, пожалуйста, о себе.

— Здравствуйте! Меня зовут Владимир Макаров, мне 33 года, я доцент кафедры № 87 «Лазерные микро-нано и биотехнологии». Преподаю на кафедре с 2020 года, сначала работал в должности ассистента кафедры, с 2022 года перешел на должность доцента. В настоящий момент читаю два курса лекций и практических занятий: «Нанофотосенсибилизаторы для тераностики» и «Флуоресцентная диагностика и фотодинамическая терапия».

Вы ведете научную деятельность помимо преподавательской работы?

— Да, с 2010 года я работаю в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН в лаборатории лазерной биоспектроскопии, сейчас на должности научного сотрудника. Как раз на базе этой лаборатории и была создана кафедра № 87 «Лазерные микро-нано и биотехнологии». В лабораторию я пришел еще будучи студентом 4-го курса. Научно-исследовательская работа, которую я выполнял в то время, легла в основу моей дипломной работы. Далее были аспирантура и защита кандидатской диссертации в 2019 году. Собственно говоря, защита диссертации и позволила мне устроиться на кафедру в МИФИ преподавателем.

Расскажите подробнее об области своей работы.

— Наш институт благодаря Александру Михайловичу Прохорову занимается исследованиями в области лазерных технологий. Если внимательно посмотреть на названия курсов, которые я преподаю в МИФИ, можно понять, что моя работа связана с применением света в медицине как для диагностики, так и для лечения. Собственно, модное сегодня слово тераностика является совмещением слов терапия и диагностика. То есть один тераностический метод позволяет проводить одновременно и диагностику, и терапию. Например, флуоресцентная диагностика и фотодинамическая терапия – это методы фототераностики.

Это если в целом. Если более конкретно, то в нашей лаборатории мы исследуем сложные, но очень интересные процессы взаимодействия фоточувствительных веществ – фотосенсибилизаторов, оптического излучения и живых объектов. Начиная от отдельных клеток и заканчивая человеческим организмом. В качестве диагностического метода мы используем спектроскопию – это и спектроскопия обратного рассеяния, и флуоресцентная спектроскопия с временным разрешением, и спектроскопия поглощения и рассеяния, и спектроскопия комбинационного рассеяния, а также другие спектрометрические методы. Сочетания этих методов позволяет получать очень широкую информацию о живых клетках и тканях. Скорость клеточного метаболизма, тип клеточного дыхания, снабжение тканей кислородом, наличие или отсутствие опухолевых, а также иммунных клеток – все это можно «вытащить» при помощи лазерной спектроскопии!

Также мы работаем практически со всеми ведущими онкоцентрами и медицинскими институтами Москвы. Дело в том, что в 2013 году вышел приказ, что все онкоцентры федерального уровня должны быть оснащены кабинетами для проведения флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии. Вот мы и помогаем нашим дорогим врачам разбираться во всех тонкостях этих подходов, ездим в клиники на плановые операции, проводим измерения, обучаем врачей методам фототераностики.

Расскажите, пожалуйста, о предмете вашего курса.

— Ну, про курс «Флуоресцентная диагностика и фотодинамическая терапия» я уже многое рассказал, отвечая на предыдущий вопрос. Но если более конкретно, то мы изучаем основные принципы и механизмы, методы и подходы для применения этих методов в реальной практике. Рассматриваем основные виды фотосенсибилизаторов, применяющихся сегодня в клинической практике, изучаем их характеристики, знакомимся с аппаратурой, которая позволяет проводить такие процедуры, учимся анализировать и обсчитывать полученные данные, а также изучаем границы применимости этих методов.

Что касается курса «Нанофотосенсибилизаторы для тераностики», то здесь важно знать, что в настоящее время наночастицы в клинической практике можно использовать очень ограниченно. Хотя исследования применения различных наноматериалов в медицине проводятся уже довольно давно и вполне успешно, в силу большой сложности внедрения новых методов в клиническую практику, они в большинстве своем находятся на стадиях клинических исследований. Преимущества нанофотосенсибилизаторов заключается в том, что они по многим параметрам – например, таким как избирательность накопления в целевой ткани, – могут существенно превосходить клинически разрешенные фотосенсибилизаторы.

В течение курса мы изучаем типы нанофотосенсибилизаторов, методы их синтеза и характеризации по различным параметрам, изучаем мировой опыт применения нанофотосенсибилизаторов для тех или иных задач.

Он является практическим или теоретическим?

— Часть курса теоретическая, где я рассказываю об основных методах и подходах, применяемых в данной области науки и принятых во всем мире. Другая часть – практическая, где студенты на конкретных примерах изучают применение данных методов и подходов в реальных исследованиях. Например, решают задачу приготовления коллоидных растворов наночастиц с заданными параметрами размеров и концентраций. Или определяют неизвестную массовую концентрацию наночастиц в коллоиде спектроскопическими методами: это можно сделать, измерив поглощение на определенной длине волны с учетом рассеяния, а также по флуоресцентным характеристикам коллоида. Узнают, как при помощи динамического рассеяния света или микроскопии определять размеры наночастиц в коллоиде. Также для понимания, какой необходимо использовать источник излучения для лазерного воздействия, методами спектрофотометрии характеризуют нанофотосенсибилизаторы по поглощению и рассеянию, и многое другое.

В рамках какой образовательной программы преподается ваш курс?

— В рамках программы «Биомедицинская фотоника» и «Биомедицинские нанотехнологии».

На каком году обучения студенты с ним знакомятся?

— В рамках программы «Биомедицинская фотоника» – на втором курсе магистратуры, а в рамках программы «Биомедицинские нанотехнологии» – на первом, тоже магистратуры.

Какие компетенции получают студенты после прохождения вашего курса?

— Так как мы знакомимся с основными методами лазерных спектроскопических исследований применительно к биообъектам, то студенты приобретают навыки анализа спектров различного типа, узнают, какими способами можно доставить свет к биологическим тканям и что при помощи этого можно сделать.

Как эти компетенции применяются в процессе трудовой деятельности?

— Если вы обладаете базисом знаний, необходимых для проведения научных исследований, и широким научным кругозором, то достичь успешного результата в задаче, поставленной, например, научным руководителем, будет несомненно проще. Также при взаимодействии с врачами в клинике часто возникают непредвиденные или неоднозначные ситуации, поэтому правильный и грамотный подход к проведению измерений является краеугольным камнем для достижения успешного результата.

— Отвечу цитатой М.В. Ломоносова: «Из наблюдений устанавливать теорию, через теорию исправлять наблюдения есть лучший всех способ к отысканию правды»

Могли бы вы дать какой-нибудь совет студентам и абитуриентам?

— Не бойтесь задавать вопросы, если что-то непонятно или просто интересно. Мы с радостью постараемся на них ответить. Если какая-то тема вас заинтересовала, лучше сразу спросить у преподавателя, можно ли вести научно-исследовательскую работу по этой теме. Преподаватель обязательно посоветует, куда и к кому обратиться!