Оптика клеток крови

Авторский коллектив:
В.П.Мальцев (руководитель), М.А.Юркин, Д.И.Строкотов, Д.Ю.Орлова,
Ю.Г.Пичугин, К.А.Семьянов1, М.М.Гридина1, О.Л.Серов1, П.А.Авроров1,
A.Hoekstra2, И.В.Колесникова3, D. van Bockstaele4, А.Н.Швалов5, С.В.Потапов6,
П.А.Тарасов6, А.Е.Жаринов6, И.Г.Скрибунов6, В.И.Мун6

1 ИЦиГ СО РАН
2 Университет г. Амстердам (Нидерланды)
3 ОАО «Вектор-Бест»
4 Esoterix, Бельгия
5 ГНЦ ВБ «Вектор»
6 нет данных
1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Авторы представляют для участия в конкурсе цикл работ, в результате выполнения которых были получены новые уникальные данные об оптических характеристиках всех типов клеток крови. С помощью самых современных экспериментальных и теоретических методов решена проблема адекватного описания взаимодействия лазерного излучения с несферическими и сложно структурированными клетками. Новые знания об оптических свойствах клеток крови должны стать основой и существенно дополнить информативность углубленного общего анализа крови, за счет более тонкой характеризации клеток по параметрам, которые не доступны существующим технологиям.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

. Конкретная задача состоит в получении новой информации об особенностях взаимодействия лазерного излучения с клетками крови, в исследовании оптических свойств и создание адекватных оптических моделей этих клеток, а также в поиске решения обратной задачи светорассеяния для несферических частиц и частиц с внутренней структурой. Без полного понимания особенностей взаимодействия излучения с клетками крови невозможно определить границы использования светорассеяния для их анализа. При этом отличительной чертой такого анализа является экспрессность и низкая стоимость.

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

Для исследования оптических свойств клеток крови были использованы самые современные методы исследования дисперсных систем с поштучным анализом элементов дисперсной фазы на высоких скоростях. Экспериментальной основой проведенных исследований является уникальный сканирующий проточный цитометр, позволяющий анализировать индивидуальные частицы в потоке по сигналам светорассеяния и флуоресценции. Оригинальная технология сканирующей проточной цитометрии создана и развивается авторским коллективом, запатентована в России и в США (http://cyto.kinetics.nsc.ru/CYBILab/patents_rus.html). Для моделирования светорассеяния клетками сложной формы и структуры необходимо использовать наиболее универсальный теоретический подход, улучшая его пользовательские характеристики. В настоящем цикле работ использовался метод дискретных диполей (МДД) в новой высокопроизводительной реализации, созданной членами авторского коллектива. По производительности новая программная реализация метода занимает лидирующие позиции в мире. Так как не существует аналитического решения обратной задачи светорассеяния даже для однородной сферической частицы, то поиск методов решения этой задачи для клеток крови прошел через оригинальные апробации различных методов численного или приближенного решения условно-корректных задач.

4. Полученные результаты и их значимость.

Первое применение новой реализации МДД – это исследование светорассеяния самыми сложными клетками крови, гранулоцитами. Впервые получил теоретическое объяснение экспериментальный факт различия в интенсивности деполяризационного бокового рассеяния между нейтрофилами и эозинофилами [ ]. Предложена оригинальная оптическая модель нейтрофила с гранулами и сегментированным ядром, которая показала хорошее согласие с экспериментом [ , ]. Для тромбоцитов, форма которых приблизительно описывается сплюснутым сфероидом, для решения прямой задачи светорассеяния был использован метод T-матриц и был разработан метод узлового пространства, с помощью которого были определены параметры тромбоцитов по индикатрисам светорассеяния [ ]. Для исследований отклонений формы тромбоцитов от сфероидальной за счёт появления псевдоподий использовался МДД [ ]. Также для определения диаметров клеток крови был использован ранее предложенный спектральный метод. Было показано, что он приводит к адекватным результатам для эритроцитов [ ] и лейкоцитов [ ]. Впервые получено решение обратной задачи светорассеяния для мононуклеарных клеток (лимфоциты и моноциты в крови) с использованием глобальной оптимизации в режиме «мультистарт», моделируя клетку пятислойной сферой [ ]. Поиск решения обратной задачи светорассеяния для этих клеток получил развитие с использованием двухслойной сферы методом глобальной оптимизации и спектральным методом [ ]. Новые знания об особенностях взаимодействия лазерного излучения с лимфоцитами позволили продемонстрировать работоспособность новой методики определения доли подвида лимфоцитов (Т-лимфоцитов) без использования дорогостоящей процедуры измерения с помощью моноклональных антител и флуоресцентных меток [ ].

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Авторский коллектив является единственным в мире, где проводятся систематические исследования оптических свойств клеток крови с использованием светорассеяния. Лидирующий мировой уровень результатов, полученных в ходе выполнения работ, подтверждается одновременным использованием уникального экспериментального оборудования и новейших теоретических методов. Опубликованные работы позволили занять В. Мальцеву место постоянного рецензента статей, представляемых для публикации в ведущие международные оптические журналы и посвященных исследованиям оптических свойств клеток крови. Получено приглашение подготовить обзор по оптике клеток крови от журнала J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer.

6. Вклад авторского коллектива.

Основная экспериментальная работа проводилась на цитометрах в ИХКГ СО РАН. На суперкомпьютере университета г. Амстердам в режиме удаленного доступа выполнялись большая часть теоретических расчетов. Исследования с лимфоцитами проводились на смонтированном авторами сканирующем проточном цитометре в клинике университета г. Антверпен. В ИЦиГ СО РАН проводилась процедура подготовки стволовых клеток для исследования на сканирующем проточном цитометре в ИХКГ СО РАН. В работе принимали участие бывшие сотрудники, аспиранты и студенты ИХКГ СО РАН. Вклад авторского коллектива в сделанные работы является определяющим.

Список прилагаемых статей.
  1. Yurkin M.A., Semyanov K.A., Maltsev V.P., Hoekstra A.G. «Discrimination of granulocyte subtypes from light scattering: theoretical analysis using a granulated sphere model» Opt. Express 15 (2007) 16561-16580.
  2. Orlova D.Y., Yurkin M.A., Hoekstra A.G., Maltsev V.P. «Light scattering by neutrophils: model, simulation, and experiment» J. Biomed. Opt. 13 (2008) 054057.
  3. Д.Ю.Орлова, М.А.Юркин, К.А.Семьянов, В.П.Мальцев «Оптические свойства гранулярных клеток крови: нейтрофилы». Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2, 83-87 (2007)
  4. Kolesnikova I.V., Potapov S.V., Tarasov P.A., Semyanov K.A., Maltsev V.P. «Optics of platelets» Optics of Biological Particles, ed. Hoekstra A.G., Maltsev V.P., Videen G., Springer, London (2006) 247-252.
  5. Kolesnikova I.V., Potapov S.V., Yurkin M.A., Hoekstra A.G., Maltsev V.P., Semyanov K.A. «Determination of volume, shape and refractive index of individual blood platelets» J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 102 (2006) 37-45.
  6. Tarasov P.A., Yurkin M.A., Avrorov P.A., Semyanov K.A., Hoekstra A.G., Maltsev V.P. «Optics of erythrocytes» Optics of Biological Particles, ed. Hoekstra A.G., Maltsev V.P., Videen G., Springer, London (2006) 231-246.
  7. Semyanov K.A., Zharinov A.E., Tarasov P.A., Yurkin M.A., Skribunov I.G., van Bockstaele D.R., Maltsev V.P. «Optics of leucocytes» Optics of Biological Particles, ed. Hoekstra A.G., Maltsev V.P., Videen G., Springer, London (2006) 253-264.
  8. Zharinov A.E., Tarasov P.A., Shvalov A.N., Semyanov K.A., van Bockstaele D.R., Maltsev V.P. «A study of light scattering of mononuclear blood cells with scanning flow cytometry» J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 102 (2006) 121–128.
  9. Д.И.Строкотов, Ю.Г.Пичугин, М.А.Юркин, М.М.Гридина, О.Л.Серов, В.П.Мальцев « Использование решения обратной задачи светорассеяния для характеризации мононуклеарных клеток.» Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2009. Т. 4. № 2. С. 61-68.
  10. Д.И.Строкотов, В.И.Мун, К.А.Семьянов, В.П.Мальцев « Определение доли Т-лимфоцитов в крови по светорассеянию. Вестник Новосибирского государственного университета.» Серия: Физика. 3, 53-58 (2008)