Конкурс научных работ 2012 года

Характеризация клеток крови

В.П.Мальцев, М.А.Юркин, А.Е.Москаленский, А.И.Конохова, А.В.Чернышев,
Д.И.Строкотов, К.В.Гилев, Г.А.Цветовская¹, Е.Д.Чикова¹,
A.Hoekstra², Н.Б.Рубцов³, D. van Bockstaele⁴, Е.Еремина⁵

¹ ИХБФМ СО РАН
² Университет г. Амстердам (Нидерланды)
³ ИЦиГ СО РАН
⁴ Esoterix, Бельгия
⁵ Университет г. Бремен (Германия)

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Авторы представляют для участия в конкурсе цикл работ, в результате выполнения которых были созданы принципиально новые возможности измерения характеристик клеток крови. Новые возможности связаны с увеличением точности измеряемых характеристик и обеспечением высокой статистической достоверности в характеризации клеточных популяций. Созданные методы способны измерять малые отклонения в характеристиках клеток крови, связанные с особенностями функционирования клеток в организме, что потенциально способствует выявлению отклонений в функции клеток на ранних стадиях возникновения заболеваний.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

В предложенном цикле работ решена задача характеризации нескольких видов клеток крови с использованием самых современных инструментальных и математических методов. В частности, впервые предоставлена медицинской диагностике полная характеризация мононуклеарных клеток (лимфоциты, моноциты, стволовые клетки) с измерением размерных характеристик клеток точностью в несколько десятков нанометров. Разработан метод характеризации микрочастиц крови по светорассеянию. Созданные методы могут быть использованы в медицинской клинической диагностике для повышения качества и достоверности диагноза различных заболеваний.

3. Используемый подход, его 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.

Реализация МДД в виде программного кода для суперкомпьютеров ADDA использовалась для сравнения возможности МДД и метода дискретных источников при расчете светорассеяния эритроцитами крови. Показано, что ADDA обладает максимальной эффективностью в расчете светорассеяния эритроцитами, а метод дискретных источников может использоваться только для расчетов светорассеяния эритроцитов малого объема [1]. При исследовании светорассеяния лимфоцитами крови авторы создали наиболее информативный и точный метод характеризации мононуклеарных клеток. С помощью данного метода диаметры клетки и ее ядра определяются с точностью в несколько десятков нанометров, что является сверхразрешением для оптических методов. Одновременно с высокой точностью определяется показатель преломления ядра и цитоплазмы клетки. Сохраняется высокая статистическая достоверность характеристик популяции клеток за счет высокой скорости измерения светорассеяния одиночными клетками. Используя высокую точность созданного метода, определены морфологические отличия для Т- и В-лимфоцитов нескольких пациентов. [2]. Результаты исследований светорассеяния лейкоцитами крови человека являются наиболее полными из представленных в настоящее время в научной литературе. Оптические свойства лимфоцитов, моноцитов, нейтрофилов и эозинофилов подробно обсуждаются в главе монографии, изданной в издательстве Wiley [3]. Идентификация микрочастиц крови на фоне высокодисперсных тромбоцитов является актуальной задачей современной гематологии. Используя накопленный опыт в измерении светорассеяния от одиночных частиц крови, удалось решить проблему идентификации микрочастиц. Одновременно была решена обратная задача светорассеяния для микрочастиц. В результате был создан метод идентификации и характеризации микрочастиц с измерением функций распределения по размеру и показателю преломления [4].

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.

6. Вклад авторского коллектива.

Основная экспериментальная работа проводилась на цитометрах в ИХКГ СО РАН. На суперкомпьютере Новосибирского госуниверситета выполнялась большая часть теоретических расчетов по рассеянию эримтроцитами. Исследования с лимфоцитами проводились на смонтированном авторами сканирующем проточном цитометре в клинике университета г. Антверпен (Бельгия). Вклад авторского коллектива в сделанные работы является определяющим.

Список публикаций.

1. Gilev, K.V., Eremina, E., Yurkin, M.A., Maltsev, V.P., Comparison of the discrete dipole approximation and the discrete source method for simulation of light scattering by red blood cells. Opt. Express 18, 5681–5690. 2010.
2. Strokotov, D.I., Yurkin, M.A., Gilev, K.V., van Bockstaele, D.R., Hoekstra, A.G., Rubtsov, N.B., Maltsev, V.P., Is there a difference between T- and B-lymphocyte morphology? J Biomed Opt 14, 064036. 2009.
3. Maltsev, V.P., Hoekstra, A.G., Yurkin, M.A., Optics of White Blood Cells: Optical Models, Simulations, and Experiments, in: Tuchin, V.V. (Ed.), Advanced Optical Flow Cytometry. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, pp. 63–93. 2011.
4. Konokhova, A.I., Yurkin, M.A., Moskalensky, A.E., Chernyshev, A.V., Tsvetovskaya, G.A., Chikova, E.D., Maltsev, V.P. Light-scattering flow cytometry for identification and characterization of blood microparticles. J. Biomed. Opt 17, 057006–1. 2012.