Ученые НГУ получили новое оборудование для автоматизации гистологических исследований

Лаборатория ядерной и инновационной медицины Физического факультета Новосибирского государственного университета получила новое оборудование для цифровизации морфологических исследований и полной автоматизации технологии подготовки тканевых препаратов. Новейшая научная аппаратура, приобретенная НГУ в рамках программы «Приоритет-2030», открывает перед учеными принципиально новые возможности исследований в ряде социально значимых нозологий, таких как нейродегенеративные заболевания и онкологические процессы, позволяя значительно сократить путь от лабораторных этапов до клинического использования инновационных способов ранней диагностики и терапии. 

Теперь Лаборатория ядерной и инновационной медицины обладает несколькими линейками таких приборов. Синтетическая аппаратная серия применяется в конструировании новых форм химических соединений, позволяя существенно повысить эффективность применяемых препаратов, решать вопрос адресности доставки активных комплексов в составе липосом, создавать наночастицы. Это открывает новые перспективы и горизонты использования известных уже бинарных технологий, таких как нейтронзахватная терапия и гипертермия.

— Бинарные технологии известны уже давно, исследования по возможностям их применения, скажем, в онкологической практике проводятся много десятилетий. Однако ввиду отсутствия ранее способов локального воздействия, например, при гипертермии, использовался лишь общий разогрев организма, что весьма травматично и небезопасно для испытуемых. В настоящий момент медицинские возможности и приборная база значительно изменились и позволяют осуществлять терапевтическое термальное воздействие, основанное на иных физических принципах.

При этом решающая роль принадлежит применяемому терапевтическому препарату, его химическим свойствам, возможностям селективного накопления в пораженной ткани, что и определяет в итоге эффективность. Аналогично обстоят дела и с широко звучащими в последние годы перспективами нейтронзахватной терапии опухолей. Именно возможность синтеза такого рода соединений уже в ближайшее время предоставляет новая аппаратная база. Причем имеющееся в распоряжении оборудование потенциально позволяет производить препараты, использование которых дает шанс слить воедино процесс и диагностики, и терапии ряда заболеваний, т.е. войти в сферу так называемой тераностики, — рассказал заведующий Лабораторией ядерной и инновационной медицины НГУ, доцент Владимир Каныгин.  

Сегодня существует большое количество синтезированных соединений с заданными свойствами, однако далеко не каждое из них может быть даже потенциальным кандидатом доклинического этапа испытаний, не говоря уже об использовании в стационарной практике. Ситуация с бинарными методами еще сложнее, поскольку там необходимо оценить эффективность и безопасность как самого препарата, так и аппаратной станции, причем и в изолированном режиме работы, и в режиме синергии, составляющей суть этих методик. По этой причине и синтез соединений с направленными функциональными свойствами, и их дифференцировка — это достаточно сложная и многостадийная задача. Оборудование, имеющееся в лаборатории, позволяет решать ключевой вопрос таргетности, т.е. целевой доставки действующих активных веществ в очаг, как требуется при нейтронзахватной терапии или гипертермии.

— Ранее мы проводили успешные эксперименты по получению веществ, содержащих необходимый носитель – бор, и всевозможные суспензии наночастиц. В настоящий момент известны два таких препарата, которые используются в практике, уже прошли комплексные глубокие исследования и ряд доклинических испытаний. Огромное количество препаратов, описанных в научно-исследовательских статьях, имеют ряд ограничений. Это связано с их физикохимическими и токсическими свойствами. Те подходы, которые мы развиваем и применяем в лаборатории, направлены на устранение этих негативных последствий. Препараты-кандидаты для нейтронзахватной терапии должны обладать высокой биодоступностью, низким токсическим эффектом, высокой способностью к эмуляции в тех областях, которые являются для нас областями интереса, и, обладая перечисленными свойствами, должны достаточно легко выводиться из живого организма после эксперимента. Потенциально к таким препаратам научное сообщество относит наночастицы. У нас есть ряд законченных исследований в данном направлении. В настоящий момент под моим руководством на Физическом факультете НГУ выполняется магистерская работа по синтезу и модификации наночастиц оксида кремния, применимых в гипертермии. Также мы рассматриваем возможности технологий искусственного интеллекта в поиске идеального препарата для нейтронзахватной терапии онкологических патологий, — рассказала старший научный сотрудник, кандидат химических наук Альфия Цыганкова. 

На протяжении ряда лет ученые лаборатории занимаются испытаниями нейтронзахватной терапии на животных – кошках, кроликах и собаках. За основу были взяты модели спонтанных опухолей. Особей, задействованных в исследованиях, выявляли в сотрудничестве с ветеринарными врачами, активно участвовавшими в отборе четвероногих пациентов, по определенным параметрам, соответствовавшим запросу ученых. Для диагностики опухолей у животных в прошлом году НГУ был приобретен компьютерный томограф, что открыло перед коллективом новые возможности. 

За время исследовательских работ ЛЯИМ по оценке эффективности нейтронзахватной терапии при опухолях различной локализации и гистологии было подвергнуто воздействию около сотни животных в стенах ядерного реактора Томского политехнического университета (ТПУ) и более 20 — в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. 

— При организации этих работ мы столкнулись с целым рядом проблем, важнейшая из которых — отсутствие адекватной верификации спонтанных образований у животных (прежде всего – гистологической, хотя и с томографией поначалу дело обстояло не лучше) в нашем регионе. В Москве и Санкт-Петербурге метод развит и широко используется, однако по нашу сторону Урала ситуация печальная. А объективная и своевременная морфологическая диагностика является, собственно говоря, основой всего остального. Ни томографические описания (которые, кстати, стали доступны лишь после запуска томографа и подготовки нами соответствующих специалистов зоологического профиля), ни какие-либо доклинические исследования в сфере терапии онкологических и нейродегенеративных заболеваний  неосуществимы без четкой, своевременной и надежной гистологической верификации материалов биопсии или хирургически удаленного образования. В этой связи возможности закупленного недавно Университетом уникального диагностического оборудования, составившего вторую аппаратную линию ЛЯИМ, трудно переоценить, — пояснил Владимир Каныгин. 

Вторая линейка приборов предназначена для анализа гистологических препаратов, с помощью которых оценивается эффективность любого терапевтического воздействия, безопасность препарата или физического метода для здоровой или патологически измененной ткани, а также устанавливаются сами диагнозы по образцам, взятым в результате биопсии или операции. 

— Лаборатория получила современное оборудование достаточно высокого качества. Его наличие существенно модифицирует процесс получения и окрашивания тканевых образцов, резко повышает скорость работы исследователя, значительно расширяет его возможности. Если на прежнем оборудовании на проведение гистологического исследования среза уходило более суток, то здесь речь идет о считанных часах. Кроме того, цифровизация процесса предоставляет возможности консультативного общения со специалистами из других городов и научных организаций, — пояснила руководитель лаборатории молекулярных механизмов патологических процессов Федерального исследовательского Центра фундаментальной и трансляционной медицины (ФИЦ ФТМ), доктор биологических наук Елена Колдышева.  

Полученный в этом году ЛЯИМ цифровой сканер представляет собой оптический микроскоп, дающий 40-кратное увеличение со встроенной цифровой камерой, соединенной с компьютером, адаптированным к обработке и хранению получаемых снимков. Сканирование стекла с микропрепаратом позволяет получить цифровое изображение, отображаемое на экране в высоком качестве, откалиброванное по резкости. Сканировать можно как целиком весь срез, так и отдельные его части. Возможности камеры позволяют минимизировать дефекты среза, система «узнает» изображение микропрепарата и может сканировать только его или выделенную область произвольной формы, чтобы уменьшить получаемый объем файла. Также за счет оптики камеры достигается высокое разрешение и не страдает качество даже самых мелких структур, величиной в микрометры. Все может регулироваться в зависимости от потребностей исследователя. Полученными изображениями можно делиться в режиме онлайн-конференций со специалистами из разных мест. Цифровые копии гистологических препаратов решают проблемы хранения и утраты оригиналов, позволяют организовать цифровой архив изображений. Но самое перспективное при этом — как создание собственных баз данных для искусственного интеллекта, так и моментальное использование уже имеющихся цифровых хранилищ сканов. Это резко ускоряет работу морфолога, качественно расширяет доступность используемых дистанционно архивов случаев, позволяет транслировать проблемные снимки экспертам и обсуждать их в рамках телеконференций с компетентными коллективами. В ближайшей перспективе – компьютерный анализ изображений с применением имеющихся программных модулей, а также их совершенствование под конкретные задачи с использованием искусственного интеллекта.

— Возможности световой микроскопии позволяют оценить, насколько выражены те или иные особенности ткани при различных методах окраски, какие процессы протекают на молекулярно-клеточном уровне, с их помощью можно анализировать маркеры, характерные для целого ряда патологий.  Оцифровка изображения, получаемого на сорокократном увеличении, выведение его на экран компьютера, калибровка резкости в зависимости от потребностей и настройка высокого качества изображения, возможность выделения и работы с конкретной областью среза позволяют заметно ускорить исследование каждого микропрепарата. Это ли не очевидное преимущество прибора?! Например, обнаружение признаков атрофии и дистрофических изменений в тканях и клетках, подсчет площадей некроза, оценка плотности клеток, представленных в препарате, с возможностью расчета их площади становятся значительно быстрей при использовании встроенных программ для работы с изображениями. Оценка экспрессии маркеров по результатам проводимой иммуногистохимии срезов опухоли позволяет определить эффективность проводимой терапии или подобрать на начальном этапе персонализированное лечение. Более того, адаптация и усовершенствование программ для обработки изображений к конкретным типам тканей позволит облегчить изучение разнообразных патологий. Данная аппаратура будет использована нами для первичной диагностики новообразований у животных, с возможностью развития направления персонализированного лечения в ветеринарии, а также для исследования эффективности нейтронзахватной терапии. В целом гистология является самым точным способом для постановки диагноза на основе патологических изменений в ткани, — пояснил Лаборант ЛЯИМ ФФ НГУ Николай Каныгин.

Следует подчеркнуть, что появление такого рода оборудования позволяет говорить о реальной телемедицине, широком применении ИИ и качественно иных возможностях для профессиональной экспертизы и профильных консультаций, инновационном по возможностям формате обучения специалистов и студентов. Разумеется, это революционизирует точность получаемого морфологического диагноза (лежащего в основе диагноза врачебного), резко сэкономит драгоценное время на его получение.