Научные основы и применение информационных технологий в медицине  

2011

1. Создан аналитический комплекс для определения аминокислотной последовательности пептидов с хроматографическим разделением смеси пептидов на индивидуальные компоненты, однократным масс-спектрометрическим детектированием молекулярных ионов и их управляемой фрагментацией с последующей вероятностной идентификацией на основании протеомных баз данных, используя оригинальное программное обеспечение. Для определения аминокислотной последовательности пептида почти во всех случаях используют масс-спектр фрагментов пептида, обычно для этого применяют MALDI-MS-MS приборы. Отечественных аналогов нет.

2. Разработан и внедрен новый метод идентификации клеток путем многопараметрического анализа их микроскопических изображений в нескольких спектральных оптических диапазонах. Использование метода в приборе «Детектор субпопуляций клеток флуоресцентный» способствует повышению достоверности распознавания и идентификации клеток в широком диапазоне размеров и форм в присутствии шумов. Метод и прибор ориентирован на получение новых научных и практических результатов в области цитологии, иммунологии и других медико-биологических исследованиях, а также в медицинской диагностике.

2012

1. Реализована полимеразная цепная реакция в реальном времени (ПЦР-РВ) на микрочипе для обнаружения ДНК онкомаркера цитокератин-19. Экспресс-оценка качества проводимой амплификации осуществлена методом электрофоретического анализа на микрофлюидном устройстве. Реализация методов ПЦР и электрофоретического разделения на микрофлюидной платформе позволяет создавать современные аналитические системы для экспресс-анализа биологических проб широкого применения.

2. Разработаны структура и основные функциональные модули (пробоподготовки, сенсорного, микропроцессорного измерительного) новой нейроподобной, обучаемой мультисенсорной диагностической системы «Электронный язык» - аналога биологических сенсорных систем. Она формирует и запоминает «образ» исследуемого объекта (жидкой биосреды) в виде композиции потенциалов массива полиселективных электрохимических сенсоров с перекрестной чувствительностью. Проведенные исследования «образов» конденсата выдыхаемого воздуха испытуемых и молока различных производителей свидетельствуют о перспективности создаваемой системы для диагностики здоровья и контроля качества продуктов питания.

3. Предложен и экспериментально подтвержден в условиях медицинской клиники метод неинвазивной медицинской экспресс-диагностики «масс-спектрометрическая аромадиагностика». Диагностика может производиться в реальном времени по наличию в выдыхаемом воздухе определенных биомаркеров, характерных для диагностируемых заболеваний. Основными компонентами выдоха являются ацетон, изопрен, пропанол, бутанол, концентрации которых оцениваются на уровне 0.1—0.2 ppm. Достигнутая на приборе чувствительность анализа является достаточной для обнаружения большинства диагностических маркеров.

2013

Разработана структура макетов измерительного и информационного блоков мультисенсорной обучаемой нейроподобной аналитической системы оценки функционального состояния человека по электрохимическим показателям конденсата выдыхаемого воздуха. Реализована технология его быстрого сбора, исследованы полиселективность, перекрестная чувствительность и воспроизводимость показаний сенсоров, автоматизирована процедура их регистрации. Разработаны программное обеспечение визуализации «образа» конденсата и алгоритмы обучения его распознавания. Система создается для диагностики функционального состояния и работоспособности человека.

2014

1. Разработан комплекс современных реагентов и приборных средств выявления, идентификации и генетического типирования возбудителей особо опасных инфекционных заболеваний бактериальной, вирусной и риккетсиозной природы, включая возбудителей чумы, сибирской язвы, лихорадки Эбола и других. Комплекс в виде стационарной и передвижной лабораторий предназначен для оснащения подразделений войск радиационной, химической и биологической защиты ВС РФ, действующих в чрезвычайных ситуациях биологического характера.

2. Разработан макет обучаемой аналитической системы для диагностики физического здоровья и работоспособности человека по физиологически значимым компонентам конденсата выдыхаемого воздуха, регистрируемых полиселективными электрохимическими сенсорами. Макет включает 4 модуля: - сбора конденсата, сенсорный (состоящий из 7 полиселективных электродов, основной определяемый ион которых — Н+, Na+, К+, NH4+, NO3-, F+, Cl-, и высокоселективный рН-электрод), микропроцессорный измерительный и информационный. В экспериментах с умеренной физической нагрузкой испытуемых показано, что сравнительный анализ их «образов» до и после нагрузки является основой для диагноза их функционального состояния.

3. Разработан метод обработки сигналов масс-спектров выдыхаемых газов на основе спектрального представления в адаптивном базисе, матрица преобразования в котором синтезируется (адаптируется) на основе усредненного масс-спектра здорового человека таким образом, чтобы вектор спектра выдыхаемого газа здорового человека содержал бы только один спектральный коэффициент. Спектральное представление выдыхаемого газа для человека с патологиями содержит более одной линии. Результат сравнение первых коэффициентов спектрального представления масс-спектров здоровых и больных людей является дополнительным информационным признаком выявления патологий по выдыхаемым газам.

4. С помощью метода главных компонент обработан массив данных состава выдыхаемого воздуха пациентов клиники НИИ онкологии им. Н.Н.Петрова, полученные с помощью квадрупольного масс-спектрометра МС7-200. В результате построены характерные профили для каждого пациента в координатах главных компонент. Полученные индивидуальные отпечатки могут быть разделены на характерные группы, объединенные выявляемыми патологиями. Это позволяет оценить вероятность принадлежности диагностируемого больного к соответствующему типу заболеваний.

2015

1. Разработан и экспериментально апробирован новый метод выделения информационных признаков из масс-спектров - обобщенный спектральный анализ в адаптивном базисе. Исследованы функциональная структура и адаптируемая система классификации для различных типов сигналов, в том числе, полученных на квадрупольном анализаторе масс-спектров воздуха. Разработаны алгоритмы синтеза приспособленных к обрабатываемым сигналам базисных функций. Метод дает возможность автоматического принятия решений о различии масс-спектров выдыхаемого воздуха без визуального анализа информации, представленной в графическом виде, что может быть полезным для массовых экспресс-анализов в медицине

2. Показано, что ультразвуковое воздействие на процесс выделения нуклеиновых кислот (НК) в проточном режиме позволяет эффективно концентрировать НК из проб с низким содержанием целевого продукта. Эффективность выделения НК составляет 80 – 90 %. Проточный циклический режим выделения НК под действием УЗ обеспечивает повышение эффективности практически до 100%, которое достигается за 3 цикла. Это позволяет концентрировать следовые количества целевого продукта до уровня его обнаружения средствами специфической индикации НК.

3. Разработан отечественный металл-аффиный сорбент на основе пленок Лэнгмюра–Блоджетта, представляющий собой коллапсированные монослои стеарата лантана для специфичного выделения аддуктов, как сывороточного альбумина человека, так и бутирилхолинэстеразы лошади методом металл-аффинной хроматографии. Пленкообразная структура сорбента позволяет наносить сорбент непосредственно на мишень для МАЛДИ-масс-спектрометрического анализа и проводить металл-аффинную хроматографию прямо на мишени, что позволяет значительно экономить образец и реактивы.

2016

1. Создан отечественный комплекс молекулярно-биологических тест-систем, реактивов и аналитических приборов для выявления, идентификации и генетического типирования возбудителей особо опасных инфекционных заболеваний. Предложены модели процессов амплификации ДНК, которые использованы для повышения чувствительности генетического анализа на базе полимеразной цепной реакции. Разработаны алгоритмы и программы обработки результатов секвенирования и фрагментного анализа ДНК. Оборудование успешно применено при ликвидации вспышки сибирской язвы в Ямало-Ненецком АО и для борьбы с лихорадкой Эбола в Гвинее.

2. Разработана компьютерная обучаемая мультисенсорная аналитическая измерительная система для контроля качества жидких сред и продуктов питания с использованием проточных миниатюрных электрохимических сенсоров изготовленных по 3-D технологии и обладающих высокой перекрестной чувствительностью к основным неорганическим ионам (Na+, K+, Ca++, H+ и др.). Ее исследование показало высокую эффективность и перспективность развиваемого направления для контроля качества продуктов питания (на примере молока, сахара) и экологического контроля водных сред (на примере родниковой воды и воды, используемой в бытовых условиях).

3. Впервые предложена методика специфичной экстракции ряда антропогенных загрязнителей (лекарственные препараты, пестициды) методом металл-аффинной хроматографии (МАХ) с помощью разработанных ранее металл-аффиных сорбентов на основе пленок Лэнгмюра–Блоджетта. Методика может быть использована при решении задач экологического мониторинга биологических систем.

4. Создана методика выделения нуклеиновых кислот с применением ультразвука мегагерцового диапазона, позволяющая выделять единичные копии генетического материала (ДНК/РНК) из проб, в которых изначальная концентрация целевого продукта находится за пределами чувствительности методов специфической индикации (например, ПЦР-РВ). Экспериментально подтверждено увеличение чувствительности более чем на 2 порядка.

2017

1. Предложен метод высокоэффективного выделения ДНК и РНК из жидких проб с помощью переменного магнитного поля и ультразвукового воздействия,основанныйна пропускании жидкой пробы через удерживаемые в переменном магнитном и/или ультразвуковом поле магнитные частицы (10-100 мкм), покрытые силикатами, обладающими высоким сродством к нуклеиновым кислотам. Метод реализован в виде экспериментальной установки, которая при меньшей стоимости превосходит по быстродействию мировые аналоги, применяемые в передовых зарубежных медико-биологических учреждениях.

2. Доказаны возможности масс-спектрометрической аромадиагностики по выдыхаемому воздуху для оценки состояния больных онкологическими заболеваниями в условиях онкологической клиники. Применение специальных методов обработки с использованием дискриминантного анализа, спектрального разложения в адаптивном базисе и метода главных компонент даёт возможность автоматического принятия решений о различии масс-спектров выдыхаемых газов без визуального анализа информации, представленной в графическом виде.

2018

1. Создан действующий образец мобильной лаборатории для комплексного генетического анализа проб окружающей среды, в том числе биологического происхождения. Лаборатория оснащена приборами, разработанными в ИАП РАН: АНК 32М, генетический анализатор Нанофор 05, комплекс КВНК. Данное оборудование обеспечивает выделение, инактивацию возбудителей, их обнаружение и определение видовой принадлежности.

2. Разработан новый подход к классификации масс-спектров выдыхаемых газов для разделения данных на классы, принадлежащие как условно здоровым, так и пациентам с известными заболеваниями. Предложенная классификация основана на статистических методах квадратичного дискримнантного кластерного анализов и открывает перспективы создания новых неинвазивных методов медицинской диагностики.

2019

1. Проведены экспериментальные исследования аналитических возможностей масс-спектрометра МС7-100 в составе диагностического комплекса на основе постуральных воздействий в Институте экспериментальной медицины. Учёт полученных масс-спектрометрических показателей выдыхаемого воздуха позволяет разделять пациентов на определенные характерные группы и может быть использован для комплексной диагностики состояния пациентов.

2. Предложен метод многоспектральной обработки оптических изображений органов живых систем с применением акустооптических перестраиваемых фильтров для выявления патологий и, прежде всего, злокачественных новообразований кожи на ранних стадиях их развития. Метод позволяет получать наиболее полную как пространственную, так и спектральную информацию об исследуемых новообразованиях.

3. Разработаны конструкции, изготовлены и испытаны составные модули (отбора проб, сенсорного, электронного измерительного) неинвазивных измерительных аналитических систем, использующих электрохимические и оптические методы анализа жидких и газообразных биологических сред организма с применением полиселективных сенсоров с перекрестной чувствительностью и информационных технологий распознавания образов для диагностики здоровья, работоспособности и профессиональной ориентации испытуемых.

2020

1. Обоснована и апробирована многоэтапная процедура идентификации нуклеотидов в процессе массового параллельного секвенирования с вычислением вероятности ошибки определения нуклеотидного основания, обеспечивающим сопоставление признаков с вероятностями ошибок в целевом наборе данных.

2. Разработаны экспресс-методика неинвазивного оптического контроля кислородного обеспечения тканей человека на основе многоканального анализатора спектров и модуль обучения и распознавания образов медико-аналитической диагностической системы, создающий «цифровой образ» функционального состояния человека, отслеживающий его динамику и отклонение от нормы. Методика может быть использована примониторинге процесса восстановления после перенесенных заболеваний (в т.ч.COVID-19).

3. Разработан метод диагностики заболеваний по данным масс-спектрометрического анализа выдыхаемого воздуха, основанный на расчете вероятности заболевания путем определения принадлежности масс-спектра тестируемого больного соответствующей контрольной группе, формируемой путем набора массива спектров пациентов с одним и тем же заболеванием. Матрицы спектров контрольной группы и спектра тестируемого больного преобразуются в пространство главных компонент. Вероятность заболевания определяется по евклидовой метрике этого пространства.