Научные результаты:
Проект направлен на разработку прорывной смарт-нанотехнологии для лечения остеоартрита, основанной на применении эффективно регулирующих локальные воспалительные реакции и стимулирующих регенерацию внеклеточных матрикс-связанных везикул (МСВ) и их функционализации магнитными наночастицами. Разработанная наносистема в сочетании с традиционно применяемой в ортопедии магнитной физиотерапией позволит направлено воздействовать на поврежденные ткани и иммунные клетки, обеспечивая эффективные персонализированные решения в области регенеративной медицины и наномедицины для лечения остеоартрита. Проект реализован коллективом новой лаборатории мирового уровня - «Лаборатория клинических смарт-нанотехнологий» на базе Института регенеративной медицины Научно-технологического парка биомедицины Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской федерации (Сеченовский Университет) под руководством ведущих ученых, уникального специалиста в области формирования «умных» наносистем для адресной доставки биологически активных веществ и магнитных наночастиц профессора Син-Цзе Лянь и уникального специалиста по 3Д биофабрикации в регенеративной медицине научного руководителя Научно-технологического парка биомедицины д.х.н. Петра Сергеевича Тимашева. В реализации проекта консолидированы передовые специалисты в областях биомедицины, нанотехнологии, инженерии, наук о материалах и ортопедии, привлечены центры доклинических и клинических исследований, обеспечивающие эффективное внедрение инновационных технологий в систему здравоохранения. Основным преимуществом разработки для лечения остеоартрита является неивазивное адресное воздействие на поврежденные ткани сустава и иммунные клетки. Разработанный инновационный подход терапии остеоартрита повысит темпы и эффективность реабилитации.
Осуществлены научные разработки по следующим направлениям:
- получение, выделение и биобанкирование МСВ;
- изучение МСВ как специфических медиаторов регуляции воспаления и стимуляции регенерации;
- модификация МСВ магнитными наночастицами (МНЧ) и создание метода управления модифицированными МСВ внешним магнитным полем;
- установление безопасности, тропности к месту повреждения хрящевой ткани и эффективности модифицированных МСВ в животной модели;
- создание уникального компьютерного анализатора экспертного уровня на основе искусственного интеллекта для автоматического определения патологии тазобедренного сустава.
Разработаны способы выделения мультипотентных мезенхимных стромальных клеток из различных источников. Разработаны способы стимуляции синтеза и накопления клетками внеклеточного матрикса и МСВ. Разработан способ получения МСВ из монослойных культур клеток и клеточных сфероидов.
Проведен сравнительный анализ накопления МСВ в зависимости от типа клеток и условий их культивирования. Пиковый диаметр МСВ, выделенных из различных типов клеток при различных условиях культивирования, составляет 40-120 нм. Разработан протокол биобанкирования МСВ без разрушения их структуры.
Изучены уникальные протеомный и транскриптомный профили МСВ, обеспечивающие их функциональную активность в регуляции межклеточной коммуникации, модуляции регенеративных процессов и воспалительной реакции.
Для разработки управления модифицированными МСВ внешним магнитным полем и неинвазивной регистрации МНЧ использованы новые сверхчувствительные пленочные наноструктурированные датчики слабого магнитного поля с пороговым разрешением ≤10 нТл. Найдены оптимальные концентрации для визуализации модифицированных МСВ in vivo методом рентгеновской микротомографии.
Проведен анализ безопасности и эффективности модифицированных МСВ в экспериментальных моделях повреждения хрящевой ткани у крыс и минипигов, после терапии снижались дистрофические изменения хондроцитов и воспалительная реакция. Было установлено, что для направленной доставки разработанного нанокомпозита, величина и направление магнитного поля, создаваемого конструкцией магнитной повязки при максимальной скалярной величине внешнего магнитного поля порядка 3000 Гс, в среде синовиальной жидкости обеспечивает поле не менее 1000 Гс., минимальная величина магнитного поля при воздействии не опускалась ниже 100 Гс, что достаточно для удержания необходимого количества модифицированных МСВ в области пораженного сустава и существенно улучшает эффективность терапии. Применение модифицированных МСВ в экспериментальной модели остеоартрита способствовало нормализации морфологической структуры и функционального состояния хрящевой ткани пораженного сустава.
Для ранней диагностики, прогнозирования развития остеоартрита и оценки эффективности терапии создан уникальный компьютерный анализатор экспертного уровня на основе искусственного интеллекта. Создана обширная база данных изображений, насчитывающая уже более 5 тысяч МРТ исследований, разработаны и валидированы методы автоматической сегментации изображений.
Компьютерная модель автоматического определения патологии тазобедренного сустава дала возможность проанализировать уже более 200 реальных клинических случаев.
Внедрение результатов исследования:
Разработка персонализированной технологии лечения остеоартрита, основанной на применении нового типа биологически активных регуляторов воспаления и регенерации - секретируемых клетками МСВ, и их функционализации магнитными наночастицами. Разработан и запатентован новый способ получения специфических медиаторов регуляции воспаления и стимуляции регенерации - МСВ из монослойных культур клеток и клеточных сфероидов.
Разработан метод управления модифицированными МСВ внешним магнитным полем.
Разработаны биосенсоры для визуализации нановезикул, усовершенствованы подходы визуализации биологических тканей с высоким пространственным разрешением.
Для ранней диагностики, прогнозирования развития остеоартрита и оценки эффективности терапии в рамках сотрудничества с компанией ПАО «Вымпел-Коммуникации» создан уникальный компьютерный анализатор экспертного уровня на основе искусственного интеллекта. Создана обширная база данных изображений, насчитывающая уже более 5 тысяч МРТ исследований, разработаны и валидированы методы автоматической сегментации изображений. Компьютерная модель автоматического определения патологии тазобедренного сустава с точностью более 80% дала возможность проанализировать уже более 200 реальных клинических случаев.
Образование и переподготовка кадров:
- Подготовлен и издан первый в России учебник по Регенеративной медицине. Регенеративная медицина: учебник / под. Ред. П.В. Глыбочко, Е.В. Загайновой. – Москва: ГЭОТАР-Медиа, 2023. – 456с.:ил. - DOI:10/33029/9704-7535-5-REG-2023-1-456. ISBN 978-5-9704-7535-5.
- Подготовлены и изданы 2 учебно-методических пособия «Основы биомедицинской статистики: учебно-методическое пособие», «Гистологическое и иммуногистохимическое окрашивание тканей: учебно-методическое пособие»
- Разработаны и внедрены в учебный процесс 4 образовательные программы – дисциплины вариативной части для студентов специальности «Педиатрия» ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет): 1) «Биодизайн и персонализированное здравоохранение. Модуль 1. «Эмбриология млекопитающих»; 2) «Биодизайн и персонализированное здравоохранение. Модуль 3. «Общая тканевая инженерия»; 3) «Биодизайн и персонализированное здравоохранение. Модуль 5. «Основы вспомогательных репродуктивных технологий»; 4) «Биодизайн и персонализированное здравоохранение. Модуль «Тканевая инженерия».
- Разработана и внедрена в учебный процесс образовательная программа обязательной дисциплины для студентов-магистров по направлению подготовки «Биология», профилю подготовки «Синтетическая биология и биодизайн» ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет): «Клеточная биология с основами эмбриологии».
- Разработаны и внедрены в учебный процесс 2 программы дополнительного профессионального образования «Введение в 3D биопечать»; «Работа с лабораторными животными: общие принципы и возможности современных технологий».
- Регулярно дважды в месяц с применением онлайн платформы Zoom организуются и проводятся семинары «Modern Advances in Biomedicine and Biophotonics».
- Организовано и проведено с применением онлайн платформы Zoom три ежегодных международных Российско-китайских симпозиума «Будущее ортопедии: нанотехнологии и искусственный интеллект» (Russian-Chinese Symposium “Future Orthopedics: Nanotechnology and AI”).
- В 2021 году 4 члена научного коллектива прошли повышение квалификации в ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования Минздрава РФ» по дополнительной профессиональной программе «Фундаментальные направления общей патологии и патофизиологии».
- В 2022 году 5 членов научного коллектива прошли повышение квалификации: в Балтийском федеральном университете им. И. Канта по дополнительным профессиональным программам повышения квалификации «Тайм-менеджмент»; «Adobe Illustrator. Часть 1», «Adobe Illustrator. Часть2», «Adobe Photoshop. Часть 1», «Adobe Photoshop. Часть 2», «Autodesk 3ds Max»; в ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования Минздрава РФ» по дополнительной профессиональной программе «Актуальные проблемы современной биомедицины»; в Московской школе управления «СКОЛКОВО» по программе дополнительного профессионального образования «Основы управления образовательными экосистемами».
- В 2023 году 18 членов научного коллектива прошли повышение квалификации по программам «Психолого-педагогические основы высшего медицинского и фармацевтического образования», «Продвинутая регенеративная медицина», «Реализация проектов в срок и в бюджет», «Настройка системы реализации проектов в университете», «Перспективные технологии ядерной медицины для внедрения в практику высокотехнологичных центров РФ», «Цифровая обработка сигналов в биомедицинских сенсорных сетях», «Мой первый грант: как получить финансирование и успешно реализовать проект», Саморазвитие в условиях неопределенности», «Цифровая грамотность», «Генетические технологии в современных исследованиях», «Анализ свойств новых геномных редакторов», «Анализ геномных вариантов у бактерий». «Управление человеческим капиталом и организационным поведением в науке и высшем образовании», «Разработка персонализированных математических моделей сердечно-сосудистой системы», «Системное мышление», «Обучение по использованию средств индивидуальной защиты», «Оказание первой помощи пострадавшим на производстве», «Обучение по общим вопросам охраны труда и функционирования системы управления охраной труда», «Обучение безопасным методам и приемам выполнения работ при воздействии вредных и опасных производственных факторов, источников опасности, идентифицированных в рамках СОУТ и оценки профессиональных рисков».
- В 2023 году были успешно реализованы стажировки молодых членов научного коллектива в Ведущих научных или образовательных учреждениях в лаборатории биологических эффектов наноматериалов и нанобезопастности под руководством профессора Син-Цзе Лянь в Национальном центре Нанонауки и Технологий (Пекин, Китай) и в НИИ Экспериментальной онкологии и биомедицинских технологий ФГБОУ ВО "Приволжский исследовательский медицинский университет" Минздрава России (Нижний Новгород, Россия).
Сотрудничество:
- Национальный центр нанонауки и технологий (Китай),
- Института Роян (Иран),
- Технологический университет им. Шарифа (Иран),
- Университет Эрджиес (Турция),
- Государственный университет медицины и фармации им. Николае Тестемицану (Молдова),
- Центр генной инженерии и биотехнологии (Куба), Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
- Приволжский исследовательский медицинский университет Минздрава России,
- Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского,
- Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук,
- ПАО «Вымпел-Коммуникации» (Россия): совместные исследования и публикации.
