Иммунологическая реактивность при экспериментальном воздействии лазерной гипертермии с наночастицами на опухолевые ткани
Скачать 0.65 Mb.
|
На правах рукописи Терентюк Георгий Сергеевич Иммунологическая реактивность при экспериментальном воздействии лазерной гипертермии С наночастицами на опухолевые ткани 16.00.02 - патология, онкология и морфология животных 03.00.02 - биофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук Ульяновск - 2009 Работа выполнена на кафедре оптики и биомедицинской физики в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
Защита состоится «11» июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет по адресу: Набережная реки Свияги, 106, корпус 1, аудитория 703. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета. Отзывы на реферат направлять по адресу: 432000, г. Ульяновск, ул. Л.Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, управление научных исследований. Автореферат разослан «__» __________ 2009 года.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Проблема иммунологической реактивности организмов при опухолевом росте остаётся одной из важнейших научных проблем в современной биологии. Вопрос о том, почему на фоне достаточной иммунологической реактивности возникают и растут опухолевые клетки, резко отличающиеся по своим морфологическим и функциональным параметрам, способные не только подавлять, но и стимулировать иммунологические свойства организма, является не только центральным вопросом иммунобиологии и экспериментальной онкологии, но и биологии развития, молекулярной биологии и генетики (Аничков Н.М., 2004). Иммунобиологические исследования взаимодействия организмов с опухолевыми клетками и тканями показывают, что определяющим фактором в предупреждении возникновения и развития, в эффективной элиминации опухолевых клеток является стимуляция как специфических, так и неспецифических защитных систем организма и иммунитета в целом. Такая стимуляция предполагает воздействие на все компоненты противоопухолевой системы, в том числе - блокирование поздних этапов развития опухоли для предупреждения распространения опухолевых клеток в организме и возникновения вторичного опухолевого роста (Якубовская Р.И., 2000). Несмотря на значительные успехи экспериментальной онкологии и молекулярной биологии, проблемы стимуляции иммунитета при опухолевом росте не решены. Опухолевый рост является системным иммунобиологическим процессом, поражающим весь организм, все звенья его иммуногенетической и нейроэндокринной регуляции, поэтому проблема стимуляции иммунитета и изучения взаимоотношений в системе «организм-опухоль» важна не только в плане предотвращения потенциального опухолевого роста, но и с точки зрения изучения динамики развития этих процессов, особенно на поздних этапах опухолевого процесса (Барышников А.Ю., 2003). Взаимоотношение опухоли с иммунной системой организма имеет два аспекта – специфический, ассоциированный преимущественно с цитотоксическими лимфоцитами, и неспецифический, определяемый как часть системного взаимодействия опухоли и организма. Системные иммунобиологические процессы при опухолевом росте достаточно сложны и трудно поддаются тривиальному анализу. Большая вариабельность различных показателей состояния иммунной системы не позволяет достаточно четко определить состояние иммунологической недостаточности при опухолевом росте (Лебедев К.А., 1990, Абелев Г.И., 1999). Проблема описания и прогнозирования системных взаимоотношений между организмом и опухолью может быть решена на основе биоинформационного моделирования. В основу адекватной математической модели взаимодействия опухоль-иммунитет должны быть заложены экспериментальные параметры, для которых существуют хорошо отработанные, воспроизводимые методы определения состояния иммунологической реактивности. Не последнюю роль в обеспечении адекватной иммунологической реактивности в отношении опухолевого роста играет эндокринная система. Ряд гормонов является одним из важнейших звеньев регуляции иммунореактивности организма и может вызывать как иммуносупрессию и стимуляцию роста опухолевых тканей, так и его подавление. В современной экспериментальной онкологии отсутствуют эффективные информационные модели, отражающие максимально возможный спектр разнонаправленных взаимодействий иммунной и эндокринных систем в динамике опухолевого роста. Традиционными направлениями экспериментальной онкологии и биологии противоопухолевых защитных систем организма является их стимуляция с помощью фармакологических агентов, естественных механизмов и продуктов жизнедеятельности иммунокомпетентных клеток (Sauter B. et al., 2000), интерферонов (Gao Y. et al., 2003), лимфокинов (Ridolfi R. et al., 2002), направленной лимфоцитарно-клеточной и генной терапии (Rodriguez-Lecompte J.C. et al., 2004). Иммуномодулирующие эффекты биофизических методов воздействия на опухолевые ткани практически не исследованы. В этом смысле наиболее перспективными представляются методы лазериндуцированной гипертермии, при которых возможно не только разрушение опухолевой ткани, но и стимуляция апоптоза (Toyota N. et al., 1998, Sapozhnikov A.M. et al., 1999, Барышников А.Ю., Шишкин Ю.В., 2002), системных и локальных механизмов иммунного ответа (Chen W.R. et al., 2004). Существенно повысить их эффективность позволяет использование золотых плазмонно-резонансных наночастиц, селективно накапливающихся в опухолевой ткани (Khlebtsov N.G. et al., 2004, Bernardi R.J. et al., 2008, Huff T.B. et al., 2007, Visaria R. et al., 2007). Селективное накопление наночастиц в опухоли обусловлено повышенной васкуляризацией и проницаемостью эндотелия кровеносных сосудов и капилляров опухоли. Фенестрация эндотелия, обилие трансэндотелиальных каналов, неполноценность или отсутствие базальной мембраны эндотелия, дисфункции лимфатической системы приводят к пассивному накоплению в опухолевой ткани наночастиц, введённых в системный кровоток. Биологические особенности воздействия золотых наночастиц на организм и иммунологическая реактивность при лазерной гипертермии биотканей с их использованием не изучены. Цель исследования – установить закономерности иммуномодулирующих эффектов и тканевых реакций при управляемой локальной лазерной гипертермии опухолей с использованием золотых плазмонно-резонансных наночастиц. Задачи исследования: - определить статистические закономерности возникновения, динамику развития и гистологические типы наиболее часто встречающихся спонтанных опухолей у экспериментальных животных; - создать базу данных основных параметров иммунитета и уровня гормонов в динамике развития спонтанного опухолевого процесса, эффективных для построения нейросетевого классификатора; - установить основные тканевые и иммуномодулирующие эффекты локальной лазерной гипертермии поверхностных тканей у животных с использованием золотых плазмонно-резонансных наночастиц; - установить тканевые и иммуномодулирующие эффекты золотых плазмонно-резонансных наночастиц при их системном введении и локальной лазерной гипертермии тканей спонтанных и перевитых опухолей животных; - разработать биоинформационную модель биологической системы «иммунитет-опухоль» при экспериментальной системной и локальной иммуномодуляции. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Экспериментальный управляемый локальный лазерный термолиз опухолевых тканей у животных с использованием золотых плазмонно-резонансных наночастиц оказывает системные иммуномодулирующие эффекты. 2. Использование золотых нанооболочек при локальной лазерной гипертермии биотканей позволяет увеличить скорость нагрева и сократить время выхода на стационарный управляемый температурный режим до 100 сек. Динамика температуры биотканей при локальной лазерной гипертермии in vivo с золотыми наночастицами имеет характерные особенности, обусловленные эффектами терморегуляции. 3. Биологические тканевые реакции при системном введении золотых наночастиц зависят от их размера: максимально накапливаются в тканях частицы диаметром 160 нм, а наиболее значительные морфологические изменения в органах наблюдаются для частиц диаметром 50 нм. Уменьшение концентрации золота в крови экспериментальных животных происходит нелинейно, зависимость концентрации от времени может быть аппроксимирована экспоненциальным законом. 4. Биоинформационная модель описания нелинейной динамики взаимодействия «иммунная система-опухоль» с учетом внешнего воздействия и нейросетевой подход к оценке состояния экспериментальных животных являются эффективными методами анализа иммунологической реактивности. Настоящее диссертационное исследование выполнено при поддержке РФФИ (грант № 07-02-01434 «Теоретическое и экспериментальное исследование контрастирования новообразований в биотканях при низкокогерентной оптической томографии с помощью золотых наночастиц») и Министерства науки и инноваций РФ (госконтракт № 02.512.11.2034 «Разработка нанотехнологии лазерного селективного фототермолиза и контрастирования злокачественных новообразований на основе использования плазмонно-резонансных наночастиц»). Научная новизна исследования состоит в том, что впервые на основе репрезентативного объёма рандомизированных наблюдений определены статистические закономерности по частоте возникновения и органному распределению спонтанных опухолей эпителиальной тканевой природы, их патоморфологическая характеристика и пролиферативные свойства в длительном эксперименте, установлена закономерная динамика параметров общего иммунитета, биохимических показателей и уровня гормонов в организме животных. На основе полученной базы данных выявлены наиболее эффективные параметры иммунологической реактивности в динамике развития спонтанного опухолевого процесса, реализовано обучение нейросетевого классификатора и построение нелинейной биоинформационной модели взаимодействия «иммунная система организма - опухоль», выявлены основные биологические закономерности взаимоотношения опухоли с иммунной системой организма, необходимые для построения адекватной математической модели. Автором проведен анализ требований к математической модели коррекции противоопухолевого иммунодефицита и впервые, на основе предложенной математической модели, получены фазовые портреты систем, описывающие динамику количества опухолевых клеток в организме животного, противоопухолевых антител и концентрации интерлейкина-2 при лазерной гипертермии. Впервые на примере опухолей эпителиальной природы с различной степенью антигенности и скоростью пролиферации реализованы различные сценарии динамики исследуемой системы «иммунитет - опухоль» при иммуномодуляции с использованием фармакологических агентов и лазерной гипертермии. Впервые установлены биологические закономерности распределения в организме экспериментальных животных золотых наночастиц в различных тканях и органах и определены биофизические аспекты их действия при лазерной гипертермии. Показано, что при системном введении золотых наночастиц в организм экспериментальных животных, пораженных опухолевым процессом, наблюдается статистически значимое более высокое пассивное накопление наночастиц в опухолевых тканях по сравнению с неизменёнными, а временная динамика повышения их концентрации в опухолевой ткани имеет два выраженных максимума. Впервые с использованием разработанной биоинформационной модели установлен иммуномодулирующий эффект золотых наночастиц при их введении в системный кровоток экспериментальных животных и усиление элиминирующего воздействия локальной лазерной гипертермии на опухоли эпителиальной тканевой природы. Научно-практическая значимость. Полученные в работе результаты численного моделирования пространственного распределения температуры и экспериментальные термограммы модельных объектов и реальных биологических тканей in vivo при различной глубине локализации золотых плазмонно-резонансных наночастиц и различных режимах лазерного воздействия необходимы для разработки методов лазерного фототермолиза и определения его системных и локальных тканевых биологических эффектов. Результаты проведенных модельных экспериментов позволяют оценить, на какой максимальной глубине залегания области повышенной концентрации наночастиц можно добиться существенной величины поглощенной энергии, достаточной для повышения в этой области температуры на заданную величину, и указывают направление развития и совершенствования лазерных технологий и приборов, используемых в биологии и медицине. Исследования системных и локальных тканевых биологических реакций при лазерной гипертермии на экспериментальных животных, включая лазерную гипертермию с использованием золотых наночастиц, могут быть положены в основу создания новых методов малоинвазивного лечения поверхностных опухолевых заболеваний эпителиальной природы животных и человека. Разработанная автором методика проведения термографических исследований у животных с использованием компьютерного моделирования является эффективным инструментом в оценке различных физиологических и патологических процессов в биологических экспериментах. Разработанная автором биоинформационная модель нелинейного взаимодействия иммунной системы экспериментальных животных с опухолями эпителиальной природы является математической основой для построения адекватных моделей развития пролиферативных процессов и оценки иммуномодулирующих воздействий биологических, фармакологических, и биофизических агентов в экспериментальной иммунологии, онкологии и патологии животных. Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, состоит в обосновании и разработке концептуальной модели исследования, проведении экспериментальных исследований, обобщении результатов и формулировании выводов. Автором лично проведены экспериментальные работы в рамках выполнения гранта РФФИ и Госконтракта Министерства науки и инноваций. Использованные в исследовании золотые наночастицы синтезированны в лаборатории биосенсоров и наноразмерных структур ИБФРМ РАН (рук-ль - д.ф.-м.н. проф. Н.Г. Хлебцов), электронно-микроскопические фотографии получены в лаборатории электронной микроскопии НИИ «Микроб» (рук-ль - к.б.н. Н.П. Коннов), измерения на атомно-абсорбционном микроскопе проводились в Центральной лаборатории ООО «Саратоворгсинтез» (рук-ль - д.х.н., проф. А.В. Шантроха), разработка математического обеспечения для компьютерного моделирования светорассеяния в биотканях и численного анализа дифференциальных уравнений выполнялась в ГОУ ВПО Саратовский государственный университет на кафедре оптики и биомедицинской физики (рук-ль - д.ф.-м.н. проф. В.В. Тучин) и кафедре нелинейной физики (рук-ль - член-корр РАН д.ф.-м.н. проф. Д.И. Трубецков), гистологические препараты изготовлены на кафедре патологической анатомии ГОУ ВПО Саратовский государственный медицинский университет Росздрава РФ (зав. кафедрой - д.м.н. проф. Г.Н. Маслякова). |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Опухоли системы крови Опухоли системы крови или гемобластозы делят на две группы: лейкозы – системные опухолевые заболевания кроветворной ткани и лимфомы... |  | Влияние антиоксидантного витаминного препарата на нарушения обмена... Работа выполнена на кафедре биологической химии гбоу впо «Башкирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения... |
| Показатели антиоксидантной защиты организма при экспериментальном... Показатели антиоксидантной защиты организма при экспериментальном дисбактериозе кишечника | | Урок в 6 классе Тема: Получение ткани. Простые переплетения Переплетением нитей в ткани называется порядок взаимного перекрытия основных нитей уточными. При выработке тканей используют разнообразное... |
| Сосудистая реактивность и ее основные детерминанты при атеросклерозе коронарных артерий Работа выполнена в Государственном учреждении научно-исследовательском институте терапии Сибирского отделения Российской академии... | | Проектирование и изготовление поясного швейного изделия Формировать знания и умения по подготовке ткани к раскрою, раскладки выкройки юбки на ткани, применять полученные знания при выполнении... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Программные задачи: Формировать умение располагать полоски ткани вертикально. Развивать умение отбирать мягкие на ощупь полоски ткани,... | | Конспект открытого урока по теме «Подготовка ткани к раскрою. Раскрой изделия» Оборудование: швейная машина, учебник, образцы различных видов ткани, инструкционные карты по подготовке ткани к раскрою и раскрою... |
| Реферат по дисциплине «Топографическая анатомия» Каждая хирургиче ская операция сопровождается сложным комплексом нарушений физиологиче ских функций организма. Поэтому при подготовке... | | Адаптационные реакции у кур при транспортировке и шумовом воздействии Ведущая организация: Воронежский государственный аграрный университет им. К. Д. Глинки |
| Отчет об участии мгту им. Н. Э. Баумана в 8-й Международной специализированной... «Экспоцентре» открылась 8-я Международная специализированная выставка оптической, лазерной и оптоэлектронной техники «Фотоника. Мир... | | «композиционные материалы, на основе эпоксидных смол, упрочненные... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Определение вида ткани», познакомимся с методами определения лицевой и изнаночной стороны тканей, с различными текстильными дефектами... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Дать почувствовать родителям важность при воздействии в формировании личностных качеств ребенка |
| Московский энергетический институт (технический университет) Целью дисциплины является природы, механизмов и кинетики структурных изменений и закономерностей изменения свойств металлов и сплавов... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Общие принципы регуляции и саморегуляции физиологических функций организма при воздействии факторов внешней среды |
