Основные научные и научно-технические результаты лаборатории «Моделирование физических процессов в биологии и медицине»:
- Проведен подробный аналитический обзор доступных информационных источников. Выявлены существующие технические и методические проблемы исследования вестибулярного аппарата человека, определено место проектных исследований в научной среде. Проведены патентные исследования и определены основные конкурентные преимущества предлагаемых решений.
- Построена физико-математическая модель для количественной оценки параметров постуральных тестов на основе данных о движении определенных точек человека в процессе поддержания равновесия. Количественная оценка предназначена для сравнения особенностей движения выбранных точек тела у конкретного пациента с некоторой эталонной группой. Полученные количественные оценки в дальнейшем могут быть использованы при статистической обработке результатов в научных исследованиях, в частности, для построения моделей принятия решений на основе дискриминантного анализа.
- Разработана трехмерная геометрическая модель полукружных каналов вестибулярного аппарата человека. Данная модель уникальна, опубликованных сведений в доступной печати не найдено. Модель включает геометрическое описание внутренних и внешних поверхностей основных анатомических компонентов полукружных каналов, а также значения физических параметров для отдельных видов тканей и биологических жидкостей.
- С целью развития и внедрения в практику вестибулярных имплантов, проведены исследования и разработаны новые функциональные тесты вестибулярной системы для оценки остаточной вестибулярной функции у пациентов, отобранных для имплантации.
- Выполнено моделирование вестибулярной функции с целью оптимизировать перенос функций в импланты.
- Разработана детализированная кинетическая модель неравновесной плазмы с заданными свойствами для применения в биомедицинских приложениях. Данная модель является основой для разработки плазмохимических реакторов и моделирования активных компонент в среде с заданными свойствами воздействия на процессы жизнедеятельности биологических объектов.
- Проведено исследование роли и места гемоциркуляторных нарушений в формировании вестибулопатического синдрома при хронической ишемии мозга. Выявлены церебропротекторные эффекты алкалоида Z77 в условиях экспериментальной ишемии головного мозга и влияние алкалоида на реализацию ростового потенциала нейральных столовых клеток.
- Проведено исследование фундаментальных механизмов, лежащих в основе регуляторного влияния галектинов на дифференцировку, апоптоз и функциональную активность лимфоцитов для моделирования иммунозависимых патологических процессов и разработки новых фармакологических подходов лечения социально-значимых заболеваний. Особое внимание уделено поиску ключевых механизмов вне- и внутриклеточной трансдукции сигналов с участием цитокинов, галектинов, белков теплового шока, газовых трансмиттеров, редоксзависимых систем, транскрипционных факторов, белков апоптоза при действии на клетку факторов физиологической природы и в ходе развития патологического процесса в организме. Осуществлен поиск мишеней для коррекции нарушения гомеостаза клеток на молекулярно-генетическом, субклеточном и клеточном уровнях для создания стратегий управления процессами апоптоза, пролиферации, дифференцировки и коммуникации иммунокомпетентных клеток крови при социально-значимых заболеваниях инфекционной и неинфекционной природы (инфекционных, аутоиммунных, опухолевых и др.). Обосновано заключение о том, что основными клетками-продуцентами цитокина при туберкулезе легких являются лимфоциты, не имеющие фенотипических маркеров Т-клеток.
- С использованием современных высокоинформативных и чувствительных методик, обеспечивающих воспроизводимость и достоверность результатов, были получены новые фундаментальные знания мирового уровня о галектинах, как о факторах, способных осуществлять регуляцию дифференцировки и программированнной гибели CD4+ Т-лимфоцитов, причастных к патогенезу социально-значимых заболеваний. Впервые идентифицирована роль доноров внутриклеточных газовых трансмиттеров в рецепторопосредованном и митохондриальном путях реализации апоптоза опухолевых клеткок линии Jurkat . Проапоптотическое влияние указанных доноров носит специфический в отношении клеточных культур и дозозависимый характер.
- Для организации научных исследований с использованием уникального оборудования медицинского центра университета Маастрихта разработано и апробировано техническое решение о создании информационно-телекоммуникационной инфраструктуры для удаленного доступа к высокопроизводительным ресурсам ТГУ и Университета Маастрихта с применением облачных технологий. Проведен эксперимент по передаче данных из Центра магниторезонансных исследований университета Маастрихта на виртуальную машину Центра обработки данных ТГУ и обработки данных в режиме реального времени. Использование суперкомпьютера и центра обработки данных позволить значительно увеличить эффективность научных исследований.
- Для кадрового обеспечения научных исследований и работы на современном оборудовании в мировых медицинских центрах разработана совместная магистерская программа двух дипломов с участием факультета здоровья, медицины и науки о жизни университета Маастрихта и кафедры общей и экспериментальной физики физического факультета ТГУ «Физические методы и информационные технологии в биомедицине». Программа разработана на основе магистерской программы университета Маастрихта «BiomedicalSciences» и магистерской программы ««Физические методы и информационные технологии в биомедицине» ТГУ. В 2014 году трое магистрантов ТГУ на второй год обучения отправлены в университет Маастрихта для обучения по данной программе. С этой же целью в 2014 году в аспирантуру ТГУ на физический факультет принято три аспиранта, которые будут специализироваться по современным методам диагностических исследований в биомедицине. Для развития PhD программ с участием двух университетов в аспирантуру ТГУ принят на конкурсной основе сотрудник Медицинского центра университета Маастрихта Van de Berg Raymond.
Основные результаты исследований, полученные в 2015 году
- Проведены исследования по совершенствованию диагностических тестов на основе определения вестибулярных порогов человека для усовершенствования передаточной функции для трех электродов вестибулярного имплантата с минимальными перекрестными помехами.
- Разработана методика для оценки функционального состояния вестибулярного аппарата на основе стабилографии, оценки движения глаз, электроэнцефалографии, безмаркерного захвата движений человека.
- Разработана и создана среда виртуальной реальности для оценки сопряженности проприоцептивной системы, зрительного и вестибулярного анализатора.
- Разработана методика количественной оценки функции поддержания равновесия на основе бесконтактного измерения траектории движения точек человека в процессе выполнения постуральных тестов.
- Осуществлено наполнение базы референтных данных клинически однородных групп, включающей данные измерения траекторий движения точек тела пациента при выполнении постуральных тестов, результаты стабилографических и клинических исследований.
- Разработаны технологические основы получения плазмы с заданными свойствами пространственного распределения биологически активных частиц в факеле плазмохимического реактора.
- Изучена роль гемоциркуляторных нарушений в формировании вестибулопатического синдрома при хронической ишемии мозга и разработаны новые способы активации регенеративного потенциала циркулирующих прогениторных клеток для восстановления функций ишемизированных тканей.
- Определены клинико-неврологические, нейро-вестибулярные и инструментальные параметры диагностики битемпоральной вестибулярной дисфункции. Выявлены параметры для характеристики нервно-вегетативной и вестибулярной чувствительности пациентов с двусторонней вестибулярной дисфункцией для исключения пациентов, склонных к проявлению побочных эффектов при вестибулярной имплантации. Разработан протокол обследования лиц с билатеральной вестибулярной дисфункцией и нейро-вестибулярными нарушениями.
- Разработана имитационная модель вестибулярного лабиринта на основе геометрических моделей, синтезируемых из МРТ-изображений, математической модели механорецепторов и двигательных реакций с использованием нелинейных передаточных функций и многоконтурной петли обратной связи по положению тела в пространстве.
Результаты работы представлены в научных журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, с аффилиацией ТГУ (более 20 публикаций).
Для выполнения работ привлекались работники Сибирского государственного медицинского университета на основании договора на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ № 8456/215 от 08.12.2015.
С целью представления результатов деятельности лаборатории на международных и российских конференциях и симпозиумах лаборатория моделирования физических процессов в биологии и медицине являлась одним из организаторов проведения на базе ТГУ II Международной конференция «Социальные науки и Медицинские инновации: Как работать вместе?», международного научного семинара «Фундаментальные исследования и разработки в области биомедицины», XIV Международной научно-практической конференции-выставки «Развитие единой образовательной информационной среды».
Для продвижения лаборатории в сети Интернет и электронных средствах массовой информации совершенствуется и регулярно обновляется web-сайт лаборатории на сервере ТГУ (http://biomed.tsu.ru), на котором размещена информация о направлениях научных исследований и образовательной деятельности лаборатории, научных проектах и грантах с участием российских и иностранных партнеров.
Для кадрового обеспечения научных исследований и работы на современном оборудовании в мировых медицинских центрах с сентября 2015 года запущена совместная магистерская программа двух дипломов «Физические методы и информационные технологии в биомедицине» с участием факультета здоровья, медицины и науки о жизни университета Маастрихта и кафедры общей и экспериментальной физики физического факультета ТГУ. Программа разработана на основе магистерской программы университета Маастрихта «Biomedical Sciences» и магистерской программы «Физические методы и информационные технологии в биомедицине» ТГУ.
На базе лаборатории осуществляется подготовка двух аспирантов в области биомедицины.
Разработка новых методов оценки функционального состояния вестибулярного аппарата позволит на ранних стадиях выявлять нарушения в системе поддержания равновесия человека, а также определять причину данных нарушений. Система для реабилитации позволит не медикаментозно корректировать функциональные нарушения системы движения человека, что должно положительно повлиять на качество жизни больных с вестибулярными нарушениями.
Результаты исследований будут использованы для совершенствования диагностики вестибулярных нарушений у пациентов и развития хирургической техники для восстановления вестибулярной функции.
Основные результаты исследований, полученные в 2016 году
- Разработан прототип программного обеспечения для трехмерной реконструкции лабиринта с целью получения анатомически детальной информации для разработки имплантируемых электродов.
- Разработан прототип программного обеспечения для планирования операции по установке импланта с использованием магнито-резонансных изображений высокого разрешения.
- Осуществлено развитие технических и программных средств для оценки функционального состояния вестибулярного аппарата на основе стабилографии, оценки движения глаз, электроэнцефалографии, безмаркерного захвата движений человека, включая:
— разработку прототипа высокопроизводительной программной среды для обработки данных регистрации движения и вычисления интегральной оценки функционального состояния системы поддержания равновесия;
— разработку прототипа программной среды виртуальной реальности с возможностью выбора визуального окружения и различных визуальных и проприоцептивных диссоциирующих стимулов;
— разработку программного и методического обеспечения для автоматизированной оценки результатов постуральных тестов.
- Построена физико-математическая модель гемодинамики вестибулярного отдела головного мозга для моделирования критических ситуаций и разработки вариантов их предупреждения и коррекции.
- Выявлены основные закономерности нарушений мозговой гемодинамики при вестибулопатиях различного генеза. Разработаны способы прогнозирования эффективностиих терапии и новые фармакологические подходы нейропротекции путем стимуляции функций эндогенных стволовых клеток нервной ткани.
По результатам работы в Роспатент поданы заявки на Программу для ЭВМ по темам – «Статмод-1.0. Статистическое моделирование функции распределения электронов в разрядах пучкового типа с применением метода Монте-Карло», «GlowTOspark-1.0. Численное моделирование плазмы, формируемой при переходе от искрового к тлеющему разряду в гелии».
Опубликовано 20 научных работ в научных журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus.
Для выполнения работ привлекались работники Сибирского государственного медицинского университета на основании договоров на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ № 302, 303 от 01.12.2016.