Биофизика и медицинская физика

Биомедицинские технологии

Показана возможность использования кремниевых наночастиц, сформированных методом пикосекундной лазерной абляции в качестве биомаркеров в приложениях оптической когерентной томографии. При облучении мощными лазерными импульсами вместо используемых обычно кристаллических пластин кремния использовались плёнки пористого кремния, полученные методом электрохимического травления. Это позволило в несколько раз

	увеличить массовый выход наночастиц. Разработанный метод позволяет получать кремниевые наночастицы необходимого размера, которые не оказывают вредного воздействия на живые ткани и хорошо выводятся из организма. Использование данных частиц в качестве биомаркеров позволит увидеть скрытые в непрозрачной среде организма структурные неоднородности, например, опухоли.
Слева прозрачный агаровый гель без биомаркеров, справа — с внедрёнными кремниевыми наночастицами

Синтезированы наночастицы оксида железа, стабилизированные олеиновой кислотой/олеатом натрия, которые могут использоваться при лечении опухолей с помощью магнитной гипертермии. Подтверждена эффективность магнитной гипертермии для лечения трансплантированной карциномы.

Разработан метод изготовления нанобиосенсорной системы на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом, в которую интегрированы терморегулирующие устройства. Предлагаемая система позволяет поддерживать необходимые температурные режимы в биоаналитических исследованиях.

Изучено влияние наноалмазов на структуру и функцию белков плазмы и оксигенацию и микрореологические свойства эритроцитов.

Одним из ярких достижений является изобретение эластографа, прибора для измерения сдвигового модуля упругости — наиболее чувствительного параметра патологически измененных мягких тканей. Прибор запатентован и в настоящее время производится десятками зарубежных фирм.

Развиты методы исследования глубоколежащих тканей головного мозга с использованием волоконно-оптических сенсоров и нейроинтерфейсов, позволившие проводить измерения функциональной активности и патологий свободно движущихся животных в режиме in vivo. Выполнены фундаментальные работы по синтезу и исследованию свойств одномерных и квазиодномерных углеродных структур, разработана теоретическая модель структуры карбина, создана технология получения углеродных покрытий, обладающих высокими биосовместимыми и антибакетриальными свойствами, в том числе созданы биосовместимые покрытия для сосудистой хирургии. Исследованы механизмы токсического воздействия ионов тяжёлых металлов на белки и ферменты. Проанализировано взаимодействие различных белков с наночастицами, используемыми для различных медицинских приложений. Разработаны неинвазивные методы измерения искажений изображения глазом человека, создан медицинский прибор-динамический аберрометр.
	Сотрудники кафедры квантовой электроники проводят оптическую диагностику в ходе операционного процесса
	Рефлектометр-офтальмоскоп, предназна-ченный для неинвазивного контроля состояния внешних отделов глаза человека

Создан терагерцовый рефлектометр-офтальмоскоп, предназначенный для неинвазивного контроля состояния внешних отделов глаза человека. Прибор позволяет определять in-vivo в динамике гидратацию роговичной ткани глаза человека и контролировать толщину слезной пленки.

Созданы биосовместимые нанокомпозитные коллоидные липидные везикулы, в мембраны которых встроены наночастицы магнетита и золота, содержащие капсулированный противоопухолевый препарат доксорубицин. Показано, что выход доксорубицина из таких везикул эффективно инициируется ультракороткими импульсами внешнего электрического поля.

Тромбодинамика

Разработан метод тромбодинамики — исследование динамики роста тромба в режиме «онлайн», — разработанный сотрудниками физического факультета в содружестве с ведущими российскими клиническими центрами, показал высокую чувствительность и специфичность, позволяя детектировать как гипер-, так и гипокоагуляцию у пациентов с COVID-19 и успешно контролировать терапию.

Свертывание крови в тесте тромбодинамики

Разработана концепция иерархических математических и компьютерных моделей неравновесных процессов структурообразования в ходе гемостатического ответа. Было показано, что растущий тромб может быть рассмотрен как нелинейная динамическая система. Гидродинамические силы способны останавливать его рост и препятствовать окклюзии сосуда, если размер тромба меньше порогового значения. Помимо этого, показано, что гидродинамические силы способствуют «переключению» тромбоцитов в активное состояние путем механического растяжения белков клеточной адгезии.

Показано, что механическое сжатие тромба приводит к вытеснению умирающих тромбоцитов на его поверхность, что может влиять механическую стабильность сгустка.

Перераспределение клеток в тромбах

Биокинетика наночастиц

Разработаны новые уникальные методики исследования и математического моделирования биокинетики наночастиц серебра, золота, селена, диоксида титана и углеродных нанотрубок в живых организмах. Установлено, что наночастицы серебра способны избирательно накапливаться в головном мозге, тестикулах и легких, а также оказывать негативное влияние на когнитивные функции. При этом, серебро в ионной форме не проявляет выраженной нейротоксичности.

Молекулярные биологические машины

Разработано представление о сопряженном нарушении симметрии и смене формы энергии при движении молекулярной машины по рабочему циклу в ходе совершения «полезной работы».

Предложен и обоснован новый механизм сборки тубулиновых микротрубочек (функционирующая на пространственных масштабах от нанометров до десятков микрометров и на временных масштабах от микросекунд до часов), а также новый механизм переключения микротрубочек от сборки к разборке. Теоретически описан процесс генерации силы микротрубочкой для транспорта хромосом во время деления клеток.

С помощью вычислительных и экспериментальных подходов найдены новые перспективные соединения, нарушающие взаимодействия микротрубочек и белков, обеспечивающих прикрепление микротрубочек к хромосомам. На основе этих соединений разрабатываются средства противоопухолевой химиотерапии нового принципа действия, обладающие существенно сниженной токсичностью.

Поляризационная микроскопия в клеточных технологиях

Разработан метод оценки внешних морфологических параметров клеток и их внутренней структуры с помощью поляризационной микроскопии. Показано, что при таком исследовании клетки могут сохраняться живыми.

Криобиология

Развиты методические подходы к эффективному криохранению биологического материала. Предложены новые режимы заморозки и новые составы криопротекторных сред. Изучены физико-химические характеристики криопротекторных сред. Методом рентгеноструктурного анализа исследовано влияние отдельных компонент среды для криоконсервации на формирование кристаллов. Создана математическая модель, описывающая механизм проникновения глицерина в клетки в качестве криопротектора.

X-Ray: криопротекторная среда