Спосіб проведення експерименту для моделювання біологічних процесів

Реферат: Спосіб проведення експерименту для моделювання біологічних процесів включає проведення ультразвукового дослідження малих лабораторних тварин з використанням допплерографії та соноеластографії. Вводять контрастні препарати та визначають рух тканин. Проводять пункційні втручання під УЗ контролем. Створюють вексельні та векторні тривимірні моделі. UA 78082 U (12) UA 78082 U UA 78082 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до біології, медицини, зокрема фізіології, мікробіології, фармакології, ультразвукової діагностики, променевої діагностики для моделювання біологічних процесів на лабораторних тваринах з можливістю динамічного прижиттєвого контролю. Вимоги часу з переходом розвинених країн до шостого рівня технологічного укладу для забезпечення концепції сталого розвитку потребують розробки нових наукоємних медичних технологій з застосуванням достовірних моделей на межі спеціальностей, впровадження не мінімально-інвазивних діагностичних та лікувальних методик. Ці процеси можливі за умови добре організованого процесу обміну і передачі знань серед учасників біомедичних досліджень і біотехнологічної промисловості для виготовлення передових діагностичних і лікувальних засобів на основі ресурсозберігаючих технологій, безпечних для екології, відповідних до принципів етики [Predictive Diagnostics & Personalized Treatment: Dream or Reality, O. Golubnitschaja (ed.) released by Nova Science Publishers, New York 2009.]. Мишачі та щурячі моделі широко використовуються в біологічних та медичних науках. В США використовують до 80 млн. дрібних тварин для проведення експериментів щорічно (дані за 2001 рік) [Carbone, Larry. What Animals Want. Oxford University Press, 2004, p. 26.]. Прогнозується, що багато захворювань людини будуть надалі досліджуються на піддослідних тваринах, доцільність таких моделей у майбутньому визначається неможливістю відтворити взаємодію молекул клітин, органів, організму та навколишнього середовища навіть за допомогою найпотужніших комп'ютерних систем з застосуванням адаптованих математичних моделей [Science, Medicine, and Animals", Institute for Laboratory Animal Research, Published by the National Research Council of the National Academies 2004; page 2.]. Проте подібні дослідження досі обмежені нездатністю неінвазивно зібрати анатомічні та фізіологічні дані динамічно протягом часу дослідження. Для того, щоб дослідити зміни, піддослідних мишей доводилося вбивати і препарувати. Тому питання зменшення кількості втрат дрібних тварин та підвищення якості експерименту за рахунок прижиттєвої оцінки змін тканин тварин є досить актуальним завданням. Так, відомий спосіб магнітно-резонансної томографії (МРТ) лабораторних тварин, яка вважається привабливим неінвазивним методом візуалізації, не створює іонізуючого випромінювання і забезпечує достатню просторову роздільну здатність [Robia G. Pautler Mouse MRI: Concepts and Applications in Physiology PHYSIOLOGY 19: 168-175, 2004; 10.1152.]. Однак для забезпечення достатньої роздільної здатності МРТ при дослідженні дрібних тварин необхідні апарати з дуже сильним магнітним полем - до 14 Тесла повинні бути використані для вивчення дрібних об'єктів, таких як миші. Таке обладнання є лише в кількох науково-дослідних лабораторіях. Сьогодні при порівнянні діагностичної ефективності різних методів непрямої візуалізації якісно нового значення почала набувати ультрасонографія (ультразвукове дослідження, УЗД), що пов'язано як з вдосконаленням самого методу ультразвукової візуалізації, так і з результатами тривимірної реконструкції, виконаної за ультрасонографічними даними [Robb R.A. Three-Dimensional Biomedical Imaging. Principles and Practice. VCH Publishers, Inc., New York, NY, 1995.]. Так сучасні ультразвукові апарати навіть загального призначення дають можливість отримувати зображення з роздільною здатністю до 0,1 мм, що значно вище, ніж може бути досягнуто за допомогою магнітно-резонансної томографії (МРТ) напруженістю магнітного поля навіть 3 Тесла, роздільною здатністю до 0,2х0,2х1,0 мм [Saupe N, Prüssmann KP, Luechinger R, Bösiger P, Marincek B, Weishaupt D. MR imaging of the wrist: comparison between 1.5-and 3-T MR imaging--preliminary experience. Radiology 2005; 234: 256-64.]. Останні технічні розробки дозволяють використовувати більш високі частоти ультразвуку з досягненням кращої роздільної здатності ультразвукового (УЗ) зображення, а постпроцесинг підвищує зручність для користувача. Крім того, слід враховувати наявність іонізуючого навантаження при комп'ютерній томографії, а також малодоступність та високі кошти магнітно-резонансної томографії. Шляхи моделювання з застосуванням УЗ візуалізації: - дослідження живої тканини дає можливість функціонального дослідження, проте, неможливо вивчати інтервенційні методики; - придослідженні мертвих тканин оцінюється тільки будова, проте є високий реалізм структури тканини, є можливість проведення інтервенцій; - дослідження з застосуванням фантомів дозволяють моделювання основних неінвазивних характеристик УЗД, проводити втручання під УЗ контролем, проте при цьому важко досягнути повного реалізму сонографічного зображення. Відомий спосіб використання ультрасонографії з дослідницькою метою - ультразвукової біомікроскопії (UBM), з застосуванням ехокардіографії для внутрішньоутробного дослідження серцево-судинної системи в ембріону миші [Colin К.L. and Daniel H. Turnbull Ultrasound 1 UA 78082 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 biomicroscopy-Doppler in mouse cardiovascular development Physiol Genomics 14: 3-15, 2003.]. Проте, досі методи преклінічної візуалізації на дрібних тваринах, особливо з використання УЗ технологій використовується лише в поодиноких дослідницьких центрах світу, з застосуванням спеціального обладнання [Small Animal Imaging: Basics and Practical Guide. Kiessling, Fabian; Pichler, Bernd J. (Eds.). 1st Edition., 2011, Springer]. За найближчий аналог - спосіб сонографії печінки у новонароджених телят (Патент України № 14421. опубл. 15.05.2006, Бюл. № 5, 2006 p.), що включає застосування ультразвукових хвиль, який відрізняється тим, що прижиттєве ультразвукове сканування печінки у новонароджених телят проводять в правих супраабдомінальній і супракостальній позиціях розташування датчика приладу ультразвукової дії "Scanner 100S" і визначають динамічність ехоморфології структур печінки. Проте даний спосіб стосується використання ультразвукової діагностики в галузі ветеринарії у великих тварин, розроблені параметри обмежені ультрасонографією печінки телят, не ставить дослідницької мети, не передбачає прижиттєвий моніторинг стану цільових органів тварини в експерименті, не включає оцінки додаткових ультразвукових параметрів, як соноеластографія, введення контрастних речовин, не включає інтервенційної сонографії для цільового введення речовин та отримання матеріалу для прижиттєвого дослідження патологічних процесів в організмі тварин. В основу даної корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб проведення експерименту для моделювання біологічних процесів за допомогою використання ультразвукової візуалізації за допомогою високочастотних датчиків, що дозволяє проводити моделювання у дрібних лабораторних тварин патологічних станів: інфекційних, онкологічних, кардіогічних, пульмонологічних, нефрологічних, гепатологічних тощо та проводити дослідження нових лікарських засобів. Переваги ультразвукового дослідження в експерименті: - обстеження дозволяє отримувати зображення в режимі реального часу; - ультразвукове дослідження забезпечує високу якість і роздільну здатність зображення; - УЗД - оптимальний метод для контролю інтервенційних втручань; - відносна доступність методу; - неінвазивна оцінка судинного русла за рахунок застосування допплерографії; - неінвазивна оцінка щільності тканин за рахунок соноеластографії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі, що включає використання променевого обладнання, який відрізняється тим, що при моделюванні патологічних станів для прижиттєвої динамічної реєстрації змін в тканинах тварин проводять ультразвукове дослідження малих лабораторних тварин (щурів, мишей) з використанням датчиків частотою понад 10 МГц з використанням допплерографії, соноеластографії, введення контрастних препаратів, визначення руху тканин, проводять пункційні втручання під УЗ контролем з метою введення препаратів та отримання матеріалу для дослідження, а також створюють вексельні та векторні тривимірні моделі з використанням отриманих ультразвукових даних. Дане рішення стало можливим завдяки емпіричному встановленню ультразвукової семіотики при обстеженні дрібних тварин даних фонометрії та застосування принципів інтервенційної сонографії. Спосіб здійснюється наступним чином. При створенні моделі введення речовин, тканин, наночастинок здійснюється загальноприйнятими методами: оральним, в хвостову вену, інтраперитонеальним та субтенторіальним. Також при потребі виконують цільове введення під контролем ультрасонографії чи застосовують спеціальні прилади. Обстежують тварину до введення, після та надалі прижиттєво впродовж експерименту. При обстеженні забезпечують м'яку надійну фіксацію тварини, за необхідності проводять загальне знеболення прийнятими методами. Дослідження проводять за допомогою ультразвукового апарата, що працює в режимі реального часу з використанням датчиків частотою понад 10 МГц з функцією М-режиму, допплерографії, соноеластографії. Виконують багатоплощинне сканування для забезпечення достатньої візуалізації досліджуваного органа. При необхідності ввести моделюючу речовину чи досліджуваний препарат пункційне втручання виконують при адекватній візуалізації проводять у поперечному скануванні. Для отримання матеріалу виконують тонкоголкову аспіраційну біопсію голкою товщиною 29-31 G. На основі отриманих ультразвукових даних, створюють вексельні та векторні тривимірні моделі. Оцінку стану органів тварин проводять відповідно до критеріїв і моделей ультразвукової діагностики органів людини. Отримані дані середніх лінійних розмірів основних органів мишей та щурів представлені на табл. 1 та 2. 60 2 UA 78082 U Таблиця 1 Фонометричні дані органів мишей середньою вагою 20 г Орган Печінка, висота Нирки Селезінка Нижня порожниста вена Середні розміри, мм 11±1,1 12±1,2 13±1,4 1,5±0,23 Таблиця 2 Фонометричні дані органів щурів середньою вагою 245 г Орган Печінка, висота Нирки Селезінка Нижня порожниста вена Індекс резистовності ниркових судин 5 10 15 20 25 30 35 Середні розміри, мм 15±1,5 16±1,3 14±1,7 3,0±0,23 0,68±0,04 Приклади конкретного використання з клінічною до дослідницькою метою. Приклад 1. Дослідження ефективності введення експериментальних препаратів на мишах [Bubnov R.V., Spivak M.J., Zholobak N.M. The use the ultrasound equipment of general use for in vivo study of cerium dioxide nanoparticles introduction in mice / Матеріали науково-практичної конференції з міжнародною участю "Інноваційні технології в ультразвуковій діагностиці": зб. матеріалів. - К: КЛ "Феофанія", 2011. - С. 25-28. Bubnov R.V. et al. The Use of Ultrasound Equipment of General Use for In Vivo Study of Cerium Dioxide Nanoparticles Introduction in Mice / Ultrasound in Medicine & Biology, Volume 37, Issue 8, Supplement 1, August 2011, Page S162.]. В результаті проведеного дослідження отримано статистично значимі дані змін стану внутрішніх органів мишей у дослідній групі, застосовано нові способи ультразвукової оцінки органів мишей, введення речовин в організм миші під контролем УЗД. Ультразвукове є ефективним методом для прижиттєвого моніторингу цільових органів стану тварини в експерименті. Новий підхід може збільшити ефективність наукового експерименту за рахунок тривалого динамічного спостереження за тваринами. Інтервенційна сонографія є ефективним методом для цільового введення моделюючих речовин та отримання матеріалу для прижиттєвого дослідження, введення досліджуваних препаратів. Кінопетля дозволяє реєструвати найбільш якісні зображення, в тому числі рухомих об'єктів. Таким чином, за допомогою нового підходу можна максимально підвищити ефективність експерименту, дослідження, продовжити динамічне спостереження за твариною. Корисна модель пояснюється схемами та малюнками, на яких зображено: Фіг. 1. УЗ сканування органів черевної порожнини миші. Фіг. 2. Візуалізація органів миші. Фіг. 3. Введення препарату під контролем УЗД. Сонограма: Р - ворота печінки. N - голка. Фіг. 4. Асцит у щура. Таким чином, спосіб проведення експерименту на тваринах, який включає ультразвукове дослідження малих лабораторних тварин (щурів, мишей) для моделювання патологічних станів датчиками з частотою понад 10 МГц для прижиттєвої динамічної реєстрації змін в тканинах тварин для динамічного прижиттєвого контролю, може використовуватись з дослідницькою метою, для проведення фундаментальних, доклінічних досліджень, розробки нових лікарських засобів, є доступним та наочним методом та може рекомендуватися для впровадження для науково-дослідних інститутах, лабораторіях, центрах, підрозділах ультразвукової діагностики, інтервенційної сонографії. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 Спосіб проведення експерименту для моделювання біологічних процесів, що включає використання променевого обладнання, який відрізняється тим, що при моделюванні патологічних станів для прижиттєвої динамічної реєстрації змін в тканинах тварин проводять 3 UA 78082 U 5 ультразвукове дослідження малих лабораторних тварин (щурів, мишей) з використанням датчиків частотою понад 10 МГц з використанням допплерографії, соноеластографії, введення контрастних препаратів, визначення руху тканин, проводять пункційні втручання під УЗ контролем для введення препаратів та отримання матеріалу для дослідження, а також створюють вексельні та векторні тривимірні моделі з використанням отриманих ультразвукових даних. 4 UA 78082 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5