Лаборатория молекулярной, трансляционной и цифровой медицины

Значимые научные результаты:

1. В рамках программы обеспечения технологического суверенитета Российской Федерации разработан и апробирован ряд реагентов, отсутствующих либо дефицитных на рынке РФ и дружественных стран: гасители неспецифичного сигнала и усилители специфичного сигнала для иммунофлюоресцентного и иммуногистохимического окрашивания (квенчерно-энхансерные комплексы), питательная среда для культивирования и поддержания жизнеспособности первичных эндотелиальных клеток, криосреда для моментальной заморозки и последующей криотомии (низкотемпературного приготовления срезов) биологических тканей, комплекс реагентов для проведения флюоресцентного иммуноблоттинга нового поколения;

2. Разработан и апробирован оригинальный метод электронно-микроскопического исследования цельных биологических тканей (EM-BSEM) для ультраструктурного анализа элементов системы кровообращения, позволяющий осуществлять распознавание основных ультраструктурных патологий сердечно-сосудистой системы и проводить фенотипирование клеток, составляющих элементы системы кровообращения;

3. В настоящее время завершается первый этап проведения доклинических испытаний эффективности различных терапевтических режимов коррекции нарушений минерального гомеостаза для регрессии атеросклероза (экспериментальная модель – возрастные гиперлипидемические ApoE-нокаутныe мыши);

4. Получено патофизиологическое обоснование использования гиперлипидемических ApoE-нокаутных мышей различного пола и возраста в качестве in vivo модели липидного поражения и кальцификации аортального клапана, что в ближайшей перспективе позволит запустить доклиническое испытание нового перспективного лекарственного препарата для профилактики кальцификации клапанов сердца совместно с Национальным медицинским исследовательским центром имени В.А. Алмазова и Институтом цитологии РАН;

5. В совместном проекте с лабораторией новых биоматериалов проведены in vitro испытания протеазозащищенного биопротеза клапанов сердца нового поколения, выполняются приготовления к старту их доклинических испытаний (экспериментальная модель – овцы);

6. При помощи протеомного профилирования доказана релевантность использования искусственно синтезируемых кальций-фосфатных бионов (кальципротеиновых частиц) для моделирования неспецифической дисфункции эндотелия;

7. Разработана и апробирована универсальная молекулярная панель для скрининга дисфункции эндотелия в эксперименте и прицельная молекулярная панель для анализа эндотелиально-мезенхимального перехода;

8. Разработан, обоснован гистологически и апробирован способ окрашивания сосудов микроциркуляторного русла, на порядок увеличивающий интенсивность специфичного сигнала и позволяющий осуществлять объективный анализ сосудистой геометрии;

9. На различных экспериментальных моделях и клинических сценариях доказана патологическая роль избыточной неоваскуляризации в развитии (около)сосудистого воспаления и формировании неоинтимы, что свидетельствует о непосредственной важности измерения данного параметра при оценке биосовместимости тканеинженерных медицинских изделий;

10. Показана патофизиологическая важность одной из основных аутоиммунных посттрансляционных модификаций белков (цитруллинирования) в патогенезе атеросклероза;

11. На основе трехцентрового клинико-эпидемиологического исследования созданы инструменты для автоматизированного прогнозирования риска летального исхода у пациентов с тяжелым течением COVID-19.

ПРОЕКТЫ

Фундаментальная биомедицина:

1. Изучение проблемных аспектов гетерогенности эндотелиальных клеток, в частности, исследование различий в физиологическом профиле генной и белковой экспрессии между артериальными и венозными эндотелиальными клетками, а также между эндотелиальными клетками различных артерий;

2. Исследование молекулярных основ ответа эндотелиальных клеток на воздействие кальций-фосфатных бионов (кальципротеиновых частиц), являющихся неотъемлемым элементом системы поддержания минерального гомеостаза, однако вместе с тем провоцирующих развитие дисфункции эндотелия;

3. Анализ патогенных эффектов кальций-фосфатных бионов на форменные элементы крови (лейкоциты, тромбоциты и эритроциты) при их циркуляции в системном кровотоке;

4. Изучение молекулярных отпечатков эндотелиально-мезенхимального перехода и патофизиологической значимости данного феномена в развитии дисфункций гетерологических и тканеинженерных медицинских изделий;

5. Определение вклада различных типов сосудов микроциркуляторного русла (артериол, венул и капилляров) в формирование неоинтимы и развитие адвентициального и периваскулярного (околососудистого) воспаления;

6. Оценка патофизиологической значимости цитруллинирования (одной из основных аутоиммунных модификаций) в развитии атеросклероза.

Трансляционная медицина:

1. Проведение доклинических испытаний эффективности различных терапевтических режимов коррекции нарушений минерального гомеостаза для профилактики и регрессии атеросклероза;

2. Разработка и апробация оригинального метода электронно-микроскопического исследования цельных биологических тканей (EM-BSEM) для ультраструктурного анализа элементов системы кровообращения, позволяющего осуществлять распознавание основных ультраструктурных патологий сердечно-сосудистой системы и проводить фенотипирование клеток, составляющих элементы системы кровообращения;

3. Разработка и проведение доклинических испытаний эффективности протеазозащищенного биопротеза клапанов сердца нового поколения (ксеноперикардиального биопротеза с полимерной обшивкой);

4. Разработка патофизиологического обоснования применения гиперлипидемических ApoE-нокаутных мышей как in vivo модели липидного поражения и кальцификации аортального клапана.

Цифровая медицина:

1. Создание инструментов для автоматизированного прогнозирования риска летального исхода у пациентов с тяжелым течением COVID-19;

2. Создание алгоритмов автоматизированного распознавания ультраструктурных патологий сердечно-сосудистой системы и автоматизированного определения клеточных популяций на основе методов глубокого машинного обучения;

3. Разработка технологии виртуального гистологического окрашивания элементов системы кровообращения.

Обеспечение технологического суверенитета Российской Федерации

1. Создание комплекса реагентов для гашения аутофлюоресценции и усиления специфичного флюоресцентного сигнала (квенчерно-энхансерного комплекса) при иммунофлюоресцентном окрашивании биологических тканей, а также разработка технологии максимизации соотношения «сигнал-шум» с использованием данного комплекса реагентов;

2. Создание комплекса реагентов для гашения фонового окрашивания и усиления специфичного иммуногистохимического окрашивания биологических тканей, а также разработка технологии максимизации соотношения «сигнал-шум» с использованием данного комплекса реагентов;

3. Создание питательной среды для культивирования и поддержания жизнедеятельности первичных эндотелиальных клеток, полностью состоящей из производимых в Российской Федерации компонентов;

4. Создание криосреды для моментальной заморозки и последующей криотомии (низкотемпературного приготовления срезов) биологических тканей;

5. Создание комплекса реагентов для проведения флюоресцентного иммуноблоттинга нового поколения.

ПУБЛИКАЦИИ

Общее число публикаций лаборатории (2019-2022): 42 (Web of Science), 47 (Scopus), 31 (PubMed), 103 (РИНЦ)

Избранные публикации:

1. Early Postoperative Immunothrombosis of Bioprosthetic Mitral Valve and Left Atrium: A Case Report. Kostyunin A., Glushkova T., Stasev A., Mukhamadiyarov R., Velikanova E., Bogdanov L., Sinitskaya A., Asanov M., Ovcharenko E., Barbarash L., Kutikhin A. Int J Mol Sci. 2022. Vol. 23. No. 12. P. 6736. doi: 10.3390/ijms23126736.

2. Endothelial Dysfunction in the Context of Blood-Brain Barrier Modeling. Kutikhin AG, Shishkova DK, Velikanova EA, Sinitsky MY, Sinitskaya AV, Markova VE. J Evol Biochem Physiol. 2022. Vol. 58. No. 3. P. 781-806. doi: 10.1134/S0022093022030139.

3. Calciprotein Particles Link Disturbed Mineral Homeostasis with Cardiovascular Disease by Causing Endothelial Dysfunction and Vascular Inflammation. Shishkova D.K., Velikanova E.A., Bogdanov L.A., Sinitsky M.Y., Kostyunin A.E., Tsepokina A.V., Gruzdeva O.V., Mironov A.V., Mukhamadiyarov R.A., Glushkova T.V., Krivkina E.O., Matveeva V.G., Hryachkova O.N., Markova V.E., Dyleva Y.A., Belik E.V., Frolov A.V., Shabaev A.R., Efimova O.S., Popova A.N., Malysheva V.Y., Kolmykov R.P., Sevostyanov O.G., Russakov D.M., Dolganyuk V.F., Gutakovsky A.K., Zhivodkov Y.A., Kozhukhov A.S., Brusina E.B., Ismagilov Z.R., Barbarash O.L., Yuzhalin A.E., Kutikhin A.G. Int J Mol Sci. 2021. Vol. 22. No. 22. P. 12458. doi: 10.3390/ijms222212458.

4. EMbedding and Backscattered Scanning Electron Microscopy: A Detailed Protocol for the Whole-Specimen, High-Resolution Analysis of Cardiovascular Tissues. Mukhamadiyarov R.A., Bogdanov L.A., Glushkova T.V., Shishkova D.K., Kostyunin A.E., Koshelev V.A., Shabaev A.R., Frolov A.V., Stasev A.N., Lyapin A.A., Kutikhin A.G. Front Cardiovasc Med. 2021. Vol. 8. P. 739549. doi: 10.3389/fcvm.2021.739549.

5. Loss of Nfat5 promotes lipid accumulation in vascular smooth muscle cells. Kappert L., Ruzicka P., Kutikhin A., De La Torre C., Fischer A., Hecker M., Arnold C., Korff T. FASEB J. 2021. Vol. 35. No. 9. P. e21831. doi: 10.1096/fj.202100682R.

6. Aortography Keypoint Tracking for Transcatheter Aortic Valve Implantation Based on Multi-Task Learning. Danilov V.V., Klyshnikov K.Y., Gerget O.M., Skirnevsky I.P., Kutikhin A.G., Shilov A.A., Ganyukov V.I., Ovcharenko E.A. Front Cardiovasc Med. 2021. Vol. 8. P. 697737. doi: 10.3389/fcvm.2021.697737.

7. Real-time coronary artery stenosis detection based on modern neural networks. Danilov V.V., Klyshnikov K.Y., Gerget O.M., Kutikhin A.G., Ganyukov V.I., Frangi A.F., Ovcharenko E.A. Sci Rep. 2021. Vol. 11. No. 1. P. 7582. doi: 10.1038/s41598-021-87174-2.

8. Calciprotein Particles: Balancing Mineral Homeostasis and Vascular Pathology. Kutikhin A.G., Feenstra L., Kostyunin A.E., Yuzhalin A.E., Hillebrands J.L., Krenning G. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2021. Vol. 41. No. 5. P. 1607-1624. doi: 10.1161/ATVBAHA.120.315697.

9. Calciprotein Particles Cause Endothelial Dysfunction under Flow. Shishkova D., Markova V., Sinitsky M., Tsepokina A., Velikanova E., Bogdanov L., Glushkova T., Kutikhin A. Int J Mol Sci. 2020. Vol. 21. No. 22. P. 8802. doi: 10.3390/ijms21228802.

10. Co-Culture of Primary Human Coronary Artery and Internal Thoracic Artery Endothelial Cells Results in Mutually Beneficial Paracrine Interactions. Shishkova D., Markova V., Sinitsky M., Tsepokina A., Frolov A., Zagorodnikov N., Bogdanov L., Kutikhin A. Int J Mol Sci. 2020. Vol. 21. No. 21. P. 8032. doi: 10.3390/ijms21218032.

11. Ultrastructural Pathology of Atherosclerosis, Calcific Aortic Valve Disease, and Bioprosthetic Heart Valve Degeneration: Commonalities and Differences. Kostyunin A., Mukhamadiyarov R., Glushkova T., Bogdanov L., Shishkova D., Osyaev N., Ovcharenko E., Kutikhin A. Int J Mol Sci. 2020. Vol. 21. No. 20. P. 7434. doi: 10.3390/ijms21207434.

12. Degeneration of Bioprosthetic Heart Valves: Update 2020. Kostyunin A.E., Yuzhalin A.E., Rezvova M.A., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Kutikhin A.G. J Am Heart Assoc. 2020. Vol. 9. No. 19. P. e018506. doi: 10.1161/JAHA.120.018506.

13. Human Peripheral Blood-Derived Endothelial Colony-Forming Cells Are Highly Similar to Mature Vascular Endothelial Cells yet Demonstrate a Transitional Transcriptomic Signature. Kutikhin A.G., Tupikin A.E., Matveeva V.G., Shishkova D.K., Antonova L.V., Kabilov M.R., Velikanova E.A. Cells. 2020. Vol. 9. No. 4. P. 876. doi: 10.3390/cells9040876.

14. Calcium Phosphate Bions Cause Intimal Hyperplasia in Intact Aortas of Normolipidemic Rats through Endothelial Injury. Shishkova D., Velikanova E., Sinitsky M., Tsepokina A., Gruzdeva O., Bogdanov L., Kutikhin A. Int J Mol Sci. 2019. Vol. 20. No. 22. P. 5728. doi: 10.3390/ijms20225728.

15. Development of calcific aortic valve disease: Do we know enough for new clinical trials? Kostyunin A.E., Yuzhalin A.E., Ovcharenko E.A., Kutikhin A.G. J Mol Cell Cardiol. 2019. Vol. 132. P. 189-209. doi: 10.1016/j.yjmcc.2019.05.016.

ПАТЕНТЫ

В настоящее время к подаче в Федеральное государственное бюджетное учреждение «Федеральный институт промышленной собственности» (ФИПС) в рамках обеспечения технологического суверенитета Российской Федерации готовятся 5 патентов:

 1. Комплекс реагентов для гашения аутофлюоресценции и усиления специфичного флюоресцентного сигнала при иммунофлюоресцентном окрашивании биологических тканей и способ их получения и применения;

2. Комплекс реагентов для гашения фонового окрашивания и усиления специфичного иммуногистохимического окрашивания биологических тканей и способ их получения и применения;

3. Питательная среда для культивирования и поддержания жизнедеятельности первичных эндотелиальных клеток и способ ее получения;

4. Криосреда для моментальной заморозки и последующей криотомии биологических тканей и способ ее получения;

5. Комплекс реагентов для флюоресцентного иммуноблоттинга нового поколения и способ их получения и применения.

 ГРАНТЫ

1. Грант Российского научного фонда № 24-65-00039 "Идентификация циркулирующего маркера провоспалительной дисфункции эндотелия в контексте гетерогенности эндотелиальных клеток". (2024-2027, 60 000 000 рублей);

2.  Грант Российского научного фонда№ 24-75-10057 "Идентификация клеточных маркеров дисфункции эндотелия". (2024-2027, 24 000 000 рублей);

1.      Грант Российского научного фонда № 22-15-00107 «Патологические последствия и молекулярные механизмы воздействия кальций-фосфатных бионов (кальципротеиновых частиц) на форменные элементы крови» (2022-2024, 21 000 000 рублей);

2.      Грант Российского научного фонда № 19-15-00032 «Молекулярные механизмы токсичности кальций-фосфатных бионов для эндотелия» (2019-2021, 18 000 000 рублей);

3.      Грант Google Kaggle Open Data Research Grant «Dissecting the Plaque: Defining a Culprit of Stroke by Image Analysis» («Расшифровывая атеросклеротическую бляшку: выявление причин инсульта при помощи анализа изображений») (2020, 450 000 рублей);

5.      Грант Российского фонда фундаментальных исследований № 19-015-00198 «Изучение взаимодействий между эндотелиальными клетками коронарной и внутренней грудной артерии с целью патогенетического обоснования эффективности применения аутоартериальных кондуитов для коронарного шунтирования» (2019-2021, 3 000 000 рублей);

6.      Грант Российского фонда фундаментальных исследований № 18-415-420005 «Клеточно-опосредованные механизмы проатеросклеротического действия кальций-фосфатных бионов» (2018, 150 000 рублей);

7.      Грант Российского фонда фундаментальных исследований № 17-04-00570 «Оценка специфичности токсического действия кальций-фосфатных бионов на эндотелий» (2017-2018, 1 400 000 рублей).

Общая сумма привлеченных бюджетных средств – 50 000 000 рублей, внебюджетных средств – 44 000 000 рублей

В рамках НИР государственного задания выполняются исследования по следующим направлениям:

- Научная тематика лаборатории в рамках фундаментальной темы НИИ КПССЗ № 0419-2021-001 при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках национального проекта "Наука и университеты" (2021-2023, 45 000 000 рублей):

Разработка новых фармакологических подходов к экспериментальной терапии атеросклероза и комплексных цифровых решений на основе искусственного интеллекта для автоматизированной диагностики патологий системы кровообращения и определения риска летального исхода.

Научные задачи лаборатории:

1. Провести апробацию нового оригинального метода для ультраструктурного анализа элементов системы кровообращения, позволяющего осуществлять распознавание основных ультраструктурных патологий сердечно-сосудистой системы и фенотипирование клеток, составляющих элементы системы кровообращения;

2. Выявить новые молекулярные маркеры прогрессирования атеросклероза и дисфункций клапанов сердца с целью идентификации мишеней для клеточного репрограммирования;

3. Провести доклинические испытания и апробацию новых подходов к экспериментальной терапии атеросклероза посредством коррекции нарушений минерального гомеостаза;

4. Используя технологии искусственных нейронных сетей, сконструировать инструменты для автоматизированного прогнозирования риска летального исхода у пациентов с тяжелым течением COVID-19;

5. Создать алгоритмы автоматизированного распознавания ультраструктурных патологий сердечно-сосудистой системы и автоматизированного определения клеточных популяций на основе методов глубокого машинного обучения;

6. Разработать технологию виртуального гистологического окрашивания элементов системы кровообращения.

 - Научная тематика лаборатории в рамках фундаментальной темы НИИ КПССЗ № 0419-2022-0001 при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (2022-2026, 5 000 000 рублей):

Молекулярные, клеточные и биомеханические механизмы патогенеза сердечно-сосудистых заболеваний в разработке новых методов лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы на основе персонифицированной фармакотерапии, внедрения малоинвазивных медицинских изделий, биоматериалов и тканеинженерных имплантатов.

Научные задачи лаборатории:

1. Завершить разработку патофизиологического обоснования эффективности артериальных кондуитов для коронарного шунтирования с идентификацией ответственных за поддержание послеоперационного гомеостаза механизмов, включая роль паракринных эффектов эндотелиальных клеток коронарной артерии и кондуита;

2. Определить роль различных типов сосудов микроциркуляторного русла (артериолы, венулы и капилляры) в формировании неоинтимы и развитии адвентициального и периваскулярного (околососудистого) воспаления.

 - Научная тематика лаборатории в рамках гранта Российского научного фонда № 22-15-00107 (2022-2024, 21 000 000 рублей):

Патологические последствия и молекулярные механизмы воздействия кальций-фосфатных бионов (кальципротеиновых частиц) на форменные элементы крови.

Научные задачи лаборатории:

1. Определить изменения показателей общего анализа крови, связанные с воздействием кальций-фосфатных бионов (КФБ);

2. Провести анализ интернализации КФБ форменными элементами крови в сопоставлении с эндотелиальными клетками;

3. Исследовать, влияет ли воздействие КФБ на уровень цитокинов и хемокинов в окружающей лейкоциты, тромбоциты и эритроциты среде (в плазме крови – при работе с цельной гепаринизированной кровью и в культуральной среде – при изолированном культивировании форменных элементов) и в выделяемых ими внеклеточных везикулах;

4. Изучить, вызывает ли воздействие КФБ провоспалительную и протромботическую активацию тромбоцитов;

5. Определить, влияет ли воздействие КФБ на агрегацию и деформационную способность эритроцитов;

6. Исследовать, влияет ли воздействие КФБ на биодоступность монооксида азота (NO) и активность ответственной за синтез NO в эритроцитах эндотелиальной NO-синтазы, а также вызывает ли воздействие КФБ нарушения ее функционирования;

7. Изучить, вызывает ли воздействие КФБ провоспалительную активацию нейтрофилов, моноцитов и лимфоцитов;

8. Определить, вызывает ли воздействие КФБ формирование нейтрофильных внеклеточных ловушек;

9. Исследовать корреляционные связи между концентрацией КФБ в сыворотке крови и показателями общего и расширенного биохимического анализа крови, а также цитокинами, уровень которых наиболее подвержен изменениям при введении КФБ в циркулирующую кровь в описанных выше экспериментальных моделях.

Список сотрудников лаборатории:

- Мухамадияров Ринат Авхадиевич, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, кандидат биологических наук;

-  Овчаренко Евгений Андреевич, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, кандидат технических наук;

- Клышников Кирилл Юрьевич, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, кандидат медицинских наук;

- Богданов Лев Александрович, научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, кандидат биологических наук;

- Маркова Виктория Евгеньевна, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, аспирант третьего года обучения Института биологии, экологии и природных ресурсов Кемеровского государственного университета, магистр биологии (физиология и психофизиология);

- Каноныкина Анастасия Юрьевна, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, магистр биологии (физиология и психофизиология);

- Кошелев Владислав Александрович, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, магистр биологии (физиология и психофизиология);

 - Лазебная Анастасия Ивановна, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, магистр биологии (физиология и психофизиология);

- Маркова Юлия Олеговна, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины;  

- Тюрина Арина Евгеньевна, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, магистрант первого года обучения Института биологии, экологии и природных ресурсов Кемеровского государственного университета(физиология и психофизиология); 

- Кондратьев Егор Андреевич,  младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, магистрант первого года обучения Института биологии, экологии и природных ресурсов Кемеровского государственного университета(физиология и психофизиология);  

- Степанов Александр Денисович, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины, магистрант первого года обучения Института биологии, экологии и природных ресурсов Кемеровского государственного университета(физиология и психофизиология).

Отдел экспериментальной медицины