ИСТИНА

Целью данного проекта является исследование новых, ранее детально не исследованных классов флуорофоров, ответственных за красную и ИК флуоресценцию биологических систем. Гипотезой, основанной на серии исследований нашей группы, является то, что указанные флуорофоры являются не какой-то одной молекулой, а представляют собой класс гетерогенных систем флуорофоров, возникающих в результате процессов окисления и других модификаций белков, аминокислот, ДНК и липидов в тканях. В рамках проекта планируется детальное исследование как фотофизических механизмов, стоящих за формированием оптического отклика биомолекул, их агрегатов, клеток и тканей в красной и ИК областях, так и поиск новых ниш для применения этого сигнала в биомедицинской диагностике.

Despite extensive research in the field of tissue and cellular optics, a notable paradox persists: the scientific literature considers only a limited number of endogenous molecules as key contributors to absorption (chromophores) and fluorescence (fluorophores) in the human body. Each "classical" fluorophore or chromophore has well-defined applications in biomedical research and diagnostics. However, the identification of novel classes of endogenous fluorophores and the study of their photophysical properties remain central challenges in biomedical photonics. One of the least explored areas in this field is the fluorescence response of biological tissues in the red and near-infrared (NIR) spectral regions. While red and NIR fluorescence of biological tissues is commonly known, in some cases—such as for endocrine tissues—already employed in medical diagnostics, the fundamental nature of this fluorescence remains a subject of debate. The primary objective of this project is to investigate previously uncharacterized classes of fluorophores responsible for red and NIR fluorescence in biological systems. Based on prior studies conducted by our research group, we hypothesize that these fluorophores do not correspond to individual molecular species but rather represent a heterogeneous class of fluorophores formed as a result of oxidation and other biochemical modifications of proteins, amino acids, DNA, and lipids within tissues. The project will focus on both the fundamental photophysical mechanisms underlying the optical response of biomolecules, their aggregates, cells, and tissues in the red and NIR spectral ranges, as well as the identification of novel applications for these signals in biomedical diagnostics. 1. Development of a predictive model for assessing the optical properties of biomolecules based on their structure using statistical learning approaches. This model will be applied to all known biomolecules (retrieved from publicly available databases) to predict new endogenous fluorophores and to estimate the number of potential chromophores and fluorophores in the red and NIR spectral regions. Additionally, the model will be applied to an original database of chemical modifications of proteins, DNA, and metabolites to investigate the role of these modifications in the emergence of long-wavelength (NIR) fluorescence in human tissues. 2. Elucidation of the mechanisms underlying red and NIR fluorescence in biological systems, including molecules, supramolecular structures, cells, and tissues. Although red and NIR fluorescence is widely observed and, in certain cases, used as a diagnostic marker, its origin remains poorly understood. The project will build upon original methodologies previously developed by the research team to establish the biochemical and photophysical basis of this fluorescence in living systems. This objective represents a fundamental challenge in the fields of tissue optics and biomedical photonics and will be investigated using both model molecular systems and endocrine organ tissues. 3. Characterization of the optical properties of endocrine organs (thyroid, parathyroid, and adrenal glands) with a focus on the red and NIR spectral regions and identification of the fluorophores responsible for their distinctive optical signatures. Endocrine organs exhibit unique optical properties, yet their underlying mechanisms remain poorly characterized. The project will investigate the photophysical processes occurring in these tissues, identify the fluorophores responsible for the observed signals, and assess the diagnostic potential of these optical effects, particularly in oncological applications. By addressing these challenges, the project aims to advance the fundamental understanding of endogenous fluorescence mechanisms while contributing to the development of innovative, non-invasive diagnostic tools for biomedical applications.

Основные ожидаемые результаты следующие: - Будут разработаны модели машинного обучения предсказывающие основные оптические свойства органических молекул флуорофоров – положения максимума поглощения, положения максимума эмиссии флуоресценции, квантового выхода, полуширины величины поглощения по данным структурных характеристик молекулы -Будут разработаны подходы к оценке моделей, предсказывающих оптические свойства по структуре. Оценено качество моделей, предсказывающих оптические свойства с помощью метода кросс-валидации и на отдельных тестовых выборках, включающих различные классы органических соединений, в том числе эндогенные флуорофоры биотканей. Разработанные модели будут применены на открытых базах данных экзогенных и эндогенных метаболитов тела человека (Human Metabolome Database), базах данных лекарственных препаратов (DrugBank Database) для поиска перспективных флуорофоров для биомедицинской диагностики. - На растворах биомолекул различных классов будет исследовано влияние накопления окислительных и посстрансляционных модификаций на их оптические свойства в видимой и ближней инфракрасной области спектров. Будут исследованы физические механизмы, лежащие в основе формирования оптических свойств систем гетерогенных флуорофоров, установить связь между различными фотофизическими параметрами систем гетерогенных флуорофоров. Будут разработаны методы детектирования следовых концентраций окислительных модификаций и ПТМ биомолекул с использованием сигнала ИК-флуоресцентного фона и эффекта усиления флуоресценции за счёт поверхностных плазмонных эффектов. Будет верифицирована гипотеза о роли процессов окисления в образовании красной и ИК флуорессценции биологических объектов на ряде систем. Данная задача является глобальной для научной области оптики биотканей и биомедицинской оптики. - Будет выработан “пайплайн” совместного измерения оптических свойств тканей эндокринных органов и совместных гистологических исследований для идентификации флуорофоров в них. Будут выработаны протоколы работы с клеточным материалом для идентификации флуорофоров методами масс-спектрометрии и ЯМР, в результате будет выполнено комплексное исследование механизмов формирования оптического отклика щитовидной и паращитовидной желез и надпочечников. - На основе оптических особенностей эндокринных органов будут развиты диагностические методики, а именно, для цитологической диагностики фолликулярных новообразований щитовидной железы (дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных фолликулярных новообразований, так как фолликулярные аденомы и карциномы часто имеют схожие цитологические характеристики) и неинвазивной фолликулярной неоплазии с неопределенным потенциалом в биопсийных образцаз, которая усложняет процесс принятия решений относительно лечения и дальнейшей тактики ведения пациентов. На основе разработанных методик будут развиты подходы к экспрессной (интраоперационной) диагностике новообразований эндокринных органов.