​Недавно стало известно, что нейробиологи из Томска под руководством профессора Василия Ярных планируют использовать новый подход для исследования повреждений головного мозга у пациентов с болезнью Паркинсона. Научные центры и больницы в нескольких городах России уже применяют этот метод на пациентах с рассеянным склерозом, инсультом и черепно-мозговыми травмами.

Сами ученые сейчас адаптируют его для изучения развития мозга у плода и ребенка. Профессор Ярных рассказал, на чем основан этот уникальный метод и когда ожидается его повсеместное клиническое внедрение. 

Ваша технология позволяет анализировать состояние оболочек нервных волокон – миелина – и создавать карты. С помощью специальной математической обработки данных МРТ вы получаете изображения мозга, которые отражают количество миелина подобно тому, как рельеф местности воспроизводится на географических картах. В чем заключается метод?

Чтобы ответить на этот вопрос, я должен рассказать, как мы создали этот метод. К тому времени, когда мы начали сотрудничать с РНФ, концептуально он был создан, его нужно было только адаптировать к конкретным исследованиям и доступному оборудованию.

История началась в конце 90-х, когда я работал в МГУ – в недавно созданном Центре магнитной томографии и спектроскопии. Меня пригласили развить новые научные направления, связанные с томографией. Будучи еще аспирантом, я занимался вопросами обмена и переноса намагниченности соединений в спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Когда я занялся томографией, математическое описание этих физических процессов оказалось релевантными по отношению к биологической ткани. Наша ткань состоит из воды и биологических макромолекул. С точки зрения физики ядерного магнитного резонанса в таких системах всегда возникают процессы переноса намагниченности.

В начале 2000-х я опубликовал статью в журнале Magnetic Resonance in Medicine, которая описала прототип нашего современного метода и показала возможность количественного картирования биофизических параметров обмена намагниченности в ткани на живом человеке с использованием клинического томографа. В основе метода лежит специализированная процедура математической обработки изображений, которая позволяет измерять компоненты сигнала, связанные с биологическими макромолекулами. Ранее такие эксперименты с живыми объектами были невозможны из-за их длительности. Например, можно было положить в спектрометр ампулу с образцом и держать ее сутками, накапливая нужную информацию, а эксперимент на живом объекте не должен был превышать какие-то разумные временные рамки. Но все же на том этапе метод был не готов к практическому внедрению, поскольку процедура сканирования занимала 30–40 минут, что неприемлемо в условиях клиники.

Когда я переехал на работу в США, я вернулся к этой тематике. Поскольку мой метод позволял получать принципиально новую физическую информацию о биологической ткани, первоочередной интерес представляла интерпретация полученных результатов на клеточном уровне. Мы с аспирантом в университете Вашингтона провели эксперимент на лабораторных крысах и сопоставили то, что мы видим с помощью нашего метода, с гистологическими исследованиями мозга, то есть изучением ткани в лаборатории под микроскопом. Результаты нашего метода – параметрические карты, то есть несколько изображений, соответствующих пространственному распределению определенных параметров, которые описывают взаимодействие между водой и макромолекулами в тканях. У нас были гипотезы о том, какие характеристики ткани наиболее адекватно объясняют поведение тех или иных параметров, но миелин не был в числе приоритетных.

 

Источник: из личного архива Василия Ярных

Это было неожиданно, но оказалось, что один из параметров нашей математической модели, который называется макромолекулярная протонная фракция, очень тесно связан с распределением миелина как в белом, так и в сером веществе мозга. Таким образом стало понятно, что метод визуализирует не все макромолекулы, а только те, которые формируют упорядоченные в пространстве жидкокристаллические структуры. А миелин, как известно, представляет собой многослойную мембрану и является наиболее распространенным жидкокристаллическим материалом в мозге. Если при обычной МРТ изображения отражают содержание протонов – ядер водорода – воды в тканях, то наш способ визуализирует содержание протонов, входящих в состав оболочек клеток. При этом миелин составляет основную массовую долю, около 80–85%, таких мембран в нервной ткани.

После этого вы подали заявку на грант, чтобы продолжить исследования?

Да, стало понятно, что у нас в руках есть технология, которая может предоставить уникальные знания и возможности специалистам. Потому что не было других технологий, которые обеспечивали бы настолько точное измерение содержания миелина. Дальше я стал думать, как эту технологию приблизить к клиническим исследованиям и практической медицине, а для этого требовалось в несколько раз сократить время накопления данных. Проблема была в том, что для построения параметрических карт необходимо было получить около двадцати исходных МРТ изображений. Возникла идея, как принципиально сократить количество необходимых экспериментальных данных на основе нового математического алгоритма. В современном варианте метода, который был усовершенствован при поддержке РНФ, используется всего три исходных изображения, которые нужны, чтобы построить карту макромолекулярной протонной фракции.

Поддержка РНФ также была незаменима для продолжения гистологических исследований мозга. Потому что одно дело – показать, что у нас есть корреляция на животных без специфической модели заболевания, другое дело – выявить корреляции при конкретных патологических процессах. Эти работы мы сделали вместе с Томским госуниверситетом и с Новосибирским Институтом цитологии и генетики СО РАН. В Томске работает лаборатория нейробиологии под руководством профессора Марины Ходанович, которая выполнила ряд замечательных исследований на животных с использованием различных методов гистологии и иммуногистохимии (исследование тканей для выявления белков с помощью специфической реакции антиген-антитело – Прим. ред.). С Институтом цитологии и генетики мы работаем как с приборной базой, так как у них есть специализированный сверхвысокопольный томограф для лабораторных животных с уникальными характеристиками.

В недавних исследованиях, выполненных при поддержке РНФ, мы показали, что метод прекрасно работает как способ измерения содержания миелина не только в нормальном мозге, но и на моделях социально-значимых заболеваний. Одна из моделей – вызванная специальным препаратом потеря миелина у мышей, которая весьма близка к тому, что происходит у пациентов страдающих рассеянным склерозом. Другая модель – создание очага ишемического поражения (снижение кровообращения, приводящее к повреждению тканей и органов – Прим.ред) в мозге крысы, практически аналогичная ишемическому инсульту у человека. Для обеих моделей наши измерения очень хорошо подтверждаются гистологией.

Существуют ли другие методики, подобные вашей?

Начиная с первой половины 2000-х, специалисты начали разрабатывать способы оценки содержания миелина с помощью МРТ, и на сегодняшний день есть несколько подходов. У них есть ряд технических ограничений, и все они достаточно далеки от клинического внедрения.

Есть группа методов, которые очень чувствительны к содержанию ионов железа, присутствующие в нервной ткани и накапливающиеся в значительном количестве при патологических процессах. Такие методы не могут отличить миелин от железа, поэтому наверняка неизвестно, что именно они измеряют.

Есть также методы, использующие эффект переноса намагниченности, как и наш, но при этом основанные не на строгой математической модели, а на эмпирических соотношениях сигналов. Здесь возникают проблемы с чувствительностью и отношением «сигнал-шум», что требует больше времени для получения данных. Кроме того, интерпретация результатов, полученных с помощью этих методов, неоднозначна, так как измеряемый отклик связан сразу несколькими параметрами, из которых только один, макромолекулярная протонная фракция, отражает содержание миелина.

Наш подход позволяет извлечь только нужную с биологической точки зрения информацию, то есть связанную с миелином, и избавиться от ненужной, причем с существенно меньшими затратами времени. Поэтому можно сказать, что наш метод свободен от недостатков других методов.

 

Источник: пресс-служба ТГУ

Какие клинические применения вашего метода представляются вам наиболее перспективными?

Миелин в той или иной степени повреждается при большинстве неврологических заболеваний, хотя при многих патологиях его роль еще недостаточно изучена. Например, мне представляется недооцененным клиническое значение потери миелина при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона или болезнь Альцгеймера. Нужно понимать, что миелин – это основной по массе макромолекулярный компонент центральной нервной системы, своего рода каркас, на котором все держится. Он обеспечивает проводимость нервного импульса, защищает аксоны и обеспечивает питание нервных клеток, поддерживая метаболизм нервной ткани. В абсолютном выражении миелина очень много: если мы отбросим 70–80% воды в ткани, то миелин будет составлять 50–60% остального содержания в белом веществе и 15–20% – в сером. Поэтому я не исключаю, что с появлением доступной технологии оценки количества миелина будет возрастать интерес клиницистов к его изучению при заболеваниях, которые традиционно не рассматриваются как демиелинизирующие, то есть обусловленные разрушением миелина. Но это в будущем.

Если говорить о ближайших перспективах, то основная область применения – демиелинизирующие заболевания. Рассеянный склероз – наиболее распространенное из них, при котором иммунитет направляет свои силы против миелина и разрушает его. То, насколько миелин повреждается или восстанавливается, важно для прогноза лечения. Способы восстановления миелина пока еще не создали, хотя сейчас ведутся разработки и клинические испытания терапевтических препаратов, которые не просто бы позволили остановить процесс демиелинизации, но и восстановить количество миелина. Такое лечение надо как-то контролировать, и наш метод как раз призван помочь это сделать.

Также мне представляется перспективным применение нашей технологии при таких поражениях, как ишемический инсульт и черепно-мозговые травмы. При этих повреждениях гибнут в первую очередь нервные клетки, а в последствии разрушается миелин. При должном лечении в некоторых случаях происходит последующее полное или частичное восстановление нервной ткани, которое сопровождается восстановлением клеточных компонентов, в частности, восстановлением популяции нервных клеток.

Пока не существует метода, который мог бы оценивать этот процесс напрямую в живом организме. Но зная, что нервные клетки не могут жить изолированно, образуют новые связи и обзаводятся новыми аксонами, а значит, миелином, мы можем наблюдать процесс восстановления повреждений. Такую возможность недавно подтвердили наши эксперименты на животных.

Еще один исключительно важный аспект изучения миелина – развитие мозга ребенка. Известно, что ребенок рождается с очень малым количеством миелина в головном мозге: от 5% до 10% от того, что есть у взрослого человека. Мозг накапливает миелин в первый год жизни, а затем продолжает делать это, но уже с менее активном ритме. Нарушения формирования миелина лежат в основе многих неврологических заболеваний детского возраста и задержек функционального развития. Наш метод нужен для создания строгих количественных критериев развития мозга до и в течение первых лет после рождения ребенка и их последующего клинического применения. Сейчас при поддержке РНФ совместно с Международным томографическим центром СО РАН мы занимаемся созданием методологических основ для применения картирования макромолекулярной протонной фракции в диагностике заболеваний детского возраста и плода.

Вы уже внедряете этот метод в клиники. Как идет процесс?

Поскольку метод быстрый в плане технического исполнения и может быть реализован фактически на любом МРТ, мы уже внедрили его в нескольких клиниках и исследовательских центрах в тестовом режиме. Мы адаптировали эту технологию для большинства моделей томографов, которые используются в России: Philips, Siemens, Toshiba и General Electric.

Наш метод используют в Томске в Детской больнице №1, НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра и областном онкологическом диспансере. В Новосибирске – в Международном томографическом центре СО РАН и НИИ физиологии и фундаментальной медицины СО РАН. В Москве – в НМИЦ детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Дмитрия Рогачева, НИИ неотложной детской хирургии и травматологии и в двух больницах в сотрудничестве с РНИМУ им. Н. И. Пирогова. В Петербурге – в НМИЦ им. В. А. Алмазова и в Санкт-Петербургском государственном педиатрическом медицинском университете.

В то же время необходимо отметить, что пока применение нашего метода основано на сотрудничестве с научно-исследовательскими медицинскими организациями. Прежде чем внедрять метод по всей стране, необходимы масштабные клинические исследования и разработка практических рекомендаций для врачей. На сегодняшний день у нас прошло такое исследование в США по рассеянному склерозу, где удалось показать, что метод позволяет получать уникальную информацию не только о демиелинизации белого вещества, но и серого. Сейчас мы начинаем исследовать применение метода в детском возрасте и перинатальном периоде, а также при болезни Паркинсона. Кроме того, у нас продолжается исследование динамики изменений миелина при рассеянном склерозе, которое должно приблизить нас к разработке клинических рекомендаций.

Ваш метод направлен больше на диагностику или на отслеживание результатов терапии?

Все зависит от конкретного заболевания. Например, при рассеянном склерозе представляется целесообразным использовать измерение содержания миелина в контексте мониторинга терапии или оценки прогрессирования болезни. У пациентов, перенесших инсульт, метод в перспективе может помочь в выборе тактики и продолжительности реабилитационных мероприятий. В педиатрической клинике на первый план может выйти диагностический аспект. Наши недавно начатые исследования показали, что карты макромолекулярной протонной фракции позволяют гораздо лучше выявлять дефекты развития миелина у детей, чем традиционные МРТ изображения. Можно ожидать, что этот инструмент в руках врачей лучевой диагностики облегчит и сделает более надежной диагностику задержек миелинизации у детей.

Как вы оцениваете роль поддержки РНФ в ваших исследованиях?

Я считаю, что РНФ сделал прорыв в финансировании науки в России. Благодаря РНФ наше направление науки, называемое количественной МРТ, развилось в России просто с нуля, а сейчас уже разветвляется на более узкие темы, чему я очень рад.

Похожие новости

  • 15/02/2018

    Томские ученые доказали эффективность нового метода диагностики заболеваний мозга

    ​Издательство Nature Publishing Group опубликовало результаты исследований ученых ТГУ, подтверждающие эффективность нового метода диагностики заболеваний головного мозга. Уникальный способ неинвазивной оценки состояния оболочек нервных волокон (миелина) при помощи магнитно-резонансной томографи (МРТ) был разработан под руководством профессора Университета Вашингтона, научного руководителя лаборатории нейробиологии НИИ ББ ТГУ Василия Ярных.
    1730
  • 22/05/2019

    Сохранение биоразнообразия – ключ к стабильности планеты

    ​22 мая отмечается Международный день биологического разнообразия, провозглашенный Генеральной Ассамблеей ООН. Одной из его основных задач является привлечение внимание общественности к проблемам сокращения биоразнообразия Земли.
    589
  • 10/12/2018

    Томские ученые внедрят в клинику новый метод МРТ мозга

    Ученые НИИ биологии и биофизики Томского государственного университет (ТГУ) внедрят в клиническую практику новый метод МРТ, который позволит более точно и качественно диагностировать нарушения связей между нейронами при рассеянном склерозе и травмах мозга.
    652
  • 31/12/2017

    Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ

    Около 35 тысяч российских ученых проводили и проводят фундаментальные исследования при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ежемесячно в российских и зарубежных СМИ выходят десятки новостей об их достижениях.
    3258
  • 10/10/2018

    Генетики расшифруют молекулярные основы болезней сердца

    ​Ученые из новосибирского Академгородка и Эдинбурга (Великобритания) планируют найти новые биомаркеры и мишени для лекарств при сердечно-сосудистых заболеваниях, а также разработать методы прогнозирования риска болезни.
    775
  • 11/12/2019

    Сибирские ученые включены в состав Комиссии по редким и исчезающим видам животных, растений и грибов Красной книги РФ

    ​Впервые зоолог из АлтГУ вошел в состав экспертной комиссии по составлению Красной книги Российской Федерации. 1 декабря 2019 года обнародован Состав Секции экспертов по наземным беспозвоночным животным при Комиссии по редким и исчезающим животным, растениям и грибам по состоянию на 26 ноября 2019 г.
    141
  • 19/09/2016

    Михаил Федорук: наше сотрудничество с Таиландом развивается с хорошей динамикой

    ​Исследовательский центр продовольственной безопасности (НГУ) и Школа биоресурсов и технологий Технологического университета им. Короля Монгкута Тонбури (Таиланд) уже осуществляют ряд совместных проектов.
    2068
  • 10/03/2017

    Российские ученые разработали новое вещество против вируса гриппа на основе природных соединений

    ​Ученые из Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и Научно-исследовательского института гриппа в Санкт-Петербурге разработали новый продукт широкого спектра противовирусной активности, в основе которого лежат природные соединения: терпены и терпеноиды.
    3013
  • 15/10/2019

    Международная школа для молодых ученых по благополучию животных в Новосибирске

    Школа была организована учеными биолого-технологического факультета Новосибирского ГАУ совместно с коллегами из Гумбольдтского университета (ФРГ), университета Вагенинген (Нидерланды) и НИИ СО РАН. Основная цель – формирование у молодых ученых и студентов представлений о важности благополучия животных, факторах, влияющих на него, методах его оценки в условиях сельского хозяйства, природных условиях и в зоопарках.
    172
  • 22/09/2016

    В Новосибирске планируют создать клинику для лечения методом БНЗТ

    ​Новосибирский государственный университет в сотрудничестве с российскими и зарубежными научными организациями работает над реализацией масштабного проекта по созданию клиники для лечения глиобластомы мозга и других онкологических заболеваний с помощью метода бор-нейтронозахватной терапии и ускорительного источника нейтронов Института ядерной физики им Г.
    3493