Ключевые слова
магнитно-резонансная томография, парамагнитные и суперпарамагнитные метки, флуоресцентная визуализация,  флуоресцентные сенсоры, мультимодальная визуализация, демиелинизирующие заболевания, животные модели,  имлантируемые биомедицинские материалы, тканеинженерные конструкции, тканевые эффекты, опухолевые модели, органоиды, канцерогенез

Краткая история лаборатории
Лаборатория молекулярного имиджинга  сформирована  в 2018 году на базе ФИЦ Биотехнологии РАН в соответствии с Постановлением №220  Правительства РФ от 09.04.2010 для выполнения работ по гранту № 14.W03.31.0023 Минобрнауки России «​​​​​Визуализация и инженерия эукариотических геномов» в рамках подпрограммы «Институциональное развитие научно-исследовательского сектора» государственной программы Российской Федерации «Развитие науки и технологий» на 2013 – 2020 годы.

Лаборатория молекулярной визуализации была создана с целью решения ряда важных научных проблем, связанных с медицинскими биотехнологиями и нанотехнологиями. Для выполнения задач проекта по неинвазивной визуализации в живых системах была собрана междисциплинарная исследовательская группа, задачами которой было получить прорывные результаты в рамках нескольких взаимосвязанных направлений исследований на стыке молекулярной биологии, биофизики, радиологии и медицины. Основная цель лаборатории была сосредоточена на разработке методов картирования эукариотического генома с использованием мультимодальных / томографических и междисциплинарных подходов.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА «​​​​​Визуализация и инженерия эукариотических геномов»

Направления исследований
В настоящее время лаборатория активно занимается исследованиями по следующим направлениям:

• применение достижений лаборатории ведущего ученого в области нанотехнологий для доставки рекомбинантных молекул и вирусных конструкций с целью регулируемой экспрессии сенсоров на основе CRISPR / Cas9 в клетках и тканях экспериментальных животных;
• технологии мультимодальной визуализации на основе  магнитно-резонансной томографии и флуоресцентной визуализации для прижизненного мониторинга изучаемых процессов, в частности, изучение биоинтеграции и резорбции имплантируемых материалов;
• оценка тканевых эффектов при биоинтеграции и резорбции имплантируемых материалов;
• создание тканеспецифичных трехмерных клеточных моделей как основы для прецизионной медицины;
• изучение демиелинизирующих процессов на мышиных моделях.

Основные методы исследований
Методы магнитно-резонансной томографии; флуоресцентная микроскопия; флуоресцентная визуализация (макроимиджинг); получение моделей заболеваний на мелких лабораторных животных(мыши); культивирование эукариотических клеток и клеточная биология; молекулярно-биологические и биохимические методы; методы биоинформатики; методы анализа изображений.

ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

В рамках работ по гранту Правительства РФ № 14.W03.31.0023 «Визуализация и инженерия эукариотических геномов» (2018-2023) были разработаны новые подходы для in vivo визуализации геномных локусов, позволяющие одновременно регистрировать экспрессию генов с помощью флуоресцентной микроскопии и магнитно-резонансной томографии. Впервые созданы лентивирусные векторы-переносчики для доксициклин регулируемой экспрессии химерных белков на основе каталитически неактивного мутанта эндонуклеазы Cas9 (dCas9); проведены эксперименты по коэкспрессии и локализации в ядре клеток химерных белков на основе ортологов dCas9  а также in vivo  в подкожных ксенографтах опухолей на мышах nude; проведена установка и введение в эксплуатацию исследовательского некриогенного прибора для доклинического МРТ;с помощью МРТ проведено исследование распределения смесей, просветляющих поверхность кожи, в подкожных тканях. Установлено, что использование гадобутрола в качестве агента оптического просветления тканей повышает контрастность флуоресцентного сигнала в 1.1-1.5 раза, что позволяет визуализировать экспрессию трансгенов в опухолевых ксенотрансплантатах уже через 24 часа после индукции. Также продемонстрирована возможность системного применения гадобутрола (0.3 ммоль/кг) для достижения эффекта оптического просветления тканей, что приводит к временному увеличению флуоресцентного сигнала опухолей на 40% и позволяет регистрировать динамику перфузии тканей с помощью 1 Тл МРТ. Результаты показали, что низкопольная МРТ эффективно отслеживает поведение контрастных агентов как при местном, так и при системном применении, что открывает новые возможности для мультимодальной визуализации in vivo при онкологических заболеваниях.

В период с 29 сентября по 2 октября 2020 года коллективом лаборатории была проведена международная конференция «Towards optical and multimodality translational imaging» (TOMTI’20). Конференция организована в дистанционном формате и прошла совместно с ежегодной конференцией Саратовского Государственного Университета «XXIV Аnnual Saratov Fall Meeting». В мероприятиях приняли участие 628 человек.

Проведена 4-я Международная школа по перспективным методам флуоресцентного имиджинга ADFLIM на базе СГУ с 23 по 27 сентября 2019 г. совместно с XXIII Международной школой для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофотонике.  Слушатели научно-образовательных школ приняли участие также в работе Международного симпозиума «Оптика и биофотоника ‑ VII», который был организован СГУ и ФИЦ Биотехнологии РАН с 24 по 27 сентября 2019 г.
Информация о школе размещена на сайте: http://www.adflim.org/4_ya_shkola_adflim.html
Информация о мероприятиях размещена на сайте СГУ: https://www.sgu.ru/structure/fiz/saratov-fall-meeting

Результаты исследований представлены на III Международной научной конференции «Наука будущего» и IV Всероссийском форуме «Наука будущего – наука молодых». О проведении работ по проекту договора №14.W03.31.0023 Министерства науки и высшего образования РФ выступил руководитель лаборатории молекулярного имиджинга ведущий ученый Богданов А.А. Он принимал участие в Круглом столе для обсуждения стратегии Мегагрантов на 2020-2025 г, а также участвовал в жюри экспертов по оценке работ (проектных команд) молодых ученых по секции «Медицина и Фармакология».

На конференции SPIE Photonics West (San Francisco CA) 2-2-2020 и конференции SPIE Photonics Europe Digital Forum (Франция) Богдановым АА и сотрудники коллектива выступили с докладами, в том числе в онлайн формате.

Коллективом продолжаются работы по разработке сочетанной визуализации (МРТ  и флуоресцентный имиджинг) геномных сайтов на основе флуоресцентных  рекомбинантных сенсоров CRISPR / Cas9 в клетках и тканях экспериментальных животных.

В ходе выполнения проекта РНФ № 22-14-00205 (2022-2024) «Инженерия зондов для бимодальной визуализации специфических сайтов геномного редактирования» были впервые протестированы химерные конструкции на основе ортологов dCas9, слитых с улучшенными парами флуоресцентных белков (mClover3/mRuby3, mNeonGreen/mRuby3), демонстрирующие эффективность FRET в клеточных ядрах как in vitro, так и in vivo. Разработана методика оценки временных характеристик флуоресценции (FLIM) в двойных ортологах dCas9-FP, что позволяет количественно определять перераспределение геномных локусов при различных состояниях клеточного цикла и патологических процессах. При работе с клеточными культурами выявлено, что высокая копийность трансгенов, вносимых лентивирусной трансдукцией, может приводить к снижению экспрессии ключевых генов цитоскелета (ACTB и TUBB3) на 40-60%, снижению пролиферативного индекса и изменению метаболической активности митохондриальных оксидоредуктаз. Эти результаты имеют принципиальное значение для разработки методов генной терапии, так как демонстрируют необходимость учета инсерционного мутагенеза при создании клеточных моделей для исследований in vivo.

При выполнении международного проекта МОН № 075-15-2021-942 (в  рамках  многостороннего сотрудничества  в  программе  «Горизонт-2020»,   включая  инициативы  ЭРА- НЕТ) были исследованы биоразлагаемые имплантируемые устройства на основе сополимеров полиэфиров с маркировкой индоцианиновым зеленым (ICG) и хелатным комплексом гадолиния, позволяющие неинвазивно отслеживать кинетику биодеградации с использованием комбинации флуоресцентного имиджинга и МРТ. Разработанный способ неинвазивного мониторинга (патент РФ №2832295, 2024) с применением оптического просветления тканей демонстрирует повышение эффективности визуализации в 1.5-2 раза, что позволяет оценивать индивидуальные постимплантационные реакции, включая воспаление и фиброз.

Лаборатория успешно сотрудничает с коллективами передовых российских научных центров, таких как Российский онкологический центр имени Н.Н.Блохина, Медицинская академия им. Сеченова, Российский научно-исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова, Московский многопрофильный научно-клинический центр им. С.П. Боткина (Московский урологический центр), Российская медицинская академия непрерывного последипломного образования, Московский технический университет им. Н.Э. Баумана, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Институт общей физики РАН им. А.М. Прохорова, Институт прикладной физики РАН, Саратовский государственный университет.

В совместных исследованиях с коллегами из МГТУ им. Н. Э. Баумана и других организаций разработан метод оценки биоинтеграции углерод‑углеродных композитов с кальций‑фосфатными покрытиями. Метод основан на применении МРТ с индукцией магнитного поля и анализе максимальной интенсивности проекции (MIP). Он позволяет дифференцировать рыхлую и плотную соединительную ткань в капсуле вокруг импланта.

В рамках тех же исследований установлено, что электролитический и детонационный способы нанесения покрытий формируют различную морфологию поверхности. Это влияет как на адгезивную прочность, так и на характер иммунного ответа.

Совместно с учёными Физического института им. Н. П. Лебедева РАН удалось создать неинвазивный метод, позволяющий отслеживать процессы заживления ран, активированные наночастицами меди.

Используя комбинацию режимов МРТ (1 Тл) и алгоритмов обработки изображений, были разработаны протоколы для оценки демиелинизации и ремиелинизации в купризон‑индуцированной модели на мышах C57Bl/6. Это создаёт основу для разработки инновационных терапий нейродегенеративных заболеваний.

Полученные результаты в области мультимодальной визуализации и биоматериалов формируют научную основу для разработки персонализированных методов диагностики и лечения онкологических, нейродегенеративных заболеваний и патологий опорно-двигательной системы.

Список литературы

1. Tuchina D.K., Meerovich I.G., et al. Prospects for multimodal visualisation of biological tissues using fluorescence imaging. Quantum Electron. 2021;51(2):104.
2. Kazachkina N.I., Zherdeva V.V., et al. MR and fluorescence imaging of gadobutrol-induced optical clearing of red fluorescent protein signal in an in vivo cancer model. NMR Biomed. 2022;35:e4708.
3. Maloshenok L., Abushinova G., et al. Tet-Regulated Expression and Optical Clearing for In Vivo Visualization of Genetically Encoded Chimeric dCas9/Fluorescent Protein Probes. Materials. 2023;16(3):940.
4. Жердева В.В., Рассомахина Н.В., и др. Снижение экспрессии генов цитоскелета в опухолевых клетках при лентивирусной трансдукции. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2025;43(1):30-37.
5. Лихов А.Р., Демин Д.Ю., и др. Способ неинвазивного мониторинга биодеградации полимерного скаффолда. Патент РФ №2832295. 2024.
6. Zherdeva V.V., Likhov A.R., et al. Enhanced Fluorescence Imaging of Implants Based on Polyester Copolymers in Combination With MRI. J. Biophotonics. 2025: e202400147.
7. Skriabin A.S., Tsygankov P.A., et al. Electrophoretic Deposition of Calcium Phosphates on Carbon–Carbon Composite Implants: Morphology, Phase/Chemical Composition and Biological Reactions. Int. J. Mol. Sci. 2024;25(6):3375.
8. Zherdeva V.V., Zaitsev P.E., et al. Towards MRI Study of Biointegration of Carbon-Carbon Composites with Ca-P Coatings. Nanomaterials. 2025;15(7):492.
9. Настулявичус А.А., Толордава Э.Р., Ултургашева Е.В. [и др.]. Неинвазивный метод мониторинга процессов ранозаживления, стимулированных наночастицами меди. Квантовая электроника. 2025; 55(8): 470-481. URL: quantum-electronics.ru/2025_55_8/.
10. Volodina V., Zaitsev P., et al. 1 Tesl MRI and MIP analysis for cuprizone-induced demyelination assessment in C57BL/6 MICE. Research Square.DOI: 10.21203/rs.3.rs-7078127/v2

СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ

УНИКАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

В конце мая 2019 в рамках выполнения работ по проекту №14.W03.31.0023 Министерства науки и высшего образования РФ в помещении лаборатории Молекулярного имиджинга ИНБИ (корп. 2, комн. 120) был установлен и введен в эксплуатацию новейший прибор М3™ для доклинической магнитно- резонансной томографии (МРТ). Прибор произведен компанией Aspect Imaging (Шохам, Израиль) и предназначен для визуализации деталей анатомии и физиологии экспериментальных животных (грызунов весом до 30 г).

М3™ МРТ сконструирован на основе компактного высокоэффективного постоянного магнита с напряженностью магнитного поля 1 Тесла, который не требует криогенного обеспечения. Данная МРТ установка представляет собой пока единственную в России систему, и одну из примерно 100 доклинических МРТ систем, установленных в ведущих научно- исследовательских и R&D центрах мира.

Томографические изображения, полученные при использовании данной МРТ установки, основаны на различиях во временах релаксации и концентрации протонов молекул, в большом количестве присутствующих в тканях живых организмов. Данные изображения могут быть получены с высоким объёмным разрешением (т.е. объёмом вокселя), достигающим долей кубического миллиметра (микролитра).

В систему входят система для анестезии и иммобилизации животного, система физиологического мониторинга, а также все необходимые компоненты для получения, регистрации, сбора данных и их анализа, включая компьютерное обеспечение для регистрации изображений, получаемых в многоканальных, мульти модальных режимах работы, в том числе в сочетании с позитронно-эмиссионной и оптической томографией.

Данная система удовлетворяет высоким потребностям лаборатории в объединении подходов по  получению  МРТ-изображений и флуоресцентных изображений на одном и том же экспериментальном животном для решения задач по визуализации  и локализации различных процессов в живом организме в динамике, в норме и патологии.

1. Zherdeva V.V., Likhov A.R., Saidvaliev U.A. et al. Enhanced fluorescence imaging of implants based on polyester copolymers in combination with MRI. Journal of Biophotonics. 2025; 18(12): e202400147. DOI: 10.1002/jbio.202400147.
2. Lobanov V., Rossomakhina N., Kazakova E. et al. Protein kinase inhibitors: synthesis and molecular repurposing in three-dimensional cancer models. Chemical biology and drug design. 2025; 106(5): e70195. DOI: 10.1111/cbdd.70195.
3. Maloshenok L.G., Panina S.Yu., Bruskin S.A. et al. Assessment of recombinant β-propeller phytase of the bacillus species expressed intracellularly in Yarrowia lipolityca. Journal of Fungi. 2025; 11(3): 186. DOI: 10.3390/jof11030186.
4. Жердева В.В., Рассомахина Н.В., Юркова А.Ю, Монахова.М.В., Апухтина У.А., Гук Е.А., Малошенок Л.Г. Снижение экспрессии генов цитоскелета в опухолевых клетках при лентивирусной трансдукции. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2025; 43(1): 30-37. DOI: 10.17116/molgen20254301130.
5. Настулявичус А.А., Толордава Э.Р., Ултургашева Е.В. [и др.]. Неинвазивный метод мониторинга процессов ранозаживления, стимулированных наночастицами меди. Квантовая электроника. 2025; 55(8): 470-481. URL: quantum-electronics.ru/2025_55_8/.
6. Zherdeva V.V., Zaytcev P.E., Skryabin A.S. et al. Towards MRI study of biointegration of carbon-carbon composites with Ca-P coatings. Nanomaterials. 2025; 15(7): 492-492. DOI: 10.3390/nano15070492.
7. Мокроусова Д.О., Ефремова А.С., Мельяновская Ю.Л. [и др.]. Комплексное исследование редкого патогенного варианта гена CFTR G1047S у двух сибсов. Пульмонология. 2025; 35(2): 230-240. DOI: 10.18093/0869-0189-2025-35-2-230-240.
8. Skriabin A.S., Tsygankov P.A., Vesnin V.R., .V.V. Zherdeva  et al. Electrophoretic Deposition of Calcium Phosphates on Carbon–Carbon Composite Implants: Morphology, Phase/Chemical Composition and Biological Reactions. International Journal of Molecular Sciences. 2024; 25(6): 3375. DOI: 10.3390/ijms25063375.
9. И. А. Абдеева, Ю.С. Панина, Л.Г. Малошенок. Подходы синтетической биологии к посттрансляционной регуляции в растениях. Успехи биологической химии. 2024; Т.64: 533-556. DOI: 10.3390/ma16030940.
10. Булатенко Н. В., Рязанова А. Ю., Лихов А. Р., Малошенок Л.Г., Жердева В.В. Опухолевые органоиды: эра персонализированной медицины. Успехи биологической химии. 2024; Т.64: 247-290. DOI: 10.1134/S0006297924140086.
11. Abushinova G.A., Zherdeva V.V., Vassina E.M., Maloshenok L.G. Visualizing nucleic acid loci with the CRISPR-Cas system: current approaches. Journal of Biomedical Photonics & Engineering. 2024; 10(4): 040203. DOI: 10.18287/JBPE24.10.040203.
12. Скрябин А.С., Жердева В.В., Цыганков П.А. [и др.]. Углерод-углеродный композиционный имплант с биокерамическим покрытием: оценка биологических реакций с помощью гистологических и томографических методов. Медицинская техника. 2024; №2: 4-6. DOI: 10.1007/s10527-024-10371-6.
13. Liliya Maloshenok, Gerel Abushinova, Natalia Kazachkina, Alexei Bogdanov, Jr., Zherdeva V.V. Tet-Regulated Expression and Optical Clearing for In Vivo Visualization of Genetically Encoded Chimeric dCas9/Fluorescent Protein Probes. Materials. 2023; 16(3): 940. DOI: 10.3390/ma16030940.
14. Abushinova G.A., Zherdeva V.V., Vassina E.M., Maloshenok L.G. Visualizing nucleic acid loci with the CRISPR-Cas system: current approaches. Journal of Biomedical Photonics & Engineering. 2024; 10(4): 040203. DOI: 10.18287/JBPE24.10.040203.
15. Hugo F. Silva, Inês S. Martins, Alexei A. Bogdanov Jr et al. Characterization of optical clearing mechanisms in muscle during treatment with glycerol and gadobutrol solutions. Journal of Biophotonics. 2023; Vol.16: e202200205. DOI: 10.1002/jbio.202200205.
16. Alexei Bogdanov Jr, Valery Tuchin, Natalia Kazachkina et al. Clinical MRI contrast agent improves fluorescent imaging of red fluorescent protein expression in-vivo due to the effect of tissue optical clearing. Proceedings of SPIE. 2023; Vol.12378: 1237806. DOI: 10.1117/12.2648493.
17. Natalia I. Kazachkina, Victoria V. Zherdeva, Irina G. Meerovich et al. MR and fluorescence imaging of gadobutrol‐induced optical clearing of red fluorescent protein signal in an in vivo cancer model. NMR in Biomedicine. 2022; 35(7): e4708. DOI: 10.1002/nbm.4708.
18. Daria K. Tuchina, Irina G. Meerovich, Olga A. Sindeeva , Victoria V Zherdeva, Alexander P Savitsky, Alexei A Bogdanov Jr, Valery V Tuchin. Magnetic Resonance Contrast Agents in Optical Clearing: Prospects for Multimodal Tissue Imaging. Journal of Biophotonics. 2020; Vol.: e201960249. DOI: 10.1002/jbio.201960249.
19. Victoria V. Zherdeva, Natalia I Kazachkina, Vladislav Shcheslavskiy, Alexander P Savitsky. Long-term fluorescence lifetime imaging of a genetically encoded sensor for caspase-3 activity in mouse tumor xenografts. Journal of Biomedical Optics. 2018; 23(3): 035002. DOI: 10.1117/1.JBO.23.3.035002.
20. Л.Г. Малошенок, Г.А. Абушинова, А.Ю. Рязанова А.Ю., Брускин С.А., Жердева В.В. Визуализация нуклеома на основе системы CRISPR–Cas9: oт in vitro к in vivo. Успехи биологической химии. 2023; Т.63: 245-300.
21. А. А. Богданов, И. Д. Соловьев, А. П. Савицкий. Сенсоры для визуализации протеолитической активности и их применения в моделях болезней человека. Успехи биологической химии. 2019; Т.59: 3-38.
22. Д. К. Тучина, И. Г. Меерович, О. А. Синдеева [и др.]. Перспективы мультимодальной визуализации биологических тканей с использованием флуоресцентного имиджинга. Квантовая электроника. 2021; 51(2): 104-117.
23. Kazachkina Natalia I., Zherdeva Victoria V., Saydasheva Asiya N. et al. Topical Gadobutrol Application Causes Fluorescence Intensity Change in RFP-expressing Tumor-Bearing Mice. Journal of Biomedical Photonics & Engineering. 2021; 7(2): 020301. DOI: 10.18287/JBPE20.07.020301.
24. Alexei A. Bogdanov, Irina Meerovich, Natalia Kazachkina, Victoria Zherdeva et al. Optical clearing effects in subcutaneous red-fluorescent tumors monitored by fluorescence and magnetic resonance imaging in vivo. Proceedings of SPIE. 2020; Vol.11363: -. DOI: 10.1117/12.2560186.
25. Alexei A. Bogdanov Jr., Valery V. Tuchin, Irina G. Meerovich, Victoria Zherdeva et al. Towards registration of optical and MR signal changes in subcutaneous tumor volume in vivo after optical skin clearing. Proceedings of SPIE. 2020; Vol.11239: 112390N. DOI: 10.1117/12.2545312.
26. A.A. Bogdanov Jr., N.I. Kazachkina, V. V. Zherdeva et al. Optical clearing and multimodality fluorescence and magnetic resonance imaging in cancer models. Proceedings of SPIE. 2021; Vol.11641: 1-8. DOI: 10.1117/12.2586113.

Публикации в книгах:

• A.A. Bogdanov Jr., N.I. Kazachkina, V.V. Zherdeva, I.G. Meerovich, D.K. Tuchina, I.D. Solov’ev, A.P. Savitsky, V.V. Tuchin. Magnetic resonance imaging study of diamagnetic and paramagnetic agents for optical clearing of tumor-specific fluorescent signal in vivo

Монографии:

• A.A. Bogdanov Jr., N.I. Kazachkina, V.V. Zherdeva, I.G. Meerovich, D.K. Tuchina, I.D.Solov’ev, A.P. Savitsky, V.V. Tuchin. Magnetic resonance imaging study of diamagnetic and paramagnetic agents for optical clearing of tumor-specific fluorescent signal in vivo. Handbook of Tissue Optical Clearing: New Prospects in Optical Imaging. 2022, CRC Press, pp. 459-470, DOI: 10.1201/9781003025252 (глава в монографии)
• Handbook of Tissue Optical Clearing. New Prospects in Optical Imaging. Edited By Valery Tuchin, Dan Zhu, Elina A. Genina. Chapter25. CRC Press. 2021 (глава в монографии)
• Oliveira L. and Tuchin V. V.  The optical clearing method: A new tool for Clinical Practice and Biomedical Engineering, Basel: Springer Nature Switzerland AG, 2019. ISBN 978-3-030-33054-5

РЕЗУЛЬТАТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (патенты, полезные модели, базы данных, ноу-хау и пр.)

МОН № 075-15-2021-942 (2021-2023гг) международный проект в рамках программы «Горизонт-2020», включая инициативы ЭРА-НЕТ «Биорезорбируемые имплантируемые устройства на основе трибоэлектрических наногенераторов».