Введение к работе
Актуальность работы.
Диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому изучению взаимодействия лазерного излучения с искусственными и биологическими мезоскопическими объектами. Основной задачей работы является исследование взаимодействия остросфокусированных лазерных пучков с эмбриональными клетками и разработка экспериментальных методик.
Актуальность работы определяется фундаментальным интересом к механизмам взаимодействия сверхкоротких лазерных (фемтосекундных) импульсов с биологическими объектами, что определяется развитием новых клеточных биотехнологий. Остросфокусированное лазерный луч можно использовать в качестве «пинцета» за счет различных опто-механических эффектов, и осуществлять манипулирование мезоскопическими биообъектами. При использовании фемтосекундных импульсов в фокальной плоскости объектива можно получить высокую плотность мощности излучения в результате чего оптически прозрачный биологический материал становится поглощающим за счет нелинейно-оптических эффектов. Фемтосекундные импульсы обеспечивают высокую плотность мощности излучения при невысокой энергии импульса и в результате удается сфокусированный лазерный луч использовать в качестве лазерного «скальпеля» без значительного теплового повреждения биообъекта. На основе оптического «пинцета» и «скальпеля» представляется возможным создать методики манипулирования биообъектами в которых операции можно осуществлять с биоклетками без нарушения целостности оболочки. Этот подход открывает новые возможности в биотехнологии клеток. Фундаментальными основами такого подхода служит исследование фотохимических и фотофизических процессов в биообъектах индуцированных многофотонным поглощением фемтосекундных импульсов. В данной работе решаются задачи разработки экспериментальных методов лазерной нанохирургии с использованием множества оптических «скальпелей» и «пинцетов», сформированных методами динамической голографии, с использованием фемтосекундного и непрерывного лазерного излучения с различными спектральными характеристиками.
Задачи и цели работы.
Цель работы состоит в разработке и реализации методик оптического манипулирования с использованием лазерных импульсов фемтосекундной длительности. Данная работа решает следующие задачи:
-
Исследовать возможность использования фемтосекундных лазерных импульсов для реализации оптического манипулирования мезоскопическими объектами и осуществления активного физико- химического воздействия на объект изучения.
-
Разработать и реализовать новую методику голографического оптического манипулирования мезоскопическими объектами с использованием фемтосекундных импульсов, исследовать возможности и ограничения новой методики.
-
Разработать фундаментальные основы технологии получения генетически модифицированных животных при помощи лазерного манипулятора с использованием принципов многофотонной фотохимии.
-
Разработать фундаментальные основы технологии терапевтического клонирования с использованием методов лазерного манипулирования мезоскопическими объектами.
Научная новизна.
Разработана и реализована не имеющая аналогов экспериментальная установка лазерного манипулирования микрообъектами, с использованием фемтосекундного и непрерывных лазеров. Таким образом, реализован новый метод оптического манипулирования, совмещающий возможности фемтосекундного лазерного скальпеля и «голографического оптического пинцета».
Экспериментально установлены параметры лазерного излучения (длительность импульса 100 фс, частота повторения 80 МГц, длина волны 800 нм, энергия импульса 1 нДж, длительность экспозиции 30 мс) необходимые для проведения неинвазивного лазерного слияния двух бластомеров эмбриона мыши. Также установлены параметры воздействия фемтосекундным скальпелем (длительность импульса 100 фс, частота повторения 80 МГц, длина волны 800 нм, энергия импульса 1 нДж, длительность экспозиции 10 мс) для слияния яйцеклетки мыши с соматической клеткой. Выявлены различия при слиянии двух клеток равного размера и клеток, размеры которых различаются на порядок величины. Успешное слияния бластомеров эмбриона мыши происходило при образовании кавитационного пузыря при воздействии фемтосекундным лазерным скальпелем. При этом не наблюдалось заметного изменения морфологии клеток сразу после воздействия, полное слияние происходило через 20 - 30 минут. При слиянии ооцита (яйцеклетки) мыши и фибробласта (размер фибробласта на порядок величины меньше размера ооцита) процедура протекало успешно при отсутствии кавитационного пузыря. При этом сразу после воздействия фемтосекундного скальпеля наблюдалось образование «перемычки» между клетками.
Практическая значимость работы. Методики, разработанные на основе полученных в ходе работы данных, имеют непосредственное прикладное значение в биологии, медицине и фармацевтике. Предложенная новая технология получения генетически модифицированных животных («чистые линии») находится на стадии патентования.
Получение индивидуальных эмбриональных стволовых клеток человека и на сегодняшний день является актуальнейшей задачей современной биомедицины. Одним из важнейших результатов работы является демонстрация возможности использовать разработанную методику лазерного манипулирования для проведения терапевтического клонирования, т.е. получения индивидуальных эмбриональных стволовых клеток.
Личный вклад автора. Экспериментальные установки для проведения экспериментов были собраны лично автором. Все приведённые в диссертации экспериментальные результаты получены автором лично либо при его участии. Постановка задачи, а также обсуждение результатов всех представленных экспериментальных данных происходило при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, были представлены в докладах на следующих научных конференциях:
-
-
51-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», г. Москва - Долгопрудный,
-
г.
Всероссийская научная конференция с международным участием «Нанотехнологии в онкологии 2008», г. Москва, 2008 г.
52-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», г. Москва - Долгопрудный,
г.
-
«Конференция-конкурс молодых физиков», г. Москва, 2010 г.
-
«14-я Пущинская международная школа-конференция молодых учёных», г. Пущино, 2010 г.
-
ICONO/LAT, Kazan, 2010
-
«15-я Пущинская международная школа-конференция молодых учёных», г. Пущино, 2011 г.
-
«Химическая физика вчера, сегодня, завтра», г. Москва, 2011 г.
-
XXIV Семёновские чтения, г. Москва, 2012 г.
-
П-я Международная конференция «Модели инновационного развития фармацевтической и медицинской промышленности на базе университетов, как интеграторов науки и индустрии», г. Долгопрудный, 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Похожие диссертации на Нелинейно-оптические эффекты и многофотонное поглощение фемтосекундных импульсов в микрохирургии ранних эмбрионов млекопитающих
-
-
