Методы оптической цитометрии и флоуметрии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ
по учебно-методической работе,
профессор
_____________________Е.Г. Елина
"__" __________________2011г.
Рабочая программа дисциплины
Методы оптической цитометрии и флоуметрии
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Методы оптической цитометрии и
флоуметрии» является ознакомление магистрантов с современными
представлениями об оптических и лазерных методах цитометрии и
флоуметрии, применяемых и перспективных для применения в биологии и
медицине. Задачи курса заключаются в изучении фундаментальных основ
оптических методов цитометрии и флоуметрии на основе исследования
взаимодействия когерентного и некогерентного света с биологическими
клетками, а также в получении практических навыков для использования
этих методов для решения научных и технических проблем биомедицинской
диагностики и сопровождения оптической и лазерной фототерапии и
хирургии. Все это соответствует основным целям магистратуры в части
получении высшего профессионально профилированного образования,
позволяющего выпускнику успешно работать в избранной сфере
деятельности в РФ и за рубежом, обладать универсальными и предметно
специализированными компетенциями, способствующими его социальной
мобильности,
востребованности
на
рынке
труда
и
успешной
профессиональной карьере.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратура
Дисциплина «Методы оптической цитометрии и флоуметрии» относится к
дисциплинам общенаучного цикла (М1), курс (М1Р4) читается во 2
семестре. Форма итоговой аттестации — экзамен.
При изучении курса магистранты должны иметь теоретическую
подготовку: по разделам и темам общего курса физики: механика,
молекулярная физика, колебания и волны, физическая оптика,
геометрическая оптика; по специальным курсам: «Атомная и молекулярная
спектроскопия», «Физиология человека и животных», «Основы биохимии и
биофизики фотобиологических процессов», «Молекулярная оптика»,
«Оптоэлектроника»; по разделам математики: математический анализ,
аналитическая геометрия, теория поля, теория вероятности, теория
случайных процессов.
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и
навыки могут быть непосредственно применены обучающимися в их
дальнейшем обучении по профилю медицинская фотоника.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Методы оптической цитометрии и флоуметрии»
В процессе освоения
обучаемым дисциплины «Методы оптической
цитометрии и флоуметрии» достигается освоение общекультурных (ОК) и
профессиональных (ПК) компетенций, характеризуемых:
2
- способностью демонстрировать углубленные знания в области
математики и естественных наук (ОК-1);
- способностью к коммуникации в научной, производственной и
социально-общественной сферах деятельности, свободное владение
русским и иностранным языками как средством делового общения
(ОК-8);
- способностью использовать знания современных проблем физики,
новейших достижений физики в своей научно-исследовательской
деятельности (ПК-2);
- способностью свободно владеть разделами физики, необходимыми
для решения научно-инновационных задач (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-6);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать основные методы оптической цитометрии и флоуметрии. Знать
какие физические явления и процессы лежат в их основе.
Уметь
проводить количественные оценки, характеризующие
разнообразные методы оптической цитометрии и флоуметрии, и
спроектировать или выбрать цитометр или флуорометр для решения
конкретной биомедицинской задачи. Уметь представить результаты анализа
научной литературы в форме, соответствующей области применения (анализ
физических процессов либо медико-биологические и диагностические
приложения).
Владеть
практическими навыками по работе с оптической
аппаратурой и элементной базой оптических цитометров и флуорометров, а
также практическими навыками работы с научной литературой и
составлению критических аналитических отчетов.
4. Структура и содержание дисциплины «Методы оптической
цитометрии и флоуметрии»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, в том
числе – 16 часов лекций, 16 часов практических занятий и 4 часа
самостоятельной работы.
4.1. Структура дисциплины
№
Раздел дисциплины
п/п
Формы
текущего
Виды учебной работы,
контроля
Неделя включая
Сем
успеваемости
семестр самостоятельную
естр
(по неделям
а
работу студентов и
семестра)
трудоемкость (в часах)
Формы
промежуточной
3
аттестации (по
семестрам)
1
Физические основы
2
цитометров и
флуометров,
использующих упругое
рассеяние света и
поляризационные
свойства рассеянного
света клеток и подача
образцов.
1,2,3
Л(3)
ПЗ (3)
2
Физические основы
цитометров,
использующих
флуоресценцию.
Принципы слайдовой
сканирующей
цитометрии.
2
4,5,6
Л(3)
ПЗ (3)
2
7,8,9
Л(3)
3
4
Принципы цитометрии и 2
флуометрии in vivo.
10,11,1 Л(3)
2
5
Инновационные
цитометрические
системы.
ВСЕГО
13,14,1 Л(4)
5,16
2
Л(16)
Выбор темы
практических
занятий в виде
проекта
цитометра или
флуометра (1
нед.)
Отчет по
работе над
проектом (6
нед.)
ПЗ (3)
Отчет по
работе над
проектом (9
нед.)
ПЗ (3)
Отчет по
работе над
проектом (12
нед.)
ПЗ (4) СР(4) Защита
проекта (16
нед.), экзамен
ПЗ(16)
СР (4)
4.2. Содержание дисциплины
1. Физические основы цитометров и флуометров, использующих
упругое рассеяние света и поляризационные свойства рассеянного
света.
Принципы построения пролетных цитометров. Устройство проточной
ячейки. Сортировка клеток и подача образцов. Типы используемых
лазеров и детекторов. Подготовка образцов. Обработка данных.
Цитограммы и гистограммы (двумерные и многопараметрические)
2. Физические основы цитометров и флоуметров, использующих
флуоресценцию.
Типы используемых лазеров
оптические цитометры.
и
детекторов.
Многоканальные
3. Принципы слайдовой сканирующей цитометрии.
4
Флуоресцентная и КР-спектроскопия в цитометрии. Многофотонная
флуоресценция и микроскопия второй гармоники в цитометрии.
4. Принципы цитометрии и флуометрии in vivo.
Объекты исследования. Капилляроскопия ногтевого ложа. Новые
подходы в цифровой динамической микроскопической цитометрии и
флуометрии. Сверхчувствительные и высокоскоростные ПЗС и СMOS
камеры. Оптотермические (ОТ) и оптоакустичекие (ОА) методы
цитометрии и флуометрии. Формирование ОТ и ОА сигнала.
Получение ОТ и ОА изображений клеток в движении и определение ее
скорости движения. Флуоресцентная in vivo цитометрия и флуометрия.
5. Инновационные цитометрические системы.
Использование квантовых точек и наночастиц в цитометрии и
флуометрии. Миниатюрные цитометры на основе микрожидкостных
систем.
5. Образовательные технологии
Лекционные и практические занятия и отчетность студентов в виде
презентации по проекту с использованием мультимедийных средств и
Интернета.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Наполнение объема часов самостоятельной работы предусмотрено в виде
подготовки проекта по разработке оптического цитометра или флуометра, а
также чтении дополнительной литературы по курсу.
В качестве периодических изданий рекомендуются следующие российские
академические и зарубежные издания:
1) Квантовая электроника
2) Оптика и спектроскопия
3) Письма в журнал технической физики
4) Оптический журнал
5) Биофизика
6) Цитология
7) J. Biomedical Optics
8) J. Biophotonics
9) J. Innovative Optical Health Sciences
10)
Applied Optics
11)
J. Opt. Soc. Am.
5
12)
13)
14)
Laser Physics
Laser Physics Letters
Cytology A
Магистрант должен показать умение работать с периодической и
монографической литературой, продемонстрировать навыки поиска
материала, используя библиотечные поисковые системы и Интернет, а также
подготовить проект, электронную презентацию и сделать краткое сообщение
по теме проекта – защитить его.
Контрольные вопросы
1. Принципы построения пролетных цитометров и флуометров.
2. Физические основы цитометров, использующих упругое рассеяние
света и поляризационные свойства рассеянного света.
3. Устройство проточной ячейки. Сортировка клеток и подача
образцов.
4. Физические основы цитометров и флуометров, использующих
флуоресценцию.
5. Типы используемых лазеров и детекторов.
6. Многоканальные оптические цитометры.
7. Принципы слайдовой сканирующей цитометрии.
8. Флуоресцентная и КР-спектроскопия в цитометрии.
9. Многофотонная флуоресценция и микроскопия второй гармоники в
цитометрии.
10.Сверхчувствительные и высокоскоростные ПЗС и СMOS камеры.
11.Оптотермические (ОТ) и оптоакустичекие (ОА) методы цитометрии.
12.Формирование ОТ и ОА сигнала.
13.Получение ОТ и ОА изображений клеток в движении.
14.Флуоресцентная in vivo цитометрия и флуометрия.
15.Инновационные цитометрические системы.
16.Использование квантовых точек и наночастиц в цитометрии и
флуометрии.
17.Миниатюрные цитометры на основе микрожидкостных систем.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Методы оптической цитометрии и флоуметрии»
а) Основная литература:
1. Valery V. Tuchin (ed.), Advanced Optical Cytometry: Methods and Disease
Diagnoses, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2011.
2. В.В. Тучин, Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских
исследованиях, 2-е издание, Физматлит, 2010.
6
3. V.V. Tuchin, Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for
Medical Diagnosis, PM 166, Bellingham, WA, USA, 2007.
б) Дополнительная литература:
1. Лопатин В.Н., Приезжев А.В., Апонасенко А.Д., Шепелевич Н.В.,
Пожиленкова П.В., Простакова И.В. Методы светорассеяния в анализе
дисперсных биологических сред. М., Физматлит, 2006.
2. Galanzha EI, Tuchin VV, and Zharov VP. Advances in small animal
mesentery models for in vivo flow cytometry, dynamic microscopy, and
drug screening (invited review). World J. Gastroenterology, January 14,
2007, 13 (2), pp. 198-224.
3. Valery V. Tuchin, Attila Tarnok, and Vladimir P. Zharov (Guest Editors),
Towards in vivo flow cytometry, J. Biophoton. 2, No. 8–9, 457–547 (2009) /
DOI 10.1002/jbio.200910546.
4. Stoyan Tanev, Wenbo Sun, James Pond, Valery V. Tuchin, and Vladimir P.
Zharov, “Flow cytometry with gold nanoparticles and their clusters as
scattering contrast agents: FDTD simulation of light-cell interaction,” J.
Biophotonics, 2, 505–520 (2009).
5. E. I. Galanzha, M. S. Kokoska, E. V. Shashkov, J.-W. Kim, V. V. Tuchin,
and V. P. Zharov, In vivo fiber photoacoustic detection and photothermal
purging of metastasis targeted by nanoparticles in sentinel lymph nodes at
single cell level J. Biophoton. 2, 528–539 (2009).
6. Tuchin V.V., Wang L., Zimnyakov D.А. Optical Polarization in Biomedical
Applications. Berlin, Heidelberg, N.Y., Springer-Verlag, 2006.
7. В.В. Тучин (ред.), Оптическая биомедицинская диагностика, том. 1,
Москва, Физматлит, 2007.
8. В.В. Тучин (ред.), Оптическая биомедицинская диагностика, том. 2,
Москва, Физматлит, 2007.
9. V.V. Tuchin (ed.), Handbook of Optical Sensing of Glucose in Biological
Fluids and Tissues, CRC Press, Taylor & Francis Group, London, 2009.
10.L.V. Wang, H-I Wu, Biomedical Optics. Principles and Imaging.- HobokenWiley, 2007.
11.R. Splinter, B.A. Hooper, An Introduction to Biomedical Optics.- CRC
Press, Taylor & Francis Group, London, 2007.
12.Valery V. Tuchin, Rebekah Drezek, Shuming Nie, and Vladimir P. Zharov
(Guest Editors) Special section on Nanophotonics for Diagnostics,
Protection and Treatment of Cancer and Inflammatory Diseases, J. Biomed.
Opt., March/April 2009, Vol. 14 (2), 020901; 021001-021017.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Методы оптической цитометрии и флоуметрии»
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет.
7
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика и
профилю подготовки магистров Медицинская фотоника.
Автор:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
В.В. Тучин
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 24 января 2011 года, протокол № 1/11.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
8