262,415 research outputs found
Multiple scattering of light in optical diagnostics of dense sprays and other complex turbid media
Full text linkSprays and other industrially relevant turbid media can be quantitatively and qualitatively characterized using modern optical diagnostics. However, current laser
based techniques generate errors in the dense region of sprays due to the multiple scattering of laser radiation e ected by the surrounding cloud of droplets. In most industrial
sprays, the scattering of light occurs within the so-called intermediate scattering regime
where the average number of scattering events is too great for single scattering to be
assumed, but too few for the di usion approximation to be applied. An understanding
and adequate prediction of the radiative transfer in this scattering regime is a challenging
and non-trivial task that can significantly improve the accuracy and e ciency of optical
measurements. A novel technique has been developed for the modelling of optical radiation propagation in inhomogeneous polydisperse scattering media such as sprays. The
computational model is aimed to provide both predictive and reliable information, and
to improve the interpretation of experimental results in spray diagnostics. Results from
simulations are verified against the analytical approach and validated against the experiment by the means of homogeneous solutions of suspended polystyrene spheres. The
ability of the technique to simulate various detection conditions, to di erentiate scattering orders and to generate real images of light intensity distributions with high spatial
resolution is demonstrated. The model is used for the real case of planar Mie imaging
through a typical hollow cone water spray. Versatile usage of this model is exemplified
with its applications to image transfer through turbid media, correction of experimental
Beer-Lambert measurements, the study of light scattering by single particles in the farfield region, and to simulate the propagation of ultra-short laser pulses within complex
scattering media. The last application is fundamental for the development and testing
of future optical spray diagnostics; particularly for those based on time-gating detection
such as ballistic imaging
Lasersäteilyn indusoimien veren punasolujen ja hemoreologisten muutosten vuorovaikutusten erikoispiirteet
No full textAbstractThis thesis reports on studies of the fundamental interaction dynamics of human red blood cells (RBC) by optical tweezers (OT) and the application of the OT-based RBC-investigation protocol in facilitating blood photobiomodulation research at a single-cell level. The motivation for the present study arises from the scientific and clinical significance of examining RBC interaction mechanisms as a model for studying general cell interaction in cytological science. Exploring the phenomenon and mechanism of the photobiomodulation of laser radiation on the rheological properties of RBC has a great potential in the field of laser blood therapy.Interaction dynamics and the role of intercellular interaction time and mutual contact in RBC aggregation and OT-induced disaggregation in autologous plasma are presented as new evidence, clarifying the RBC interaction mechanism. The rheological alterations of RBC induced by laser radiation with various irradiation conditions were thoroughly explored at a single-cell level for the first time to provide a better understanding of the underlying mechanism of photobiomodulation on blood. This study demonstrated the beneficial effects of low-level laser irradiation by a 450-nm wavelength with a radiant exposure below 9.5 J/cm2 of improving RBC deformability and preserving cell shape in a harsh environment. Additionally, irradiated RBC aggregates were easily destroyed by the external influence (i.e., optical force), which could be the flow shearing force in a blood vessel and geometrical resistance by vasculature for in vivo conditions.The current work is important for optimizing the technique of the OT-based RBC evaluation system. It will contribute to the development of effective approaches for improving blood cell viability and blood microcirculation based on the reported photobiomodulation effects.Original papersOriginal papers are not included in the electronic version of the dissertation.Zhu, R., Avsievich, T., Su, X., Bykov, A., Popov, A., & Meglinski, I. (2022). Hemorheological alterations of red blood cells induced by 450-nm and 520-nm laser radiation. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 230, 112438. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2022.112438Self-archived versionZhu, R., Avsievich, T., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2021). In vivo nano-biosensing element of red blood cell-mediated delivery. Biosensors and Bioelectronics, 175, 112845. https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112845Self-archived versionZhu, R., Avsievich, T., Bykov, A., Popov, A., & Meglinski, I. (2019). Influence of pulsed He–Ne laser irradiation on the red blood cell interaction studied by optical tweezers. Micromachines, 10(12), 853. https://doi.org/10.3390/mi10120853Self-archived versionZhu, R., Avsievich, T., Popov, A., & Meglinski, I. (2020). Optical tweezers in studies of red blood cells. Cells, 9(3), 545. https://doi.org/10.3390/cells9030545Self-archived versionZhu, R., Avsievich, T. I., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2021). In vitro influence of 520 nm diode laser irradiation on red blood cell spontaneous aggregation studied by optical tweezers and light microscopy. Proceedings of SPIE, Optical Trapping and Optical Micromanipulation XVIII 11798, 1179809. https://doi.org/10.1117/12.2595118Self-archived versionZhu, R., Popov, A., & Meglinski, I. (2020). Probing the red blood cell interaction in individual cell pairs by optical tweezers. Conference on Lasers and Electro-optics, AW3I.4. https://doi.org/10.1364/CLEO_AT.2020.AW3I.4Self-archived versionZhu, R., Avsievich, T., Popov, A., & Meglinski, I. (2019). Influence of interaction time on the red blood cell (dis)aggregation dynamics in vitro studied by optical tweezers. Proceedings of SPIE, Novel Biophotonics Techniques and Applications V 11075, 110750D. https://doi.org/10.1117/12.2526778Self-archived versionTiivistelmäTässä opinnäytetyössä raportoidaan ihmisen punasolujen (RBC) perustavanlaatuisen vuorovaikutusdynamiikan tutkimuksista optisilla pinseteillä (OT) ja OT-pohjaisen RBC-tutkimusprotokollan soveltamisesta veren fotobiomodulaatiotutkimuksen helpottamiseksi yksisolutasolla. Motivaatio nykyiselle tutkimukselle syntyy punasolujen vuorovaikutusmekanismien tutkimisen tieteellisestä ja kliinisestä merkityksestä mallina yleisen soluvuorovaikutuksen tutkimiseen sytologiassa. Kun lasersäteilyn fotobiomodulaation ilmiötä ja mekanismia tutkitaan punasolujen reologisissa ominaisuuksissa, siinä on paljon potentiaalia laserveriterapian alalla.Interaktiodynamiikka ja solunvälisen interaktioajan ja keskinäisen kontaktin rooli punasolujen aggregaatiossa ja OT:n aiheuttamassa hajoamisessa autologisessa plasmassa esitetään uutena todisteena punasolujen yhteisvaikutusmekanismia selventävänä näyttönä. Punasoluissa tapahtuneita, lasersäteilyn erilaisissa valaistusolosuhteissa aiheuttamia reologisia muutoksia tarkasteltiin nyt ensimmäistä kertaa perusteellisesti yksittäisten solujen tasolla, minkä seurauksena saatiin aiempaa parempi ymmärrys veren fotobiomodulaation taustalla olevasta mekanismista. Tutkimus havainnollisti matalaenergisen, teholtaan alle 9,5 J/cm2:n säteilyaltistuksen ja aallonpituudeltaan 450 nm:n lasersäteilyn hyödylliset vaikutukset punasolujen muodonmuutoksen parantamisessa ja solujen kyvyssä säilyttää muotonsa ankarissakin olosuhteissa. Lisäksi säteilytetyt RBC-aggregaatit tuhoutuivat helposti ulkoisen vaikutuksen vaikutuksesta (optinen voima), joka voi olla virtauksen leikkausvoima verisuonessa ja geometrinen vastus verisuonissa in vivo -olosuhteissa.Tutkimuksen saavutukset ovat merkittäviä optimoitaessa optiseen pinsettiin perustuvan punasolujen arviointijärjestelmän tekniikoita. Raportoitujen fotobiomodulaatio vaikutusten kautta työ edistää verisolujen elinkelpoisuuden ja veren mikrovirtauksen parantamiseen tähtäävien tehokkaiden lähestymistapojen kehittämistä.OsajulkaisutOsajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.Zhu, R., Avsievich, T., Su, X., Bykov, A., Popov, A., & Meglinski, I. (2022). Hemorheological alterations of red blood cells induced by 450-nm and 520-nm laser radiation. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 230, 112438. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2022.112438Rinnakkaistallennettu versioZhu, R., Avsievich, T., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2021). In vivo nano-biosensing element of red blood cell-mediated delivery. Biosensors and Bioelectronics, 175, 112845. https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112845Rinnakkaistallennettu versioZhu, R., Avsievich, T., Bykov, A., Popov, A., & Meglinski, I. (2019). Influence of pulsed He–Ne laser irradiation on the red blood cell interaction studied by optical tweezers. Micromachines, 10(12), 853. https://doi.org/10.3390/mi10120853Rinnakkaistallennettu versioZhu, R., Avsievich, T., Popov, A., & Meglinski, I. (2020). Optical tweezers in studies of red blood cells. Cells, 9(3), 545. https://doi.org/10.3390/cells9030545Rinnakkaistallennettu versioZhu, R., Avsievich, T. I., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2021). In vitro influence of 520 nm diode laser irradiation on red blood cell spontaneous aggregation studied by optical tweezers and light microscopy. Proceedings of SPIE, Optical Trapping and Optical Micromanipulation XVIII 11798, 1179809. https://doi.org/10.1117/12.2595118Rinnakkaistallennettu versioZhu, R., Popov, A., & Meglinski, I. (2020). Probing the red blood cell interaction in individual cell pairs by optical tweezers. Conference on Lasers and Electro-optics, AW3I.4. https://doi.org/10.1364/CLEO_AT.2020.AW3I.4Rinnakkaistallennettu versioZhu, R., Avsievich, T., Popov, A., & Meglinski, I. (2019). Influence of interaction time on the red blood cell (dis)aggregation dynamics in vitro studied by optical tweezers. Proceedings of SPIE, Novel Biophotonics Techniques and Applications V 11075, 110750D. https://doi.org/10.1117/12.2526778Rinnakkaistallennettu versioAcademic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 30 June 2022, at 12 noonAbstract
This thesis reports on studies of the fundamental interaction dynamics of human red blood cells (RBC) by optical tweezers (OT) and the application of the OT-based RBC-investigation protocol in facilitating blood photobiomodulation research at a single-cell level. The motivation for the present study arises from the scientific and clinical significance of examining RBC interaction mechanisms as a model for studying general cell interaction in cytological science. Exploring the phenomenon and mechanism of the photobiomodulation of laser radiation on the rheological properties of RBC has a great potential in the field of laser blood therapy.
Interaction dynamics and the role of intercellular interaction time and mutual contact in RBC aggregation and OT-induced disaggregation in autologous plasma are presented as new evidence, clarifying the RBC interaction mechanism. The rheological alterations of RBC induced by laser radiation with various irradiation conditions were thoroughly explored at a single-cell level for the first time to provide a better understanding of the underlying mechanism of photobiomodulation on blood. This study demonstrated the beneficial effects of low-level laser irradiation by a 450-nm wavelength with a radiant exposure below 9.5 J/cm2 of improving RBC deformability and preserving cell shape in a harsh environment. Additionally, irradiated RBC aggregates were easily destroyed by the external influence (i.e., optical force), which could be the flow shearing force in a blood vessel and geometrical resistance by vasculature for in vivo conditions.
The current work is important for optimizing the technique of the OT-based RBC evaluation system. It will contribute to the development of effective approaches for improving blood cell viability and blood microcirculation based on the reported photobiomodulation effects.Tiivistelmä
Tässä opinnäytetyössä raportoidaan ihmisen punasolujen (RBC) perustavanlaatuisen vuorovaikutusdynamiikan tutkimuksista optisilla pinseteillä (OT) ja OT-pohjaisen RBC-tutkimusprotokollan soveltamisesta veren fotobiomodulaatiotutkimuksen helpottamiseksi yksisolutasolla. Motivaatio nykyiselle tutkimukselle syntyy punasolujen vuorovaikutusmekanismien tutkimisen tieteellisestä ja kliinisestä merkityksestä mallina yleisen soluvuorovaikutuksen tutkimiseen sytologiassa. Kun lasersäteilyn fotobiomodulaation ilmiötä ja mekanismia tutkitaan punasolujen reologisissa ominaisuuksissa, siinä on paljon potentiaalia laserveriterapian alalla.
Interaktiodynamiikka ja solunvälisen interaktioajan ja keskinäisen kontaktin rooli punasolujen aggregaatiossa ja OT:n aiheuttamassa hajoamisessa autologisessa plasmassa esitetään uutena todisteena punasolujen yhteisvaikutusmekanismia selventävänä näyttönä. Punasoluissa tapahtuneita, lasersäteilyn erilaisissa valaistusolosuhteissa aiheuttamia reologisia muutoksia tarkasteltiin nyt ensimmäistä kertaa perusteellisesti yksittäisten solujen tasolla, minkä seurauksena saatiin aiempaa parempi ymmärrys veren fotobiomodulaation taustalla olevasta mekanismista. Tutkimus havainnollisti matalaenergisen, teholtaan alle 9,5 J/cm2:n säteilyaltistuksen ja aallonpituudeltaan 450 nm:n lasersäteilyn hyödylliset vaikutukset punasolujen muodonmuutoksen parantamisessa ja solujen kyvyssä säilyttää muotonsa ankarissakin olosuhteissa. Lisäksi säteilytetyt RBC-aggregaatit tuhoutuivat helposti ulkoisen vaikutuksen vaikutuksesta (optinen voima), joka voi olla virtauksen leikkausvoima verisuonessa ja geometrinen vastus verisuonissa in vivo -olosuhteissa.
Tutkimuksen saavutukset ovat merkittäviä optimoitaessa optiseen pinsettiin perustuvan punasolujen arviointijärjestelmän tekniikoita. Raportoitujen fotobiomodulaatio vaikutusten kautta työ edistää verisolujen elinkelpoisuuden ja veren mikrovirtauksen parantamiseen tähtäävien tehokkaiden lähestymistapojen kehittämistä
Punasolut ja uudet nanomateriaalit: kohti nanoturvallisuutta ja nanolääketiedettä
No full textAbstractNanomaterials are an essential part of modern life due to their extensive use in industrial and commercial products and future personalized medicine. In recent years, new nanoparticles (NPs) have been introduced in bioimaging, diagnostics, drug delivery, and therapy. Along with the production growth of NPs, concerns about NPs safety for human health have been raised. As blood is an inevitable target for NP-based pharmaceutics at systemic NP-based drug administration, the investigation of the poorly understood effects of NPs on blood properties is of high demand.The present thesis focuses on the assessment of commercial and novel synthesized NPs towards the haemorheologica l properties of the main blood cellular component — red blood cells (RBCs). In the research for this thesis, RBC morphology, deformability and mutual interactions were examined at non-haemolytic concentrations of NPs. A revolutionary optical tweezers technique revealed subtle effects of indirect toxicity towards mutual RBCs interactions and deformability. Further, additional conventional optical microscopy analysis revealed the influence of NPs on RBC interactions on a multicellular level, while scanning electron microscopy (SEM) enabled high-resolution monitoring of RBCs surfaces and morphological alterations triggered by NPs. Another aim of the study addressed the unclear mechanism behind RBC interactions. Experimental evidence of the definitive role of the size and proportion of macromolecules in RBC interactions was provided. The mixture of natural polymer dextran mimicking plasma protein composition induced an RBC interaction mode similar to one observed in blood plasma. Thus, the new hybrid model combining “cross-bridges” and “depletion” effects was proposed.The reported findings contribute to the fundamental understanding of RBC interactions and can help to facilitate the design and clinical validation of polymer-based plasma expanders and novel NPs for safe and beneficial use.Original papersOriginal papers are not included in the electronic version of the dissertation.Avsievich, T., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2022). Blood–nanomaterials interactions. In A. Denizli. T. Nguyen, R. Mariappan, M. Feroz Alam, & K. Khaliqur Rahman (Eds.), Nanotechnology for Hematology, Blood Transfusion, and Artificial Blood (pp. 1–40). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-823971-1.00002-7Avsievich, T., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2020). The advancement of blood cell research by optical tweezers. Reviews in Physics, 5, 100043. https://doi.org/10.1016/j.revip.2020.100043Self-archived versionAvsievich, T., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2018). Mutual interaction of red blood cells assessed by optical tweezers and scanning electron microscopy imaging. Optics Letters, 43(16), 3921–3924. https://doi.org/10.1364/OL.43.003921Self-archived versionAvsievich, T., Tarakanchikova, Y., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., Skovorodkin, I., Vainio, S., & Meglinski, I. (2019). Impact of nanocapsules on red blood cells interplay jointly assessed by optical tweezers and microscopy. Micromachines, 11(1), 19. https://doi.org/10.3390/mi11010019Self-archived versionAvsievich, T., Tarakanchikova, Y. V., Popov, A., Karmenyan, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Combined use of optical tweezers and scanning electron microscopy to reveal influence of nanoparticles on red blood cells interactions. In A. Amelink, & S. K. Nadkarni (Eds.), Novel Biophotonics Techniques and Applications V (110750F). Proceedings of SPIE, 11075. https://doi.org/10.1117/12.2526730Self-archived versionAvsievich, T., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Mutual interaction of red blood cells influenced by nanoparticles. Scientific Reports, 9(1), 5147. https://doi.org/10.1038/s41598-019-41643-xSelf-archived versionAvsievich, T., Zhu, R., Popov, A., Yatskovskiy, A., Popov, A. A., Tikhonowsky, G., Pastukhov, A., Klimentov, S., Bykov, A., Kabashin, A., & Meglinski, I. (2022). Hemorheological alterations of erythrocytes induced by plasmonic nanoparticles. Manuscript submitted for publication.TiivistelmäNanomateriaalit ovat olennainen osa nykyaikaista elämäntapaa, sillä niitä käytetään laajasti teollisissa ja kaupallisissa tuotteissa sekä tulevaisuuden yksilöllisessä lääketieteessä. Viime vuosina uusia nanopartikkeleita (NP) on otettu käyttöön biolääketieteellisessä kuvantamisessa ja diagnostiikassa sekä lääkkeiden antamisessa ja terapiassa. NP:iden tuotannon kasvun myötä on noussut esiin huoli niiden turvallisuudesta ihmisten terveydelle. Koska veri on väistämätön kohde NP-pohjaisille lääkkeille systeemisessä NP-pohjaisessa lääkkeen annossa, on nanopartikkelien vähän tutkittujen, veren ominaisuuksiin kohdistuvien vaikutusten selvittämiselle suuri tarve.Kyseinen opinnäytetyö keskittyy kaupallisten ja uusien syntetisoitujen nanaopartikkelien arviointiin verisolujen pääkomponentin eli punasolujen (RBC) hemorheologisten ominaisuuksien osalta. Tämän työn tutkimuksessa tarkasteltiin punasolujen morfologiaa, muodonmuutoksia ja keskinäisiä vuorovaikutuksia ei-hemolyyttisissä NP-pitoisuuksissa. Vallankumouksellinen optinen pinsettitekniikka paljasti epäsuoran myrkyllisyyden hienovaraiset vaikutukset punasolujen keskinäiseen vuorovaikutukseen ja muodonmuutokseen. Lisäksi tavanomainen optinen mikroskopia-analyysi paljasti NP:iden ja RBC:n vuorovaikutukset monisoluisella tasolla, kun taas pyyhkäisyelektronimikroskopia (SEM) mahdollisti punasolujen pintojen ja NP:iden laukaisemien morfologisten muutosten korkearesoluutioisen seurannan. Tutkimuksen toisena tavoitteena oli selvittää punasolujen vuorovaikutuksen taustalla olevaa epäselvää mekanismia. Työssä esitettiin kokeellisia todisteita makromolekyylien koon ja osuuden lopullisesta roolista punasolujen vuorovaikutuksessa. Plasmaproteiinikoostumusta jäljittelevän luonnollisen polymeerin dekstraanin seos indusoi punasolujen vuorovaikutusmuodon, joka on samanlainen kuin veriplasmassa havaittu. Siten työssä ehdotettiin uutta "ristisiltoja" ja "tyhjennystä” yhdistävää hybridimallia.Raportoidut löydökset auttavat ymmärtämään punasolujen vuorovaikutuksia ja voivat helpottaa polymeeripohjaisten plasmalaajenninten ja uusien nanopartikkelien suunnittelua sekä niiden kliinistä validointia turvallisen ja hyödyllisen käytön mahdollistamiseksi.OsajulkaisutOsajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.Avsievich, T., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2022). Blood–nanomaterials interactions. In A. Denizli. T. Nguyen, R. Mariappan, M. Feroz Alam, & K. Khaliqur Rahman (Eds.), Nanotechnology for Hematology, Blood Transfusion, and Artificial Blood (pp. 1–40). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-823971-1.00002-7Avsievich, T., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2020). The advancement of blood cell research by optical tweezers. Reviews in Physics, 5, 100043. https://doi.org/10.1016/j.revip.2020.100043Rinnakkaistallennettu versioAvsievich, T., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2018). Mutual interaction of red blood cells assessed by optical tweezers and scanning electron microscopy imaging. Optics Letters, 43(16), 3921–3924. https://doi.org/10.1364/OL.43.003921Rinnakkaistallennettu versioAvsievich, T., Tarakanchikova, Y., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., Skovorodkin, I., Vainio, S., & Meglinski, I. (2019). Impact of nanocapsules on red blood cells interplay jointly assessed by optical tweezers and microscopy. Micromachines, 11(1), 19. https://doi.org/10.3390/mi11010019Rinnakkaistallennettu versioAvsievich, T., Tarakanchikova, Y. V., Popov, A., Karmenyan, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Combined use of optical tweezers and scanning electron microscopy to reveal influence of nanoparticles on red blood cells interactions. In A. Amelink, & S. K. Nadkarni (Eds.), Novel Biophotonics Techniques and Applications V (110750F). Proceedings of SPIE, 11075. https://doi.org/10.1117/12.2526730Rinnakkaistallennettu versioAvsievich, T., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Mutual interaction of red blood cells influenced by nanoparticles. Scientific Reports, 9(1), 5147. https://doi.org/10.1038/s41598-019-41643-xRinnakkaistallennettu versioAvsievich, T., Zhu, R., Popov, A., Yatskovskiy, A., Popov, A. A., Tikhonowsky, G., Pastukhov, A., Klimentov, S., Bykov, A., Kabashin, A., & Meglinski, I. (2022). Hemorheological alterations of erythrocytes induced by plasmonic nanoparticles. Manuscript submitted for publication.Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 10 October 2022, at 12 noonAbstract
Nanomaterials are an essential part of modern life due to their extensive use in industrial and commercial products and future personalized medicine. In recent years, new nanoparticles (NPs) have been introduced in bioimaging, diagnostics, drug delivery, and therapy. Along with the production growth of NPs, concerns about NPs safety for human health have been raised. As blood is an inevitable target for NP-based pharmaceutics at systemic NP-based drug administration, the investigation of the poorly understood effects of NPs on blood properties is of high demand.
The present thesis focuses on the assessment of commercial and novel synthesized NPs towards the haemorheologica l properties of the main blood cellular component — red blood cells (RBCs). In the research for this thesis, RBC morphology, deformability and mutual interactions were examined at non-haemolytic concentrations of NPs. A revolutionary optical tweezers technique revealed subtle effects of indirect toxicity towards mutual RBCs interactions and deformability. Further, additional conventional optical microscopy analysis revealed the influence of NPs on RBC interactions on a multicellular level, while scanning electron microscopy (SEM) enabled high-resolution monitoring of RBCs surfaces and morphological alterations triggered by NPs. Another aim of the study addressed the unclear mechanism behind RBC interactions. Experimental evidence of the definitive role of the size and proportion of macromolecules in RBC interactions was provided. The mixture of natural polymer dextran mimicking plasma protein composition induced an RBC interaction mode similar to one observed in blood plasma. Thus, the new hybrid model combining “cross-bridges” and “depletion” effects was proposed.
The reported findings contribute to the fundamental understanding of RBC interactions and can help to facilitate the design and clinical validation of polymer-based plasma expanders and novel NPs for safe and beneficial use.Tiivistelmä
Nanomateriaalit ovat olennainen osa nykyaikaista elämäntapaa, sillä niitä käytetään laajasti teollisissa ja kaupallisissa tuotteissa sekä tulevaisuuden yksilöllisessä lääketieteessä. Viime vuosina uusia nanopartikkeleita (NP) on otettu käyttöön biolääketieteellisessä kuvantamisessa ja diagnostiikassa sekä lääkkeiden antamisessa ja terapiassa. NP:iden tuotannon kasvun myötä on noussut esiin huoli niiden turvallisuudesta ihmisten terveydelle. Koska veri on väistämätön kohde NP-pohjaisille lääkkeille systeemisessä NP-pohjaisessa lääkkeen annossa, on nanopartikkelien vähän tutkittujen, veren ominaisuuksiin kohdistuvien vaikutusten selvittämiselle suuri tarve.
Kyseinen opinnäytetyö keskittyy kaupallisten ja uusien syntetisoitujen nanaopartikkelien arviointiin verisolujen pääkomponentin eli punasolujen (RBC) hemorheologisten ominaisuuksien osalta. Tämän työn tutkimuksessa tarkasteltiin punasolujen morfologiaa, muodonmuutoksia ja keskinäisiä vuorovaikutuksia ei-hemolyyttisissä NP-pitoisuuksissa. Vallankumouksellinen optinen pinsettitekniikka paljasti epäsuoran myrkyllisyyden hienovaraiset vaikutukset punasolujen keskinäiseen vuorovaikutukseen ja muodonmuutokseen. Lisäksi tavanomainen optinen mikroskopia-analyysi paljasti NP:iden ja RBC:n vuorovaikutukset monisoluisella tasolla, kun taas pyyhkäisyelektronimikroskopia (SEM) mahdollisti punasolujen pintojen ja NP:iden laukaisemien morfologisten muutosten korkearesoluutioisen seurannan. Tutkimuksen toisena tavoitteena oli selvittää punasolujen vuorovaikutuksen taustalla olevaa epäselvää mekanismia. Työssä esitettiin kokeellisia todisteita makromolekyylien koon ja osuuden lopullisesta roolista punasolujen vuorovaikutuksessa. Plasmaproteiinikoostumusta jäljittelevän luonnollisen polymeerin dekstraanin seos indusoi punasolujen vuorovaikutusmuodon, joka on samanlainen kuin veriplasmassa havaittu. Siten työssä ehdotettiin uutta "ristisiltoja" ja "tyhjennystä” yhdistävää hybridimallia.
Raportoidut löydökset auttavat ymmärtämään punasolujen vuorovaikutuksia ja voivat helpottaa polymeeripohjaisten plasmalaajenninten ja uusien nanopartikkelien suunnittelua sekä niiden kliinistä validointia turvallisen ja hyödyllisen käytön mahdollistamiseksi
Lasertäpläkontrastikuvantaminen toiminnallista visualisointia varten
No full textAbstractLaser speckle contrast imaging is a modern technique uniquely suited for the full-field, non-invasive measurement of the motion of particles within randomly inhomogeneous highly scattering and absorbing media, including biological tissues. This technique is based on illuminating the medium with a coherent laser light, detecting the arising speckle pattern and further statistical analysis of the speckle pattern fluctuations caused by the motion of the scattering particles in the observed medium. Despite the active use of laser speckle contrast imaging for biomedical applications, this technique suffers from several issues complicating the understanding of obtained speckle contrast data.The present work is aimed at the investigation of limitations, improving, and discovering new potentials of currently existing methods of laser speckle contrast imaging. In particular, the influence of effects of non-ergodicity on the results of speckle contrast analysis was investigated using the phantom and animal models. It was shown that the presence of a thin static layer above the dynamic layer does not introduce significant errors in speckle contrast calculation. The simple approach for the adjustment of speckle contrast values in different types of brain vasculature during transcranial visualisation was introduced. For the first time, the protocol for the monitoring of skin acute vascular permeability reaction in response to simultaneous application of tree different chemical substances has been described. Moreover, in a new approach, the optical setup combining a hyperspectral camera and multi-wavelength light source was implemented for the depth-resolved blood flow and perfusion assessment. The proposed technique was applied for skin perfusion monitoring. Finally, the unprecedented use of laser speckle contrast imaging was introduced for handwriting pressure and kinematics evaluation.Original papersOriginal papers are not included in the electronic version of the dissertation.Sdobnov, A., Bykov, A., Popov, A., Zherebtsov, E. & Meglinski, I. A. (2018). Investigation of speckle pattern dynamics by laser speckle contrast imaging. In J. Popp, V. V. Tuchin, & F. S. Pavone (Eds.), Proceedings Volume 10685, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care VI (1068509). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2306631Self-archived versionSdobnov, A., Bykov, A., Molodij, G., Kalchenko, V., Jarvinen, T., Popov, A., Kordas, K., & Meglinski, I. (2018). Speckle dynamics under ergodicity breaking. Journal of Physics D: Applied Physics, 51(15), 155401. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aab404Self-archived versionSdobnov, A. Yu., Kalchenko, V. V., Bykov, A. V., Popov, A. P., Molodij, G., & Meglinski, I. V. (2020). Blood flow visualization by means of laser speckle-contrast measurements under the conditions of nonergodicity. Optics and Spectroscopy, 128(6), 778–786. https://doi.org/10.1134/S0030400X2006020XSelf-archived version
Kalchenko, V., Sdobnov, A., Meglinski, I., Kuznetsov, Y., Molodij, G., & Harmelin, A. (2019). A robust method for adjustment of laser speckle contrast imaging during transcranial mouse brain visualization. Photonics, 6(3), 80. https://doi.org/10.3390/photonics6030080Self-archived versionKalchenko, V., Meglinski, I., Sdobnov, A., Kuznetsov, Y., & Harmelin, A. (2019). Combined laser speckle imaging and fluorescent intravital microscopy for monitoring acute vascular permeability reaction. Journal of Biomedical Optics, 24(06), 060501. https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.6.060501Self-archived versionSdobnov, A. Y., Bykov, A., Popov, A., Lihacova, I., Lihachev, A., Spigulis, J., & Meglinski, I. (2019). Combined multi-wavelength laser speckle contrast imaging and diffuse reflectance imaging for skin perfusion assessment. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Proceedings Volume 11075, Novel Biophotonics Techniques and Applications V (110751F). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2526921Self-archived versionKuznetsov, Y., Sdobnov, A., Meglinski, I., Harmelin, A., & Kalchenko, V. (2019). Evaluation of handwriting peculiarities utilizing laser speckle contrast imaging. Laser Physics Letters, 16(11), 115601. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab43d7Self-archived versionTiivistelmäLasertäpläkontrastikuvantaminen on nykyaikainen tekniikka, joka soveltuu ainutlaatuisesti koko havainnointikentän alueella tunkeutumattomasti tapahtuville liikkuvien hiukkasten mittauksille satunnaisesti epähomogeenisten, suuresti sirottavien ja absorboivien väliaineiden kuten biologisten kudosten tapauksessa. Kyseinen tekniikka perustuu väliaineen valaisemiseen koherentilla laservalolla, ilmaantuvan täpläkuvion havainnointiin ja sirottavien hiukkasten tutkittavassa väliaineessa tapahtuvan liikkeen aiheuttamien täpläkuvion vaihteluiden tilastolliseen analyysiin. Huolimatta lasertäpläkuvantamisen aktiivisesti käytöstä biolääketieteellisissä sovelluksissa kyseinen tekniikka kärsii useista ongelmista, jotka hankaloittavat saadun täpläkontrastitiedon ymmärtämistä.Esiteltävä työ tähtää olemassa olevien lasertäpläkontrastikuvantamisen menetelmien rajoitteiden tutkimiseen, menetelmien parantamiseen ja uusien sovellusmahdollisuuksien löytämiseen. Työssä tutkittiin erityisesti epäergodisuuden vaikutusta täpläkontrastianalyysin tuloksiin fantomien ja eläinmallien avulla. Tutkimus osoitti, että dynaamisen kerroksen yläpuolella oleva ohut staattinen kerros ei aiheuta täpläkontrastilaskelmiin merkittäviä virheitä. Työn tuloksena kehitettiin yksinkertainen lähestymistapa täpläkontrastiarvojen säätämiseen erityyppisissä aivojen verisuonistoissa transkraniaalisen visualisoinnin aikana. Työssä on ensimmäistä kertaa a) kuvattu menettely ihon äkillisen suonensisäisen läpäisevyysreaktion vasteen tarkkailuun kolmen eri kemikaalin samanaikaisen käytön tapauksessa, b) käytetty hyperspetrikameran ja moniaallonpituuksisen valonlähteen muodostamaa optista kokoonpanoa syvyyserotteiseen veren virtauksen arviointiin sovellettaessa ehdotettua menetelmää ihon perfuusion tarkkailuun sekä c) käytetty lasertäpläkuvantamista käsialan paineen ja kinematiikan arvioinnissa.OsajulkaisutOsajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.Sdobnov, A., Bykov, A., Popov, A., Zherebtsov, E. & Meglinski, I. A. (2018). Investigation of speckle pattern dynamics by laser speckle contrast imaging. In J. Popp, V. V. Tuchin, & F. S. Pavone (Eds.), Proceedings Volume 10685, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care VI (1068509). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2306631Rinnakkaistallennettu versioSdobnov, A., Bykov, A., Molodij, G., Kalchenko, V., Jarvinen, T., Popov, A., Kordas, K., & Meglinski, I. (2018). Speckle dynamics under ergodicity breaking. Journal of Physics D: Applied Physics, 51(15), 155401. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aab404Rinnakkaistallennettu versioSdobnov, A. Yu., Kalchenko, V. V., Bykov, A. V., Popov, A. P., Molodij, G., & Meglinski, I. V. (2020). Blood flow visualization by means of laser speckle-contrast measurements under the conditions of nonergodicity. Optics and Spectroscopy, 128(6), 778–786. https://doi.org/10.1134/S0030400X2006020XRinnakkaistallennettu versio
Kalchenko, V., Sdobnov, A., Meglinski, I., Kuznetsov, Y., Molodij, G., & Harmelin, A. (2019). A robust method for adjustment of laser speckle contrast imaging during transcranial mouse brain visualization. Photonics, 6(3), 80. https://doi.org/10.3390/photonics6030080Rinnakkaistallennettu versioKalchenko, V., Meglinski, I., Sdobnov, A., Kuznetsov, Y., & Harmelin, A. (2019). Combined laser speckle imaging and fluorescent intravital microscopy for monitoring acute vascular permeability reaction. Journal of Biomedical Optics, 24(06), 060501. https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.6.060501Rinnakkaistallennettu versioSdobnov, A. Y., Bykov, A., Popov, A., Lihacova, I., Lihachev, A., Spigulis, J., & Meglinski, I. (2019). Combined multi-wavelength laser speckle contrast imaging and diffuse reflectance imaging for skin perfusion assessment. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Proceedings Volume 11075, Novel Biophotonics Techniques and Applications V (110751F). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2526921Rinnakkaistallennettu versioKuznetsov, Y., Sdobnov, A., Meglinski, I., Harmelin, A., & Kalchenko, V. (2019). Evaluation of handwriting peculiarities utilizing laser speckle contrast imaging. Laser Physics Letters, 16(11), 115601. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab43d7Rinnakkaistallennettu versioAcademic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium IT116, Linnanmaa, on 16 November 2022, at 12 noonAbstract
Laser speckle contrast imaging is a modern technique uniquely suited for the full-field, non-invasive measurement of the motion of particles within randomly inhomogeneous highly scattering and absorbing media, including biological tissues. This technique is based on illuminating the medium with a coherent laser light, detecting the arising speckle pattern and further statistical analysis of the speckle pattern fluctuations caused by the motion of the scattering particles in the observed medium. Despite the active use of laser speckle contrast imaging for biomedical applications, this technique suffers from several issues complicating the understanding of obtained speckle contrast data.
The present work is aimed at the investigation of limitations, improving, and discovering new potentials of currently existing methods of laser speckle contrast imaging. In particular, the influence of effects of non-ergodicity on the results of speckle contrast analysis was investigated using the phantom and animal models. It was shown that the presence of a thin static layer above the dynamic layer does not introduce significant errors in speckle contrast calculation. The simple approach for the adjustment of speckle contrast values in different types of brain vasculature during transcranial visualisation was introduced. For the first time, the protocol for the monitoring of skin acute vascular permeability reaction in response to simultaneous application of tree different chemical substances has been described. Moreover, in a new approach, the optical setup combining a hyperspectral camera and multi-wavelength light source was implemented for the depth-resolved blood flow and perfusion assessment. The proposed technique was applied for skin perfusion monitoring. Finally, the unprecedented use of laser speckle contrast imaging was introduced for handwriting pressure and kinematics evaluation.Tiivistelmä
Lasertäpläkontrastikuvantaminen on nykyaikainen tekniikka, joka soveltuu ainutlaatuisesti koko havainnointikentän alueella tunkeutumattomasti tapahtuville liikkuvien hiukkasten mittauksille satunnaisesti epähomogeenisten, suuresti sirottavien ja absorboivien väliaineiden kuten biologisten kudosten tapauksessa. Kyseinen tekniikka perustuu väliaineen valaisemiseen koherentilla laservalolla, ilmaantuvan täpläkuvion havainnointiin ja sirottavien hiukkasten tutkittavassa väliaineessa tapahtuvan liikkeen aiheuttamien täpläkuvion vaihteluiden tilastolliseen analyysiin. Huolimatta lasertäpläkuvantamisen aktiivisesti käytöstä biolääketieteellisissä sovelluksissa kyseinen tekniikka kärsii useista ongelmista, jotka hankaloittavat saadun täpläkontrastitiedon ymmärtämistä.
Esiteltävä työ tähtää olemassa olevien lasertäpläkontrastikuvantamisen menetelmien rajoitteiden tutkimiseen, menetelmien parantamiseen ja uusien sovellusmahdollisuuksien löytämiseen. Työssä tutkittiin erityisesti epäergodisuuden vaikutusta täpläkontrastianalyysin tuloksiin fantomien ja eläinmallien avulla. Tutkimus osoitti, että dynaamisen kerroksen yläpuolella oleva ohut staattinen kerros ei aiheuta täpläkontrastilaskelmiin merkittäviä virheitä. Työn tuloksena kehitettiin yksinkertainen lähestymistapa täpläkontrastiarvojen säätämiseen erityyppisissä aivojen verisuonistoissa transkraniaalisen visualisoinnin aikana. Työssä on ensimmäistä kertaa a) kuvattu menettely ihon äkillisen suonensisäisen läpäisevyysreaktion vasteen tarkkailuun kolmen eri kemikaalin samanaikaisen käytön tapauksessa, b) käytetty hyperspetrikameran ja moniaallonpituuksisen valonlähteen muodostamaa optista kokoonpanoa syvyyserotteiseen veren virtauksen arviointiin sovellettaessa ehdotettua menetelmää ihon perfuusion tarkkailuun sekä c) käytetty lasertäpläkuvantamista käsialan paineen ja kinematiikan arvioinnissa
Polarisaatio- ja terahertsikuvantaminen biologisten kudosten toiminnallisessa karakterisoinnissa
No full textAbstractNew methods for the functional characterization of biological tissues based on optical sensing and imaging techniques have been developed in recent decades. These advanced optical methods enable the quantitative scoring of tissue optical properties and give rise to the optical biopsy, which shows high potential for implementation in clinical practice in the near future.The present thesis describes the methods for the functional characterization of biological tissues based on the polarized light of the visible range and terahertz radiation. The considered approaches, enhanced by methods of mathematical and statistical analysis, were applied to differentiate various conditions of biological tissues that affect their morphological structure and water content. Polarized light imaging techniques, in particular, Stokes vector polarimetry based on circularly polarized illumination and multi-wavelength Mueller matrix imaging, were used for the label-free analysis of changes in tissue depolarization and anisotropy characteristics caused by different conditions such as cancer, beta-amyloidosis, tissue stretching, and dystrophic changes of fibrillary structures. Terahertz time-domain spectroscopy was utilized to non-invasively monitor tissue dehydration in transmission- and reflection-based measurement configurations. The fundamentals of the considered methods of optical tissue characterization, their limitations, and recent advances are overviewed. The present work aims for the improvement of the considered optical imaging and characterization techniques, as well as for discovering their potential to achieve better diagnostic efficiency and for facilitating their transfer from the laboratory to clinical use.Original papersOriginal papers are not included in the electronic version of the dissertation.Borovkova, M. A., Bykov, A. V., Popov, A., & Meglinski, I. V. (2020). Role of scattering and birefringence in phase retardation revealed by locus of Stokes vector on Poincaré sphere. Journal of Biomedical Optics, 25(05), 1. https://doi.org/10.1117/1.jbo.25.5.057001Self-archived versionBorovkova, M., Bykov, A., Popov, A., & Meglinski, I. (2019). Influence of scattering and birefringence on the phase shift between electric field components of polarized light propagated through biological tissues. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Novel Biophotonics Techniques and Applications V. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2526394Self-archived versionBorovkova, M., Bykov, A., Popov, A., Pierangelo, A., Novikova, T., Pahnke, J., & Meglinski, I. (2020). Evaluating β-amyloidosis progression in Alzheimer’s disease with Mueller polarimetry. Biomedical Optics Express, 11(8), 4509. https://doi.org/10.1364/boe.396294Self-archived versionBorovkova, M. A., Bykov, A., Popov, A., Pierangelo, A., Novikova, T., Pahnke, J., & Meglinski, I. V. (2020). The use of Stokes-Mueller polarimetry for assessment of amyloid-β progression in a mouse model of Alzheimer’s disease. In R. R. Alfano, S. G. Demos, & A. B. Seddon (Eds.), Optical Biopsy XVIII: Toward Real-Time Spectroscopic Imaging and Diagnosis. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2550795Self-archived versionBorovkova, M., Peyvasteh, M., Dubolazov, O., Ushenko, Y., Ushenko, V., Bykov, A., Deby, S., Rehbinder, J., Novikova, T., & Meglinski, I. (2018). Complementary analysis of Mueller-matrix images of optically anisotropic highly scattering biological tissues. Journal of the European Optical Society-Rapid Publications, 14(1). https://doi.org/10.1186/s41476-018-0085-9Self-archived versionBorovkova, M., Trifonyuk, L., Ushenko, V., Dubolazov, O., Vanchulyak, O., Bodnar, G., Ushenko, Y., Olar, O., Ushenko, O., Sakhnovskiy, M., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Mueller-matrix-based polarization imaging and quantitative assessment of optically anisotropic polycrystalline networks. PLOS ONE, 14(5), e0214494. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0214494Self-archived versionBorovkova, M., Khodzitsky, M., Demchenko, P., Cherkasova, O., Popov, A., & Meglinski, I. (2018). Terahertz time-domain spectroscopy for non-invasive assessment of water content in biological samples. Biomedical Optics Express, 9(5), 2266. https://doi.org/10.1364/boe.9.002266Self-archived versionTiivistelmäViime vuosikymmeninä biologisten kudosten toiminnalliseen karakterisointiin on kehitetty uusia menetelmiä, jotka perustuvat optisen tunnistamisen ja kuvantamisen tekniikoihin. Nämä kehittyneet optiset menetelmät mahdollistavat kudoksen optisten ominaisuuksien kvantitatiivisen pisteytyksen ja luovat siten pohjaa optiselle biopsialle, jolla on suuri potentiaali tulla kliiniseen käyttöön lähitulevaisuudessa.Opinnäyte kuvaa näkyvän alueen polarisoituun valoon ja terahertsisäteilyyn perustuvat biologisten kudosten toiminnallisen karakterisoinnin menetelmät. Näitä valikoituja, matemaattisilla ja tilastollisilla analyysimenetelmillä tehostettuja lähestymistapoja sovellettiin erottelemaan biologisten kudosten morfologiseen rakenteeseen ja vesipitoisuuteen vaikuttavia erilaisia olotiloja. Polarisoitua valoa hyödyntäviä kuvantamistekniikoita, erityisesti pyöröpolarisoituun valaistukseen perustuvaa Stokes-vektoripolarimetriaa ja monen aallonpituuden Mueller-matriisikuvantamista, käytettiin kudosten depolarisaatio- ja anisotropiapiirteissä tapahtuneiden erilaisten muutosten, joita aiheuttava esimerkiksi syöpä, beta-amyloidoosin, kudosvenymä ja lihasrakenteiden rappeumamuutokset, nimeämättömään analysointiin. Aikatason terahertsispektroskopiaa käytettiin kudoksen kuivumisen kajoamattomaan seurantaan mittauskokoonpanoilla, jotka perustuvat sekä läpäisyyn että heijastukseen. Työssä luodaan yleiskuva valittujen optisten kudoksen karakterisointimenetelmien perusteista, rajoitteista ja viimeaikaisesta kehityksestä. Työ tähtää näiden optisten kuvantamis- ja karakterisointitekniikoiden parantamiseen sekä niiden uuden potentiaalin löytämiseen, jotta saavutetaan parempi diagnostinen tehokkuus ja helpotetaan tekniikoiden siirtymistä laboratoriosta kliiniseen käyttöön.OsajulkaisutOsajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.Borovkova, M. A., Bykov, A. V., Popov, A., & Meglinski, I. V. (2020). Role of scattering and birefringence in phase retardation revealed by locus of Stokes vector on Poincaré sphere. Journal of Biomedical Optics, 25(05), 1. https://doi.org/10.1117/1.jbo.25.5.057001Rinnakkaistallennettu versioBorovkova, M., Bykov, A., Popov, A., & Meglinski, I. (2019). Influence of scattering and birefringence on the phase shift between electric field components of polarized light propagated through biological tissues. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Novel Biophotonics Techniques and Applications V. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2526394Rinnakkaistallennettu versioBorovkova, M., Bykov, A., Popov, A., Pierangelo, A., Novikova, T., Pahnke, J., & Meglinski, I. (2020). Evaluating β-amyloidosis progression in Alzheimer’s disease with Mueller polarimetry. Biomedical Optics Express, 11(8), 4509. https://doi.org/10.1364/boe.396294Rinnakkaistallennettu versioBorovkova, M. A., Bykov, A., Popov, A., Pierangelo, A., Novikova, T., Pahnke, J., & Meglinski, I. V. (2020). The use of Stokes-Mueller polarimetry for assessment of amyloid-β progression in a mouse model of Alzheimer’s disease. In R. R. Alfano, S. G. Demos, & A. B. Seddon (Eds.), Optical Biopsy XVIII: Toward Real-Time Spectroscopic Imaging and Diagnosis. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2550795Rinnakkaistallennettu versioBorovkova, M., Peyvasteh, M., Dubolazov, O., Ushenko, Y., Ushenko, V., Bykov, A., Deby, S., Rehbinder, J., Novikova, T., & Meglinski, I. (2018). Complementary analysis of Mueller-matrix images of optically anisotropic highly scattering biological tissues. Journal of the European Optical Society-Rapid Publications, 14(1). https://doi.org/10.1186/s41476-018-0085-9Rinnakkaistallennettu versioBorovkova, M., Trifonyuk, L., Ushenko, V., Dubolazov, O., Vanchulyak, O., Bodnar, G., Ushenko, Y., Olar, O., Ushenko, O., Sakhnovskiy, M., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Mueller-matrix-based polarization imaging and quantitative assessment of optically anisotropic polycrystalline networks. PLOS ONE, 14(5), e0214494. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0214494Rinnakkaistallennettu versioBorovkova, M., Khodzitsky, M., Demchenko, P., Cherkasova, O., Popov, A., & Meglinski, I. (2018). Terahertz time-domain spectroscopy for non-invasive assessment of water content in biological samples. Biomedical Optics Express, 9(5), 2266. https://doi.org/10.1364/boe.9.002266Rinnakkaistallennettu versioAcademic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 16 April 2021, at 12 noonAbstract
New methods for the functional characterization of biological tissues based on optical sensing and imaging techniques have been developed in recent decades. These advanced optical methods enable the quantitative scoring of tissue optical properties and give rise to the optical biopsy, which shows high potential for implementation in clinical practice in the near future.
The present thesis describes the methods for the functional characterization of biological tissues based on the polarized light of the visible range and terahertz radiation. The considered approaches, enhanced by methods of mathematical and statistical analysis, were applied to differentiate various conditions of biological tissues that affect their morphological structure and water content. Polarized light imaging techniques, in particular, Stokes vector polarimetry based on circularly polarized illumination and multi-wavelength Mueller matrix imaging, were used for the label-free analysis of changes in tissue depolarization and anisotropy characteristics caused by different conditions such as cancer, beta-amyloidosis, tissue stretching, and dystrophic changes of fibrillary structures. Terahertz time-domain spectroscopy was utilized to non-invasively monitor tissue dehydration in transmission- and reflection-based measurement configurations. The fundamentals of the considered methods of optical tissue characterization, their limitations, and recent advances are overviewed. The present work aims for the improvement of the considered optical imaging and characterization techniques, as well as for discovering their potential to achieve better diagnostic efficiency and for facilitating their transfer from the laboratory to clinical use.Tiivistelmä
Viime vuosikymmeninä biologisten kudosten toiminnalliseen karakterisointiin on kehitetty uusia menetelmiä, jotka perustuvat optisen tunnistamisen ja kuvantamisen tekniikoihin. Nämä kehittyneet optiset menetelmät mahdollistavat kudoksen optisten ominaisuuksien kvantitatiivisen pisteytyksen ja luovat siten pohjaa optiselle biopsialle, jolla on suuri potentiaali tulla kliiniseen käyttöön lähitulevaisuudessa.
Opinnäyte kuvaa näkyvän alueen polarisoituun valoon ja terahertsisäteilyyn perustuvat biologisten kudosten toiminnallisen karakterisoinnin menetelmät. Näitä valikoituja, matemaattisilla ja tilastollisilla analyysimenetelmillä tehostettuja lähestymistapoja sovellettiin erottelemaan biologisten kudosten morfologiseen rakenteeseen ja vesipitoisuuteen vaikuttavia erilaisia olotiloja. Polarisoitua valoa hyödyntäviä kuvantamistekniikoita, erityisesti pyöröpolarisoituun valaistukseen perustuvaa Stokes-vektoripolarimetriaa ja monen aallonpituuden Mueller-matriisikuvantamista, käytettiin kudosten depolarisaatio- ja anisotropiapiirteissä tapahtuneiden erilaisten muutosten, joita aiheuttava esimerkiksi syöpä, beta-amyloidoosin, kudosvenymä ja lihasrakenteiden rappeumamuutokset, nimeämättömään analysointiin. Aikatason terahertsispektroskopiaa käytettiin kudoksen kuivumisen kajoamattomaan seurantaan mittauskokoonpanoilla, jotka perustuvat sekä läpäisyyn että heijastukseen. Työssä luodaan yleiskuva valittujen optisten kudoksen karakterisointimenetelmien perusteista, rajoitteista ja viimeaikaisesta kehityksestä. Työ tähtää näiden optisten kuvantamis- ja karakterisointitekniikoiden parantamiseen sekä niiden uuden potentiaalin löytämiseen, jotta saavutetaan parempi diagnostinen tehokkuus ja helpotetaan tekniikoiden siirtymistä laboratoriosta kliiniseen käyttöön
Polarimetrinen ja spektrinen kuvantamismenetelmä epähomogeenisten sirontaväliaineiden, mukaan lukien biologisen kudoksen, kvantitatiiviseen kuvaamiseen
No full textAbstractIn this thesis, light-tissue interaction was investigated through different experimental and analytical methodologies to analyze optical and polarization properties over time and the obtained results were utilized in biomedical and food science applications. In this thesis, soft biological tissues (pork samples) were selected as a biological tissue due to their similarity to human tissue. First, the relative spectral changes of absorbance were studied by applying two different custom-built configurations. A Monte Carlo modelling and principal component analysis (PCA) method were applied further to the absorbance dataset to provide thorough studies for a spectroscopic approach. Second, a novel application of Mueller matrix (MM) imaging polarimetry was pioneered to visualize the dynamics of the tissue polarization properties over time with a custom-built Mueller matrix imaging polarimeter (MMIP). Frequency distribution histograms (FDHs) and the changes in the statistical moments of the MM elements were analyzed over time to provide qualitative and quantitative information of the tissue polarization properties. Finally, a new Stokes-polarimetry was introduced to examine optically thin histological sections from optically anisotropic biological tissues with different morphological structures.In summary, in spectroscopic and imaging polarimetry approaches, prominent changes in optical properties of the examined soft biological tissues were discriminated over time. The obtained results are promising in the development of a novel non-destructive tool for monitoring biological tissues for application in biomedical applications and the food industry. The Stokes-polarimetry method can provide a comparative analysis of different polarimetric techniques and prove the diagnostic potential of Stokes correlometry of pathological changes in the orientation-phase structure of biological tissues.Original papersOriginal papers are not included in the electronic version of the dissertation.Peyvasteh, M., Popov, A., Bykov, A., Pierangelo, A., Novikova, T., & Meglinski, I. (2020). Evolution of raw meat polarization‐based properties by means of Mueller matrix imaging. Journal of Biophotonics, 14(5). https://doi.org/10.1002/jbio.202000376Self-archived versionPeyvasteh, M., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2020). Meat freshness revealed by visible to near-infrared spectroscopy and principal component analysis. Journal of Physics Communications, 4(9), 095011. https://doi.org/10.1088/2399-6528/abb322Self-archived versionPeyvasteh, M., Dubolazov, A., Popov, A., Ushenko, A., Ushenko, Y., & Meglinski, I. (2020). Two-point Stokes vector diagnostic approach for characterization of optically anisotropic biological tissues. Journal of Physics D: Applied Physics, 53(39), 395401. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab9571Self-archived versionBorovkova, M., Peyvasteh, M., Dubolazov, O., Ushenko, Y., Ushenko, V., Bykov, A., Deby, S., Rehbinder, J., Novikova, T., & Meglinski, I. (2018). Complementary analysis of Mueller-matrix images of optically anisotropic highly scattering biological tissues. Journal of the European Optical Society-Rapid Publications, 14(1). https://doi.org/10.1186/s41476-018-0085-9Self-archived versionPeyvasteh, M., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. V. (2019). Assessment of pork freshness based on changes in constituting chromophores using visible to near-infrared spectroscopy. In E. M. Goldys & B. C. Gibson (Eds.), Biophotonics Australasia 2019. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2539969Self-archived versionPeyvasteh, M., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Assessment of meat freshness and spoilage detection utilizing visible to near-infrared spectroscopy. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Novel Biophotonics Techniques and Applications V. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2527194Self-archived versionTiivistelmäTässä opinnäytetyössä valon ja kudoksen vuorovaikutusta tutkittiin erilaisilla kokeellisilla ja analyyttisillä menetelmillä, jotta voitiin tunnistaa optisten ja polarisaatio-ominaisuuksien alkuvaiheita ja hyödyntää saatuja tuloksia biolääketieteellisissä ja elintarviketieteellisissä sovelluksissa. Tässä työssä pehmeäksi biologiseksi kudokseksi valittiin sianlihanäytteet niiden ja ihmiskudoksen samankaltaisuuden vuoksi. Ensiksi pehmeiden biologisten kudosten absorbanssin suhteellisia spektrimuutoksia tutkittiin soveltamalla kahta erilaista räätälöityä kokoonpanoa, jotka yhdistettiin. Monte Carlon mallintamista ja pääkomponenttianalyysimenetelmää (PCA) sovellettiin edelleen absorbanssiaineistoon, jota voitiin perusteellisesti tutkia spektroskooppisesti. Toiseksi Mueller-matriisin (MM) kuvantamispolarimetrian uudella sovelluksella pyrittiin visualisoimaan kudosten polarisaatio-ominaisuuksien dynamiikkaa ajan suhteen räätälöidyllä Mueller-matriisikuvauspolarimetrillä (MMIP). Taajuusjakauman histogrammit (FDH) ja MM-elementtien tilastolliset momenttimuutokset analysoitiin ajan suhteen, jotta saataisiin kvalitatiivista ja kvantitatiivista tietoa kudosten polarisaatio-ominaisuuksista. Lopuksi otettiin käyttöön uusi Stokesin polarimetrinen menetelmä, jotta voitiin tutkia optisesti ohuita histologisia leikkauksia anisotrooppisista biologisista kudoksista, joilla on erilainen morfologinen rakenne.Yhteenvetona voidaan todeta, että spektroskooppisesti ja kuvantamispolarimetrillä tutkittujen pehmeiden biologisten kudosten optisten ominaisuuksien huomattavat muutokset erotettiin selvästi ajan suhteen. Saadut tulokset ovat lupaavia, kun kehitetään uutta ainetta rikkomatonta työkalua biologisten kudosten seurantaan biolääketieteellisissä sovelluksissa ja elintarviketeollisuudessa. Stokesin polarimetrisella menetelmällä voidaan tuottaa vertaileva analyysi erilaisista polarimetrisistä tekniikoista ja todistaa Stokesin korrelometrian diagnostinen potentiaali biologisten kudosten orientaatiovaiheen rakenteessa.OsajulkaisutOsajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.Peyvasteh, M., Popov, A., Bykov, A., Pierangelo, A., Novikova, T., & Meglinski, I. (2020). Evolution of raw meat polarization‐based properties by means of Mueller matrix imaging. Journal of Biophotonics, 14(5). https://doi.org/10.1002/jbio.202000376Rinnakkaistallennettu versioPeyvasteh, M., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2020). Meat freshness revealed by visible to near-infrared spectroscopy and principal component analysis. Journal of Physics Communications, 4(9), 095011. https://doi.org/10.1088/2399-6528/abb322Rinnakkaistallennettu versioPeyvasteh, M., Dubolazov, A., Popov, A., Ushenko, A., Ushenko, Y., & Meglinski, I. (2020). Two-point Stokes vector diagnostic approach for characterization of optically anisotropic biological tissues. Journal of Physics D: Applied Physics, 53(39), 395401. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab9571Rinnakkaistallennettu versioBorovkova, M., Peyvasteh, M., Dubolazov, O., Ushenko, Y., Ushenko, V., Bykov, A., Deby, S., Rehbinder, J., Novikova, T., & Meglinski, I. (2018). Complementary analysis of Mueller-matrix images of optically anisotropic highly scattering biological tissues. Journal of the European Optical Society-Rapid Publications, 14(1). https://doi.org/10.1186/s41476-018-0085-9Rinnakkaistallennettu versioPeyvasteh, M., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. V. (2019). Assessment of pork freshness based on changes in constituting chromophores using visible to near-infrared spectroscopy. In E. M. Goldys & B. C. Gibson (Eds.), Biophotonics Australasia 2019. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2539969Rinnakkaistallennettu versioPeyvasteh, M., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Assessment of meat freshness and spoilage detection utilizing visible to near-infrared spectroscopy. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Novel Biophotonics Techniques and Applications V. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2527194Rinnakkaistallennettu versioAcademic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the Saalasti Hall, Linnanmaa, on 30 September 2021, at 12 noonAbstract
In this thesis, light-tissue interaction was investigated through different experimental and analytical methodologies to analyze optical and polarization properties over time and the obtained results were utilized in biomedical and food science applications. In this thesis, soft biological tissues (pork samples) were selected as a biological tissue due to their similarity to human tissue. First, the relative spectral changes of absorbance were studied by applying two different custom-built configurations. A Monte Carlo modelling and principal component analysis (PCA) method were applied further to the absorbance dataset to provide thorough studies for a spectroscopic approach. Second, a novel application of Mueller matrix (MM) imaging polarimetry was pioneered to visualize the dynamics of the tissue polarization properties over time with a custom-built Mueller matrix imaging polarimeter (MMIP). Frequency distribution histograms (FDHs) and the changes in the statistical moments of the MM elements were analyzed over time to provide qualitative and quantitative information of the tissue polarization properties. Finally, a new Stokes-polarimetry was introduced to examine optically thin histological sections from optically anisotropic biological tissues with different morphological structures.
In summary, in spectroscopic and imaging polarimetry approaches, prominent changes in optical properties of the examined soft biological tissues were discriminated over time. The obtained results are promising in the development of a novel non-destructive tool for monitoring biological tissues for application in biomedical applications and the food industry. The Stokes-polarimetry method can provide a comparative analysis of different polarimetric techniques and prove the diagnostic potential of Stokes correlometry of pathological changes in the orientation-phase structure of biological tissues.Tiivistelmä
Tässä opinnäytetyössä valon ja kudoksen vuorovaikutusta tutkittiin erilaisilla kokeellisilla ja analyyttisillä menetelmillä, jotta voitiin tunnistaa optisten ja polarisaatio-ominaisuuksien alkuvaiheita ja hyödyntää saatuja tuloksia biolääketieteellisissä ja elintarviketieteellisissä sovelluksissa. Tässä työssä pehmeäksi biologiseksi kudokseksi valittiin sianlihanäytteet niiden ja ihmiskudoksen samankaltaisuuden vuoksi. Ensiksi pehmeiden biologisten kudosten absorbanssin suhteellisia spektrimuutoksia tutkittiin soveltamalla kahta erilaista räätälöityä kokoonpanoa, jotka yhdistettiin. Monte Carlon mallintamista ja pääkomponenttianalyysimenetelmää (PCA) sovellettiin edelleen absorbanssiaineistoon, jota voitiin perusteellisesti tutkia spektroskooppisesti. Toiseksi Mueller-matriisin (MM) kuvantamispolarimetrian uudella sovelluksella pyrittiin visualisoimaan kudosten polarisaatio-ominaisuuksien dynamiikkaa ajan suhteen räätälöidyllä Mueller-matriisikuvauspolarimetrillä (MMIP). Taajuusjakauman histogrammit (FDH) ja MM-elementtien tilastolliset momenttimuutokset analysoitiin ajan suhteen, jotta saataisiin kvalitatiivista ja kvantitatiivista tietoa kudosten polarisaatio-ominaisuuksista. Lopuksi otettiin käyttöön uusi Stokesin polarimetrinen menetelmä, jotta voitiin tutkia optisesti ohuita histologisia leikkauksia anisotrooppisista biologisista kudoksista, joilla on erilainen morfologinen rakenne.
Yhteenvetona voidaan todeta, että spektroskooppisesti ja kuvantamispolarimetrillä tutkittujen pehmeiden biologisten kudosten optisten ominaisuuksien huomattavat muutokset erotettiin selvästi ajan suhteen. Saadut tulokset ovat lupaavia, kun kehitetään uutta ainetta rikkomatonta työkalua biologisten kudosten seurantaan biolääketieteellisissä sovelluksissa ja elintarviketeollisuudessa. Stokesin polarimetrisella menetelmällä voidaan tuottaa vertaileva analyysi erilaisista polarimetrisistä tekniikoista ja todistaa Stokesin korrelometrian diagnostinen potentiaali biologisten kudosten orientaatiovaiheen rakenteessa
Multilayered polyelectrolyte assemblies as delivery system for biomedical applications
Full text linkAbstractGene therapy is a rapidly developing medical field, which focuses on the utilization of therapeutic delivery of recombinant nucleic acids into a patient’s cells to treat or prevent a broad spectrum of diseases. However, several important obstacles remain before its wide introduction into clinical application can be implemented. One of the biggest bottlenecks is a lack of efficient and safe delivery technologies, particularly, for in vivo distribution. Additionally, standard requirements for carriers are still an open question (safety, minimal/absent toxicity and immunogenicity, sufficient packaging capacity, targeting, straight and low-cost large-scale Good Manufacturing Practice (GMP) production). Therefore, a growing variety of non-viral delivery platforms represent a promising alternative. Nanotechnology opens new possibilities for resolving biomedical issues. Polymer and hybrid micro- and core–shell nanoparticles are currently under development as a platform for safe and efficient gene delivery.The present thesis describes the development of new safety gene delivery system based on polymer nanoparticles. The results show that nucleic acids (DNA/RNA) can be successfully imbedded into the nanoparticle structures and delivered to various types of cells. For the characterization of the biocompatibility of nanoparticles in vitro, two optical methods were considered. Compatibility with red blood cells (important for intravenous delivery) was assessed using optical tweezers. Capsule biodistribution in vivo was studied with fluorescence spectroscopy and a radiolabeling technique. The data and experience gained from this research open new prospects in the fields of delivery systems areas, gene therapy, and diagnostics in vivo and new possibilities for future clinical applications.Original papersOriginal papers are not included in the electronic version of the dissertation.Tarakanchikova, Y., Stelmashchuk, O., Seryogina, E., Piavchenko, G., Zherebtsov, E., Dunaev, A., Popov, A., & Meglinski, I. (2018). Allocation of rhodamine-loaded nanocapsules from blood circulatory system to adjacent tissues assessed in vivo by fluorescence spectroscopy. Laser Physics Letters, 15(10), 105601. https://doi.org/10.1088/1612-202X/aad857Self-archived versionTarakanchikova, Y., Seryogina, E., Piavchenko, G., Dunaev, A., Popov, A., Meglinsky, I., Stelmashchuk, O., & Zherebtsov, E. (2018). Noninvasive control of rhodamine-loaded capsules distribution in vivo. In V. V. Tuchin, D. E. Postnov, E. A. Genina, & V. L. Derbov (Eds.), Saratov Fall Meeting 2017: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XIX (p. 179). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2315773Self-archived versionAvsievich, T., Tarakanchikova, Y., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., Skovorodkin, I., Vainio, S., & Meglinski, I. (2019). Impact of nanocapsules on red blood cells interplay jointly assessed by optical tweezers and microscopy. Micromachines, 11(1), 19. https://doi.org/10.3390/mi11010019Self-archived versionAvsievich, T., Tarakanchikova, Y. V., Popov, A., Karmenyan, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Combined use of optical tweezers and scanning electron microscopy to reveal influence of nanoparticles on red blood cells interactions. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Novel Biophotonics Techniques and Applications V (p. 14). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2526730Self-archived versionTarakanchikova, Y., Alzubi, J., Pennucci, V., Follo, M., Kochergin, B., Muslimov, A., Skovorodkin, I., Vainio, S., Antipina, M. N., Atkin, V., Popov, A., Meglinski, I., Cathomen, T., Cornu, T. I., Gorin, D. A., Sukhorukov, G. B., & Nazarenko, I. (2020). Biodegradable nanocarriers resembling extracellular vesicles deliver genetic material with the highest efficiency to various cell types. Small, 16(3), 1904880. https://doi.org/10.1002/smll.201904880Self-archived versionTarakanchikova, Y., Muslimov, A., Sergeev, I., Lepik, K., Yolshin, N., Goncharenko, A., Vasilyev, K., Eliseev, I., Bukatin, A., Sergeev, V., Pavlov, S., Popov, A., Meglinski, I., Afanasiev, B., Parakhonskiy, B., Sukhorukov, G., & Gorin, D. (2020). A highly efficient and safe gene delivery platform based on polyelectrolyte core–shell nanoparticles for hard-to-transfect clinically relevant cell types. Journal of Materials Chemistry B, 8(41), 9576–9588. https://doi.org/10.1039/D0TB01359ETiivistelmäGeeniterapia on nopeasti kehittyvä lääketieteellinen ala, joka keskittyy rekombinanttisten nukleiinihappojen terapeuttisen annon hyödyntämiseen potilaan soluihin laajan kirjon tautien hoitamiseksi tai ehkäisemiseksi. On kuitenkin olemassa useita tärkeitä esteitä, ennen kuin sen laajaa käyttöönottoa kliinisessä sovelluksessa voidaan toteuttaa. Yksi suurimmista pullonkauloista on tehokkaiden ja turvallisten jakelutekniikoiden puute etenkin in vivo -jakelussa. Myös kiistanalainen vakiovaatimukset operaattoreille ovat edelleen avoin ongelma (turvallisuus, vähäinen / puuttuva myrkyllisyys ja immunogeenisuus, riittävä pakkauskapasiteetti, kohdennus, suora ja edullinen laajamittainen GMP-tuotanto). Siksi kasvava valikoima ei-viraalisia jakelualustoja on lupaava vaihtoehto. Nanoteknologia avaa uuden mahdollisuuden ratkaista biolääketieteelliset kysymykset. Polymeerisiä ja hybridimikro- ja ydin-kuori-nanohiukkasia kehitetään parhaillaan turvallisen ja tehokkaan geeninsiirron alustana.Tässä opinnäytetyössä kuvataan polymeerisiin nanohiukkasiin perustuvan uuden turvallisuusgeenin kuljetusjärjestelmän kehittäminen. Tulokset osoittivat, että nukleiinihapot (DNA / RNA) voidaan upottaa onnistuneesti nanohiukkasten rakenteeseen ja toimittaa erityyppisiin soluihin. Nanohiukkasten biologisen yhteensopivuuden in vitro karakterisoimiseksi otettiin huomioon kaksi optista menetelmää. Yhteensopivuus punasolujen kanssa (tärkeä laskimoon annettaessa) arvioitiin optisilla pinseteillä. Kapselien biologinen jakautuminen in vivo mitattiin ja tutkittiin fluoresenssispektroskopialla ja radioleimaustekniikalla. Tästä tutkimuksesta saadut tiedot ja kokemukset avaavat uusia näkymiä jakelujärjestelmiin, geeniterapiaan ja diagnostiikkaan in vivo ja avaavat uusia mahdollisuuksia tulevassa kliinisessä sovelluksessa.OsajulkaisutOsajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.Tarakanchikova, Y., Stelmashchuk, O., Seryogina, E., Piavchenko, G., Zherebtsov, E., Dunaev, A., Popov, A., & Meglinski, I. (2018). Allocation of rhodamine-loaded nanocapsules from blood circulatory system to adjacent tissues assessed in vivo by fluorescence spectroscopy. Laser Physics Letters, 15(10), 105601. https://doi.org/10.1088/1612-202X/aad857Rinnakkaistallennettu versioTarakanchikova, Y., Seryogina, E., Piavchenko, G., Dunaev, A., Popov, A., Meglinsky, I., Stelmashchuk, O., & Zherebtsov, E. (2018). Noninvasive control of rhodamine-loaded capsules distribution in vivo. In V. V. Tuchin, D. E. Postnov, E. A. Genina, & V. L. Derbov (Eds.), Saratov Fall Meeting 2017: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XIX (p. 179). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2315773Rinnakkaistallennettu versioAvsievich, T., Tarakanchikova, Y., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., Skovorodkin, I., Vainio, S., & Meglinski, I. (2019). Impact of nanocapsules on red blood cells interplay jointly assessed by optical tweezers and microscopy. Micromachines, 11(1), 19. https://doi.org/10.3390/mi11010019Rinnakkaistallennettu versioAvsievich, T., Tarakanchikova, Y. V., Popov, A., Karmenyan, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Combined use of optical tweezers and scanning electron microscopy to reveal influence of nanoparticles on red blood cells interactions. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Novel Biophotonics Techniques and Applications V (p. 14). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2526730Rinnakkaistallennettu versioTarakanchikova, Y., Alzubi, J., Pennucci, V., Follo, M., Kochergin, B., Muslimov, A., Skovorodkin, I., Vainio, S., Antipina, M. N., Atkin, V., Popov, A., Meglinski, I., Cathomen, T., Cornu, T. I., Gorin, D. A., Sukhorukov, G. B., & Nazarenko, I. (2020). Biodegradable nanocarriers resembling extracellular vesicles deliver genetic material with the highest efficiency to various cell types. Small, 16(3), 1904880. https://doi.org/10.1002/smll.201904880Rinnakkaistallennettu versioTarakanchikova, Y., Muslimov, A., Sergeev, I., Lepik, K., Yolshin, N., Goncharenko, A., Vasilyev, K., Eliseev, I., Bukatin, A., Sergeev, V., Pavlov, S., Popov, A., Meglinski, I., Afanasiev, B., Parakhonskiy, B., Sukhorukov, G., & Gorin, D. (2020). A highly efficient and safe gene delivery platform based on polyelectrolyte core–shell nanoparticles for hard-to-transfect clinically relevant cell types. Journal of Materials Chemistry B, 8(41), 9576–9588. https://doi.org/10.1039/D0TB01359EAcademic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 3 November 2021, at 12 noonAbstract
Gene therapy is a rapidly developing medical field, which focuses on the utilization of therapeutic delivery of recombinant nucleic acids into a patient’s cells to treat or prevent a broad spectrum of diseases. However, several important obstacles remain before its wide introduction into clinical application can be implemented. One of the biggest bottlenecks is a lack of efficient and safe delivery technologies, particularly, for in vivo distribution. Additionally, standard requirements for carriers are still an open question (safety, minimal/absent toxicity and immunogenicity, sufficient packaging capacity, targeting, straight and low-cost large-scale Good Manufacturing Practice (GMP) production). Therefore, a growing variety of non-viral delivery platforms represent a promising alternative. Nanotechnology opens new possibilities for resolving biomedical issues. Polymer and hybrid micro- and core–shell nanoparticles are currently under development as a platform for safe and efficient gene delivery.
The present thesis describes the development of new safety gene delivery system based on polymer nanoparticles. The results show that nucleic acids (DNA/RNA) can be successfully imbedded into the nanoparticle structures and delivered to various types of cells. For the characterization of the biocompatibility of nanoparticles in vitro, two optical methods were considered. Compatibility with red blood cells (important for intravenous delivery) was assessed using optical tweezers. Capsule biodistribution in vivo was studied with fluorescence spectroscopy and a radiolabeling technique. The data and experience gained from this research open new prospects in the fields of delivery systems areas, gene therapy, and diagnostics in vivo and new possibilities for future clinical applications.Tiivistelmä
Geeniterapia on nopeasti kehittyvä lääketieteellinen ala, joka keskittyy rekombinanttisten nukleiinihappojen terapeuttisen annon hyödyntämiseen potilaan soluihin laajan kirjon tautien hoitamiseksi tai ehkäisemiseksi. On kuitenkin olemassa useita tärkeitä esteitä, ennen kuin sen laajaa käyttöönottoa kliinisessä sovelluksessa voidaan toteuttaa. Yksi suurimmista pullonkauloista on tehokkaiden ja turvallisten jakelutekniikoiden puute etenkin in vivo -jakelussa. Myös kiistanalainen vakiovaatimukset operaattoreille ovat edelleen avoin ongelma (turvallisuus, vähäinen / puuttuva myrkyllisyys ja immunogeenisuus, riittävä pakkauskapasiteetti, kohdennus, suora ja edullinen laajamittainen GMP-tuotanto). Siksi kasvava valikoima ei-viraalisia jakelualustoja on lupaava vaihtoehto. Nanoteknologia avaa uuden mahdollisuuden ratkaista biolääketieteelliset kysymykset. Polymeerisiä ja hybridimikro- ja ydin-kuori-nanohiukkasia kehitetään parhaillaan turvallisen ja tehokkaan geeninsiirron alustana.
Tässä opinnäytetyössä kuvataan polymeerisiin nanohiukkasiin perustuvan uuden turvallisuusgeenin kuljetusjärjestelmän kehittäminen. Tulokset osoittivat, että nukleiinihapot (DNA / RNA) voidaan upottaa onnistuneesti nanohiukkasten rakenteeseen ja toimittaa erityyppisiin soluihin. Nanohiukkasten biologisen yhteensopivuuden in vitro karakterisoimiseksi otettiin huomioon kaksi optista menetelmää. Yhteensopivuus punasolujen kanssa (tärkeä laskimoon annettaessa) arvioitiin optisilla pinseteillä. Kapselien biologinen jakautuminen in vivo mitattiin ja tutkittiin fluoresenssispektroskopialla ja radioleimaustekniikalla. Tästä tutkimuksesta saadut tiedot ja kokemukset avaavat uusia näkymiä jakelujärjestelmiin, geeniterapiaan ja diagnostiikkaan in vivo ja avaavat uusia mahdollisuuksia tulevassa kliinisessä sovelluksessa
New approach in multipurpose optical diagnostics: fluorescence based assay for simultaneous determination of physicochemical parameters
Full text linkThe development of sensors assays for comprehensive characterisation of biological
samples and effective minimal-invasive diagnostics is highly prioritised. Last decade
this research area has been actively developing due to possibility of simultaneous, real-
time, in vivo detection and monitoring of diverse physicochemical parameters and
analytes.
The new approach which has been introduced in this thesis was to develop and examine
an optical diagnostic assay consisting of a mixture of environmental-sensitive
fluorescent dyes. The operating principle of the system has been inspired by electronic
nose and tongue devices which combine nonspecific (or semispecific) sensing elements
and chemometric techniques for multivariate data analysis. The performance of the
optical assay was based on the analysis of the spectrum of selected dyes with discreet
reading of their emission maxima. The variations in peaks intensities caused by
environmental changes provided distinctive fluorescence patterns, which could be
handled similar to the signals collected from nose/tongue devices.
The analytical capability of the assay was engendered by changes in fluorescence signal
of the dye mixture in response to changes in pH, temperature, ionic strength and the
presence of oxygen. Further findings have also proved the ability of optical assay to
estimate development phases and to discriminate between different strains of growing
cell cultures as well as identify various gastrointestinal diseases in human.
This novel fluorescence-based diagnostic tool offers a promising alternative to
electrochemical systems providing high sensitive measurements with broad dynamic
range, easy, inexpensive measurements and the possibility of remote sensing and
extreme assay miniaturisation. Additionally it does not require reference signal.
This new approach can impact on a number of applications such as routine minimal-
invasive diagnostics for medical samples, biomedical analysis, pharmaceutical or
cosmetic research, quality control and process monitoring of food or environmental
samples
Optical assay for biotechnology and clinical diagnosis
Full text linkIn this paper, we present an optical diagnostic assay consisting of a mixture of environmental-sensitive fluorescent dyes combined with multivariate data analysis for quantitative and qualitative examination of biological and clinical samples. The performance of the assay is based on the analysis of spectrum of the selected fluorescent dyes with the operational principle similar to electronic nose and electronic tongue systems. This approach has been successfully applied for monitoring of growing cell cultures and identification of gastrointestinal diseases in humans.IEEE Transactions on Biomedical Engineerin
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
- …
