Разработка новых биоматериалов и бионанотехнологий для диагностики и терапии социально значимых заболеваний

Целью является создание новых биоматериалов и бионанотехнологий, основанных на получении фундаментальных знаний о структурах, функциях и процессах протекающих в биологических объектов на микро- и нано-размерном уровне. К настоящему времени нами разработаны инструменты и методы, позволяющие реконструировать пространственную структуру объектов (например, биологических) на микро- и наноразмерном уровне. Это открывает возможности развития новых подходов, связанных, в частности, с решениями задач наномедицины. Наличие таких инструментов позволяет направленно развивать исследования в области создания новых диагностических и терапевтических микро- и наноразмерных структур, например, наночастиц, микро(нано)капсул, нанокомпозитов, скаффолдов, иммунных комплексов на основе наночастиц, изучать механизмы трафика микровезикул и пр. Планируемые исследования содержат как фундаментальную, так и прикладную составляющие. Использование уникальных микроскопических и микроспектроскопических методов позволят получить новые знания о процессах проникновения, транспорта и накопления биологически активных агентов в тканях и клетках. Знание этих процессов позволит направленно конструировать и создавать новые биоматериалы, диагностические и терапевтические инструменты медицинского назначения. В рамках настоящей темы запланировано решение широкого спектра задач, связанны с использованием уникальных инструментальных возможностей коллектива, в области разработки новых биоматериалов и бионанотехнологий. - Получение нанокомплексов на основе наночастиц с антистоксовой флуоресценцией и полимеров для фотодинамической терапии, разработка иммунных нанокомплексов на основе наночастиц для повышения уровня имунного ответа на антигены различной химической природы, изучение структуры углеродных квантовых точек, формируемых из гуминовых веществ из различных природных источников, получение полиэлектролитных микрокапсулдля доставки лекарств в опухолевые клетки и матриксов для тканевой инженерии. - Получение нанокомпозитных скаффолдов на основе биосовместимых полимеров для регенеративной медицины в процессе фотоиндуцируемых реакций под действием света из красного и ближнего инфракрасного диапазона. Создание новых тераностических систем на основе модифицированного полимерами оксида кремния. Разработка методов получения биомиметических материалов для регенеративной и других областей медицины на основе природных биополимеров и их композиций. - Разработка экспресс-метода определения состава полианилинсодержащих сополимеров по структуре спектров поглощения их растворов на основе выявления математической зависимости переменных характеристик «изобестической области» спектра от состава. Разработка алгоритма сопоставления состава нанопокрытий на основе указанных сополимеров с их хроматографическими свойствами в отношении биополимеров и электрофизическими свойствами при обратимой сорбции БАС. - Развитие аппаратного комплекса Оптико-Зондовой Нанотомографии (ОЗНТ) – авторской методики корреляционной микроскопии, объединяющей в себе СЗМ, оптическую микроспектроскопию (ОМ) и ультрамикротомию (УМТ) в качестве метода 3D-реконструкции в целях улучшения характеристик комплекса: результатом применения инструмента будет являться 3D-ультраструктурная (пространственное разрешения не хуже 20нм) информация о морфологии высокоспецифичным образом помеченных тканей на различны стадиях дегенеративных процессов. - Изучение механизмов траффика клеточных микровезикул (МВ) от клетки-донора к клетке-адресату с использованием современных физико-химических методов и комплексного анализа ультраструктуры гликокаликса. Выявление молекулярных механизмов транспорта бактериальных токсинов через ткани образующие барьеры, в нашем случае через эпителий молочной железы. - Изучение иммуногенных и защитных свойств менингококковой IgA1-протеазы и ее рекомбинантных аналогов в отношении менингококковой и пневмококковой инфекций для создания перспективных препаратов -компонентов поливалентных вакцин. Цели на 2024 - Получение методом окислительной гомо- и сополимеризации и характеристика сополимеров анилина с замещенными анилинами с функциональными группами разных типов в различных положениях (в различных мольных соотношениях), а также соответствующих гомополимеров с целью исследования оптических характеристик их растворов, а также хроматографических и электрофизических свойств нанопокрытий на их основе. -Анализ спектров оптического поглощения растворов синтезированных сополимеров в подходящих растворителях с целью изучения влияния состава сополимеров и природы функциональных групп на оптические свойства, в частности, на характеристики «изобестических областей». Выявление и математическое описание однозначного соответствия эле- Изучить закономерности гелеобразования водно-органических растворов и композиций на основе биополимеров, с целью разработки способов получения биомиметических материалов ментов структуры спектров поглощения растворов полученных сополимеров их составу. -Получение антибактериальных агентов на основе апконвертирующих наночастиц (АНЧ) с использованием биосовместимых полимеров (поливинилкапролактам, полиэтиленгликоль и др.), красителей, плазмонных наночастиц, генерирующих АФК -Формирование скаффолдов на основе ПЭГ в процессе реакции фотоиндуцированной сшивки под действием ИК-излучения с использованием инициаторов 1-ого типа, активируемых АНЧ. -Создание композиции силиконовых адгезивов, чувствительных к давлению, и обладающих высокой адгезией и когезией к коже и материалу лицевого протеза - Изучение закономерностей гелеобразования водно-спиртовых растворов и композиций на основе альгината натрия, гиалуроновой кислоты или их производных с целью получения материалов со сложной топографией поверхности -Исследование защитных и протективных свойств рекомбинантных аналогов IgA1-протеазы в отношении N. meningitidis или S. pneumoniae - Получение биодеградируемых полиэлектролитных микрокапсул, загруженных противораковым препаратом (например доксорубицином), для таргетной доставки в опухолевые клетки. - Исследование физико-химических свойств микрокапсул (размер, дзета-потенциал и т.д) и способности накопления микрокапсул в различных опухолевых клетках (конфокальная микроскопия). - Разаботать методологию для исследования процесса образования МВ в мембране клетки-донора и установить кинетику и локализацию этого процесса - Разработка метода конъюгации флуоресцентных нанокристаллов с антителами или их фрагментами на астроцитарный белок GFAP. Разработка процедуры окраски образцов здорового мозга мышей конъюгатов и сравнение со стандартными протоколами окрашивания белка GFAP. Построение 3D-ультраструктурных изображений отдельных астроцитов по белку GFAP. 2025 -Разработка технологичного способа получения полимерных покрытий на поверхности стеклянных пластин для полученных сополимеров (с использованием вымораживания, распыления и кастинга в качестве альтернативы способу получения полимерных пленок методом Ленгмюра-Шеффера. -Определение условий нековалентной иммобилизации молекул биополимеров (белков, различающихся молекулярной массой и значениями изоэлектрической точки, а также двухнитевой ДНК и РНК) на поверхности исследуемых покрытий. -Отработка оптимальных условий для экспресс-визуализации удерживания белков с использованием их конъюгатов с полупроводниковыми нанокристаллами (демонстрирующими эмиссию при различных длинах волн) в зависимости от состава сополимера. - Получение гибридных комплексов апконвертирующих наночастиц (АНЧ), содержащих ИК-красители, с настраиваемыми флуоресцентными свойствами для визуализации глубоких слоев биоткани - Оптимизация состава композиций силиконовых адгезивов по реологическим свойствам и липкости к коже и материалу лицевого протеза - Изучение цитотоксичности в различных моделях с использованием различных культур клеток. .Разработка полимерных матриксов для тканевой инженерии - Проведение исследований на внедрения специализированных методов распознавания единичных биологических ультраструктур меченых КФМ за счет применения специальных программных сред – использование искусственного интеллекта; Будут выполнены исследования, направленные на создание наиболее миниатюрных и обладающих наибольше проникающей способностью меток (флуоресцентных/контрастирующих. - Разработка модель мастита с использованием в качестве животных мышей. Оценка влияние отдельных энтеротоксинов и эндотоксина на иммунный статус животного, включая изменение морфологии ткани, наличие в очаге воспаления клеток иммунной системы, наличие пероксдазной активности в ткани, изменение клеток иммунной системы крови животных и некоторых интерлейкинов в лимфатических узлах очага воспаления - Получение данные об ультраструктуре микровезикул (МВ) методом оптико-зондовой нанотомографии. Получить срезы клеток EA.hy 926 и Raji после инкубации с МВ в течение разных промежутков времени и провести реконструкцию трехмерного изображения клетки с микровезикулами, которая позволит установить локализацию МВ в гликокаликсе клетки. 2026 -Выявление и исследование основных факторов, определяющих электропроводимость покрытий на основе полисопряженных анилинсодержащих сополимеров для пластин, используемых в качестве компонентов модельных мемристорных устройств. Оценка влияния состава использованных сополимеров, а также природы дополнительно физически иммобилизованных биополимеров и их концентрации на электронную и ионную проводимость полученных устройств. - Создание модельного мемристорного устройства для определения минорных концентраций белков пепсиновой группы в моче. - Создание скаффолдов на основе биосовместимых полимеров (желатина, гиалуронвой кислоты, хитозана и др) для регенеративной медицины в процессе фотоиндуцируемых реакций под действием света из красного диапазона, проводимых in situ - Оптимизация состава композиций силиконовых адгезивов по цитотоксическим, микробиологическим, токсическим, иммунологическим свойствам. - Изучение цитотоксичности в различных моделях с использованием различных культур клеток. .Разработка полимерных матриксов для тканевой инженерии. Тестирование матриксов с использованием различных клеточных линий, а также изучение дифференцироваки на матриксах стволовых клеток. - Провести комплексный морфофункциональный анализ ультраструктуры гликокаликса с использованием коррелятивного объединения различных инструментальных методов, дающих информацию как о трехмерной морфологии гликокаликса, так и о распределении в нем МВ - Разработка методов создания широкого класса контрастирующих/флуоресцентных меток для многоцелевого мечения различных образцов биологических тканей. - Разработка методов иммобилизации энтеротоксинов на наночастицах – квантовых точках. Провести оценку влияния наночастиц на жизнеспособность клеток. - Оптимизация метода получения углеродных квантовых точек из природных гуминовых веществ с набором физико-химических характеристик, необходимых для сертификации полученных препаратов. - Исследование возможности 3D-реконструкции траффика микровизикул МВ из клетки в клетку через гликокаликс; если эта реконструкция будет недостаточно убедительной, провести дополнительные эксперименты в течение настоящего этапа Новые возможности, получения знаний о 3-D распределениях различных параметров объекта с нанометровым пространственным разрешением, включая данные о составе, структуре и функциях локальных областей объекта, способны обеспечить более глубокое понимание процессов, протекающих на наноразмерном уровне. Это позволяет ставить и решать новые актуальные задачи, в частности, биомедицинского характера. Среди наиболее актуальных и активно развивающихся областей медицины является создание новых эффективных методов и подходов для диагностики и терапии злокачественных новообразований. Другим важнейшим направлением является создание новых эффективных методов и подходов для антибактериальной фотодинамической терапии, что свзано с решением проблемы антибиотикорезистентности. Нанокомплексы на основе апконвертерный нанофосфор (НАФ)/полимер, возбуждаемые светом из ближнего ИК-диапазона, с продолжительным временем циркуляции в кровеносной системе являются перспективными реагентами для решения задач тераностики. Столь же перспективно и актуально развитие методов использования флуоресцентных нанокристаллов (квантовых точек) нетрадиционной формы (нанопластинки) с высокой эффективностью 2-х фотонного возбуждения в ИК диапазоне. Разработка новых методов получения биодеградируемых биосовместитым носителей является одним из наиболее активно развивающихся направлений медицинского материаловедения. Создание структурно и/или функционально гетерогенных гидрогелей, способных максимально полно имитировать архитектуру природных органов и тканей, является актуальной задачей для регенеративной и других областей медицины. Значительный практический интерес представляет создание новых биоматериалов для регенеративной медицины, скаффолдов, представляющие собой имплантируемые устройства с возможностью одновременного мониторинга и визуализации имплантата в толще тканей на глубине до 3 см. В настоящее время активно исследуются альтернативы полной или частичной трансплантации органов. В качестве перспективного подхода выступает тканевая инженерия (ТИ) – междисциплинарная область медицинской биотехнологии, целью которой является восстановление de novo поврежденных или утраченных тканей и целых органов с помощью новых биоматериалов и клеточных технологий. Новая функциональная ткань создается с использованием живых клеток, которые обычно так или иначе связаны с матриксом (скаффолдом или каркасом), поддерживающим прикрепление, пролиферацию и дифференцировку клеток и направляющим развитие ткани. Матрикс должен максимально имитировать свойства естественного внеклеточного матрикса (ЕВМ), обладать биосовместимостью и нецитотоксичностью, а также биоразлагаться по мере замещения его вновь формируемой тканью. Создание новых биоматериалов и скаффолдов на их основе является актуальной задачей регенеративной медицины. Разработка новых эффективных носителей для направленной доставки противораковых лекарств в опухолевые клетки является одной из приоритетных задач современной биомедицины. Первопричиной широкого класса заболеваний являются различные формы дегенеративных нарушений в биологических тканях. В качестве наиболее ярких представителей такого класса заболевания можно выделить следующие два типа. Дегенеративные изменения хрящей, протекающие в структурах тканей, и приводящие к разволокнению, истончению и растрескиванию с последующим развитием эрозий, что, в конечном итоги становится причиной артрозов - группе различных по этиологии, но схожих по клинической картине хронических заболеваний. Вторым представителем является нарушение нейрон-астроцитарных взаимодействий, лежащих в основе работы головного мозга, что приводит к развитию нейродегенеративных заболеваний, следствием которых является снижение когнитивных функций, потеря памяти, психические расстройства. Ранняя диагностика такого рода заболеваний могла бы как предотвратить, так и существенно облегчить их течение. Так контролируемое прицельное воздействие на астроциты могло бы предотвратить потерю функций в результате нейродегенерации. Например, тонкие астроцитарные отростки служат механизмом, регулирующим эффективность захвата глутамата астроцитами через транспортеры глутамата GLT-1. При болезни Альцгеймера, происходит снижение эффективности захвата глутамата астроцитами, что может быть обусловлено ингибированием экспрессии GLT-1, а на уровне ультраструктуры, вероятно, локальным перераспределением транспортеров глутамата в тонких отростках, т.к. астроцитарные отростки способны к пространственной реорганизации и динамическому реагированию на изменения в окружающей среде. Очевидно, что наличие аппаратно-методических средств позволяющих распознавать признаки такого рода ультраструктурнх изменений могли бы существенно улучшить медицинские методы лечения вызванных ими заболеваний. Мастит – широко распространенное у людей и животных заболевание, в случае людей способное влиять на микробиому кишечника новорожденных и детей которых кормят грудным молоком. Изменение микробиты в начальном этапе развития влияет на здоровье и развитие заболеваний в зрелом возрасте и у пожилых людей. В случае животных мастит является патологией приносящий огромный экономический ущерб в странах с развитым животноводством и значительными экономическими потерями на территории РФ. Знание молекулярных механизмов транспорта бактериальных токсинов через ткани кроме фундаментального значения позволит разрабатывать методы профилактики и терапии этого заболевания. В настоящее время остается нерешенным вопрос создания монокомпонентной поливакцины для профилактики менингококкового менингита различной этиологии. Предполагалось, что IgA1-протеазы, являясь важнейшим фактором вирулентности бактерий, могут быть использованы как средство защиты от этих патогенов. В медицинской практике в качестве адгезионных композиций, контактирующих с кожей, активно используются адгезивы, чувствительные к давлению. На их основе получают медицинские пластыри, повязки для ран, трансдермальные пластыри и другие продукты. Термин «адгезивы, чувствительные к давлению» обозначает материал, представляющий собой особый класс полимеров, которые образуют прочные клеевые соединения с подложками различной химической природы под действием слабого внешнего давления (10–10 Па) в течение коротких промежутков времени (1–5 с). Такие полимеры должны обладать высокой молекулярной массой, подвижностью и текучестью при склеивании для формирования хорошего адгезионного контакта в сочетании с высокой межмолекулярной когезионной прочностью и эластичностью. Это требование необходимо для сопротивления напряжению отрыва и для рассеяния механической энергии разрушения адгезионной связи под действием силы отрыва. Суммируя, можно выделить два важных свойства чувствительных к давлению адгезивов: адгезия (то есть прочность прилипания к поверхности или сопротивление отслаиванию) и когезия (то есть устойчивость к сдвигу). Адгезия и когезия особенно важны, когда адгезив должен использоваться на поверхности с низкой энергией, такой как кожа. Широкое применение в качестве адгезивов, удовлетворяющих этим нашли силиконовые композиции, чувствительные к давлению, которые представляют собой вязкоупругие соединения из смеси полисилоксанов, основанные на концепции «смола в полимере». Актуальность и социальная значимость применения материалов, содержащих диоксид кремния, связана с нерешенной проблемой профилактики системных заболеваний, ассоциированных со старением (полиартрит, артроз суставов, остеопороз), в патогенезе которых с большой вероятностью принимает участие дисбаланс кальция/кремния, а также процессы свободно-радикального окисления, снижающих регенеративную способность соединительной ткани. Одной из ключевых задач проекта является создание и внедрение в широкомасштабные биомедицинские исследования широкого класса контрастирующе-флуоресцирующих меток (КФМ) на основе флуоресцентных полупроводниковых нанокристаллов (НК). Так же будут разработаны методики работы с такими метками с использованием корреляционной микроскопии типа ОЗНТ. Будут проведены работы, направленные на разработку методов поверхностной модификации НК направленных на их высокопроизводительную коньюгацию с рядом антител, их фрагментов и/или соответствующих белковых конструктов. Будут проведены работы, направленные на разработку соответствующих методик окрашивания/контрастирования биологических образцов – тканей мозга и/или хрящевых тканей. Будут проведены работы, направленные на адаптацию процедуры ОЗНТ под работу с новым типом КФМ. В плане изучения механизмов траффика клеточных микровезикул (МВ) от клетки-донора к клетке-адресату планируется разработка методологии исследования процесса прохождения МВ сквозь гликокаликс клетки-донора и клетки-адресата с использованием конфокальной сканирующей флуоресцентной микроспектроскопии, реализуемой на конфокальном флуоресцентном спектрометре Renishaw Raman InVia Qontor microscope Предполагается впервые разработать экспресс-метод определения состава полианилинсодержащих сополимеров по структуре спектров поглощения их растворов на основе выявления математической зависимости переменных характеристик «изобестической области» спектра от состава. Указанный экспресс-метод будет использован в разработке алгоритма сопоставления состава нанопокрытий на основе указанных сополимеров с их хроматографическими свойствами в отношении биополимеров и электрофизическими свойствами при обратимой сорбции БАС. С целью подтверждения практической значимости результатов исследования, полученные данные предполагается использовать для разработки эффективного модельного мемристорного устройства для определения минорных концентраций белков пепсиновой группы в моче. Будут получены нанокомплексы на основе НАФ и полимеров для антибактериальной фотодинамической терапии, генерирующие АФК. Будут получены скаффолды в процессе фотоиндуцируемой сшивки из природных и синтетических полимеров под действием света из красного и ближнего ИК-диапазона спектра методом формования в молдах и при введении в организм животного. Будут разработаны новые матриксы (скаффолды) для тканевой инженерии На 2024 год планируется проведение исследований возможности коньюгации флуоресцентных НК с одной волны фллуоресценции (530нм) с антителами или их фрагментами, наработанных на астроцитарный белок GFAP. Будут проводиться разработка процедуры окраски образцов здорового мозга мышей с целью сопоставления методов окрашивания с использованием КФМ и стандартных протоколов окрашивания белка GFAP органическими. Кроме того, одной из важнейших задач будет адаптация методов ОЗНТ для работы с КФМ. Будут выполняться работы, нацеленные на построение 3D-ультраструктурного изображения отдельных астроцитов с по белку GFAP с использованием КФМ. -Будет разработана методология исследования процесса образования МВ в мембране клетки-донора и установить кинетику и локализацию этого процесса -Будет синтезирована серия сополимеров анилина с замещенными анилинами с различными функциональными группами, а также соответствующие гомополимеры. Выделенные и охарактеризованные полимеры предназначены для спектрофотометрического исследования свойств в подобранных растворителях, а также хроматографических и электрофизических свойств нанопокрытий на их основе. Будут накоплены результаты исследования влияния состава сополимеров и природы функциональных групп на структуру спектров их растворов, в частности, на характеристики «изобестических областей». Предполагается дать математическое описание соответствия элементов структуры спектров поглощения растворов полученных сополимеров их составу. Планируется публикация наиболее значимых результатов в статье в журнале с Q1 или Q2, а также тезисов на ведущей международной научной конференции -Будут получены биосовместимые, коллоидно-стабильные апконвертирующие наночастицы (АНЧ), содержащие добавки в виде красителей и наночастиц серебра, которые генерируют АФК, вызывающие гибель бактерий. -Будут получены скаффолды из ПЭГ и апконвертерных наночастиц (АНЧ) под действием ИК-света с использованием радикальных инициаторов, растворимых и нерастворимых в воде. -Будет разработана рецептура адгезива на основе силоксансодержащей композиции «смола/полимер» в присутствии платина-содержащего полисилоксанового катализатора.. -Будут получены изделия, в том числе скаффолды, пригодные для решения ряда задач тканевой инженерии, имитирующие градиентную анизотропную архитектуру природных органов и тканей (например, мениска, костной ткани и др.). -Будут получены биодеградируемые гидрогели, содержащие частицы диоксида кремния, на основе альгината натрия. Аанализ динамики высвобождения ортокремниевой кислоты. -Будут исследованы образцы сывороток людей и лабораторных животных, инфицированных N. meningitidis или S. pneumoniae, и определено наличие в них антител к IgA1 протеазе и другим созданным нами рекомбинантным протективным антигенам. Будут разработаны наноносители для доставки противораковых препаратов в опухолевые клетки, в том числе для таргетной доставки. На 2025 год планируется: Проведение исследований на внедрения специализированных методов распознавания единичных биологических ультраструктур меченых КФМ за счет применения специальных программных сред – использование искусственного интеллекта; Будут проводится работы, направленные на создание наиболее миниатюрных и обладающих наибольше проникающей способностью, КФМ на базе фрагментов антител и белковых конструктов. Будут проводиться работы, нацеленные на создание КФМ для хрящевых тканей. Разработка методологии исследования процесса внутриклеточного транспорта МВ и определения участки мембраны, через которые МВ проникают внутрь клетки. Получение гемостатические изделий с памятью формы для несжимаемых ран, пригодные, прежде всего, для использования в тактической медицине. Создание новых полимерных материалов и различных матриксов на их основе (гидрогели, нона-и микроволокна). На 2026 год планируется Проведение исследований, нацеленных на создания широкого класса КФМ для многоцелевого мечения различных образцов биологических тканей. Проведение комплексного морфофункционального анализа ультраструктуры гликокаликса с использованием коррелятивного объединения различных инструментальных методов, дающих информацию как о трехмерной морфологии гликокаликса, так и о распределении в нем МВ Создание модельных мемристорных для сенсорики белков. Получение скаффолдов на основе композиций биополимеров, получение новых полисахаридных материалов. Изучение физико-химических свойств новых полимерных материалов и различных матриксов на их основе, а также их цитотоксичности и способности поддерживать рост и пролиферацию/дифференцировку различных типов клеток, в том числе стволовых.