Наноматериалы на основе плазмонных металлических и гибридных наночастиц для биомедицинских применений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-14-00016

НазваниеНаноматериалы на основе плазмонных металлических и гибридных наночастиц для биомедицинских применений

Руководитель Хлебцов Николай Григорьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Саратовский научный центр Российской академии наук" , Саратовская обл

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова золотые наночастицы, гибридные композитные наночастицы, иммуноанализ, биоимиджинг, гигантское комбинационное рассеяние, фототермальная и фотодинамическая терапия

Код ГРНТИ34.57.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение актуальной задачи нанобиотехнологии – получение новых типов плазмонно-резонансных и гибридных наночастиц с контролируемыми свойствами для биомедицинских применений, прежде всего в биоимиджинге и иммуноанализе. Целью проекта является синтез новых типов меток гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) с рамановскими молекулами (RM), встроенными между ядром и оболочкой плазмонных гибридных наночастиц. В качестве золотых ядер будут использованы золотые наносферы и наностержни, в качестве репортерных молекул будут использованы моно- и дитиольные производные различных RM с высокими сечениями комбинационного рассеяния. Актуальность проекта обусловлена широким применением меток ГКР для сверхчувствительного детектирования биомолекул (в том числе – онкомаркеров) в биологических жидкостях и клетках, с пределом обнаружения от 1 до 10 фг/мл, который не достижим в стандартном иммуноферментном анализе (ИФА). Повышение яркости меток является ключевым фактором для проведения ГКР диагностики тканей в реальном времени, непосредственно во время операций. Однако принципиальными недостатками обычных ГКР меток в виде плазмонных наночастиц с адсорбированными репортерными молекулами является малое усиление, низкая фотостабильность и зависимость сигнала от внешних условий или агрегации меток из-за поверхностной локализации репортеров. Все эти недостатки могут быть преодолены за счет встраивания RM между ядром и оболочкой гибридных частиц Au(core)@RM@Au(shell) или Au(core)@RM@Ag(shell). Сферически симметричная структура типа Au@RM@Au была впервые предложена в работе (Lim et al., Nature, 2011) и инициировала появление возрастающего количества публикаций. Недавно мы показали (Khlebtsov et al. JQSRT, 2017), что средняя интенсивность поля в субнанометровом зазоре между золотым ядром и оболочкой может на два порядка превышать интенсивность внешнего локального поля, в котором находятся репортеры обычных меток. Этим объясняется высокая эффективность гибридных частиц нового типа. Научная новизна предлагаемого проекта основана на наших экспериментах, впервые показавших преимущества гибридных наноструктур с анизотропным ядром (Khlebtsov et al., Nano Res. 2016), которые при рациональном дизайне могут использоваться для приложений в тераностике как метки ГКР и как оптимальные наноконверторы света в тепло (биоимиджинг и фототермальная терапия; Jin, Khlebtsov et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017). Кроме того, мы впервые показали недавно принципиальную возможность использования меток нового типа для мультиплексного ГКР-иммуноанализа (Khlebtsov et al., RCS Advances, 2017). Однако до сих пор остается необъясненным механизм усиления сигнала в гибридных структурах Au(core)@RM@Ag(shell) с полностью сформированной закрытой серебряной оболочкой. В отличие от симметричных структур типа Au(core)@RM@Au(shell), ни обычная электронная микроскопия, ни микроскопия высокого разрешения не выявляют четкого нанометрового зазора на границе металлов, что ставит под сомнение электромагнитный механизм усиления сигнала от RM, находящихся в полости. С другой стороны, наши эксперименты и недавние эксперименты китайских авторов (Wang et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016) доказали локализацию RM внутри структуры, а не на поверхности. Таким образом, данный проект направлен на решение новых задач, принципиально расширяющих результаты предварительных исследований, включая две основные задачи: (1) разработка методик иммуноанализа с использованием сэндвич-технологии и ГКР меток нового типа; (2) разработка технологий синтеза ГКР-меток нового типа с интенсивностью сигнала, позволяющей регистрировать спектры ГКР от отдельных частиц в модельных раковых клетках и в глубоких слоях биоткани. Решение этих задач будет основано не только на развитии полученных ранее данных, но и на поисковых исследованиях, включающих: (а) разработку модифицированного варианта ИФА анализа с использованием конъюгатов золотых наночастиц с пероксидазой хрена и сравнение с эффективностью стандартного ИФА и ГКР иммуноанализа; (б) экспериментальное исследование полидопамина в качестве спэйсера гибридных наноструктур; (в) синтез анизотропных нанопогремушек методом гальванического замещения из золотосеребряных наностержней; (г) экспериментальные и теоретические исследования по объяснению механизма усиления в гибридных структурах Au(core)@RM@Ag(shell).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Хлебцов Б.Н., Браташов Д.Н., Бызова Н.А., Дзантиев Б.Б., Хлебцов Н.Г. SERS-based lateral flow immunoassay of troponin I using gap-enhanced Raman tags Nano Research (год публикации - 2018)
10.1007/s12274-018-2232-4

2. Хлебцов Б.Н., Браташов Д.Н., Хлебцов Н.Г. Tip-Functionalized Au@Ag Nanorods as Ultrabright Surface-Enhanced Raman Scattering Probes for Bioimaging in Off-Resonance Mode J. Phys Chem. C, V. 122 (31), pp. 17983-17993 (год публикации - 2018)
10.1021/acs.jpcc.8b04772

3. Дыкман Л.А., Волох О.А., Кузнецова Е.М., Никифоров А.К. Иммуногенность конъюгатов протективных антигенных комплексов туляремийного микроба с наночастицами золота Российские нанотехнологии, Том 13. № 7-8 c.1-8 (год публикации - 2018)

4. Дыкман Л.А., Староверов С.А., Фомин А.С. Effect of M2e peptide–gold nanoparticle conjugates on development of anti-influenza antibodies Gold Bulletein, V. 51. P. 197–203 (год публикации - 2018)
10.1007/s13404-018-0239-y

5. Хлебцов Б.Н., Буров А.М., Хлебцов Н.Г. Polydopamine coating decreases longitudinal plasmon of Au nanorods: Experiment and simulations APPLIED MATERIALS TODAY, V. 15, P. 67-76 (год публикации - 2019)
10.1016/j.apmt.2018.12.017

6. Хлебцов Б.Н., Тумский Р.С., Буров А.М., Пылаев Т.Е., Хлебцов Н.Г. Quantifying the Numbers of Gold Nanoparticles in the Test Zone of Lateral Flow Immunoassay Strips ACS APPLIED NANO MATERIALS, V. 2., № 8. P. 5020-5028 (год публикации - 2019)
10.1021/acsanm.9b00956

7. Хлебцов Б.Н., Буров А.М., Пылаев Т.Е., Хлебцов Н.Г. Polydopamine-coated Au nanorods for targeted fluorescent cell imaging and photothermal therapy BEILSTEIN JOURNAL OF NANOTECHNOLOGY, V.10, P. 794-803 (год публикации - 2019)
10.3762/bjnano.10.79

8. Пылаев Т.Е., Авдеева Е.С., Хлебцов Б.Н., Захаревич А., Хлебцов Н.Г. A novel centrifuge-based approach for tunable 2-D layering of plasmonic nanoparticles Proc. of SPIE, V.11067, art. № 110671I (год публикации - 2019)
10.1117/12.2522135

9. Буров А.М., Хлебцов Б.Н., Ратто Ф., Хлебцов Н.Г. Citrate-reduced Au nanoparticles vs. monodisperse spheres: extinction and dynamic light scattering measurements Proc. of SPIE, V. 11067, art. № 1106717 (год публикации - 2019)
10.1117/12.2522506

10. Ханадеев В.А., Хлебцов Б.Н., Кушнерук С., Хлебцов Н.Г. Synthesis and SERS properties of Au@Au and Au@Ag nanomatryoshkas with embedded reporters Proc. of SPIE, V. 11067, № 1106719 (год публикации - 2019)
10.1117/12.2522650

11. Хлебцов Б.Н., Буров А.М., Ратто Ф., Хлебцов Н.Г. Optical properties of polydopamine-coated Au nanorods Proc. of SPIE, V. 11067, art. № 110671D (год публикации - 2019)
10.1117/12.2522165

12. Дыкман Л.А., Хлебцов Н.Г. Методы химического синтеза коллоидного золота Успехи химии, Том. 88, Выпуск 3, Стр. 229-247 (год публикации - 2019)
10.1070/RCR4843

13. Дыкман Л.А., Хлебцов Н.Г. Gold nanoparticles in chemo-, immuno-, and combined therapy: review BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, V. 10, P. 3152-3182 (год публикации - 2019)
10.1364/BOE.10.003152

14. Ибарра М.Р., Хлебцов Н.Г. Magnetic and Plasmonic Nanoparticles for Biomedical Devices Journal of Applied Physics, V. 126, P. 170401 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5130560

15. Староверов С.А., Волков А.А., Меженный И.Ю., Фомин А.С., Козлов С.В., Дыкман Л.А., Гулий О.И. Prospects for the use of spherical gold nanoparticles in immunization APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY, V.103, P. 437-447 (год публикации - 2019)
10.1007/s00253-018-9476-5

16. Хлебцов Б.Н., Буров А.М., Браташов Д.Н., Тумский Р.С., Хлебцов Н.Г. Petal-like Gap-Enhanced Raman Tags with Controllable Structures for High-Speed Raman Imaging Langmuir, V. 36 (20), P. 5546-5553 (год публикации - 2020)
10.3390/s20123608

17. Буров А.М., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г. Au@NBT@Ag tags with different thickness of the metallic shell: Synthesis and SERS properties Proc. SPIE, V. 11457, статья № 1145710 (год публикации - 2020)
10.1117/12.2560632

18. Хлебцов Б.Н., Ханадеев В.А., Буров А.М., Хлебцов Н.Г. SERS response from gold nanorods and dumbbells Proc. SPIE, V. 11457, статья № 114570Y (год публикации - 2020)
10.1117/12.2560454

19. Бызова Н.А, Жердев А.В., Хлебцов Б.Н., Буров А.М., Хлебцов Н.Г., Дзантиев Б.Б. Advantages of highly spherical gold nanoparticles as labels for lateral flow immunoassay Sensors, V. 20, art. 3608 (год публикации - 2020)
10.3390/s20123608

20. Хлебцов Н.Г., Ле Ру Э. Analytical solutions for the surface- and orientation-averaged SERS enhancement factor of small plasmonic particles Journal of Raman Spectroscopy (год публикации - 2020)
10.1002/jrs.5980

21. Хлебцов Н.Г., Линь Л., Хлебцов Б.Н., Йе Ц. Gap-enhanced Raman tags: Fabrication, optical properties, and theranostic applications Theranostics, V. 10. P. 2067-2094 (год публикации - 2020)
10.7150/thno.39968

22. Хлебцов Б.Н., Ханадеев В.А., Буров А.М., Ле Ру Э., Хлебцов Н.Г. Reexamination of Surface-Enhanced Raman Scattering from Gold Nanorods as a Function of Aspect Ratio and Shape Journal of Physical Chemistry, V. 124, P.10647-10658 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.jpcc.0c00991

23. Хлебцов Н.Г., Зарьков С.В., Ханадеев В.А, Аветисян Ю.А. A novel concept of two-component dielectric function for gold nanostars: theoretical modelling and experimental verification Nanoscale, V. 12, №: 38, P. 19963-19981 (год публикации - 2020)
10.1039/d0nr02531c

24. Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г. Surface-enhanced Raman scattering based lateral flow immunoassay Nanomaterials, Vol. 10, p. 2228 (год публикации - 2020)
10.3390/nano10112228

Публикации