Высококонтрастные флуоресцентные микросенсоры в диагностике стрессовых состояний гидробионтов in vivo в реальном времени

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 20-64-46003

НазваниеВысококонтрастные флуоресцентные микросенсоры в диагностике стрессовых состояний гидробионтов in vivo в реальном времени

Руководитель Тимофеев Максим Анатольевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет" , Иркутская обл

Конкурс №46 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (ведущие ученые)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-103 - Гидробиология и ихтиология

Ключевые слова апконверсионные частицы, флуоресцентные сенсоры, микрокапсулы, экспресс-диагностика, in vivo, стресс, стресс-адаптация, экологический мониторинг

Код ГРНТИ62.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Передовым направлением в области современных технологий мониторинга состояния живых организмов является применение методов прижизненной оценки их внутренних физиологических параметров. За датчиками и устройствами, позволяющими осуществлять непрерывный физиологический мониторинг in vivo, скрыт большой потенциал использования в самых разнообразных областях от экологического мониторинга и фундаментальной физиологии животных, до биомедицинских и агропромышленных разработок. Ранее в рамках выполнения проекта РНФ (2015-2017 гг.) нами была разработана технология применения одного из перспективных типов имплантируемых оптических микросенсоров — инкапсулированных флуоресцентных красителей для определения стрессовых состояний организма in vivo. Данные методики с использованием инкапсулированных флуоресцентных красителей позволили не просто динамически отслеживать физиологические показатели организма, но и проводить такую диагностику одновременно в разных органах и частях тела, что открывает перспективы развития технологий 3D-сканирования физиологических параметров. Кроме того, с использованием инкапсулированных флуоресцентных красителей удалось с большой степенью точности отслеживать физиологические показатели в отдельных органах и тканях небольших животных размером менее миллиметра. Измерения такого типа ранее были трудновыполнимы, хотя имеют большое значение для разных отраслей науки и промышленности, в том числе требующих проведения масштабного биотестирования. В то же время, было установлено, что при использовании простых инкапсулированных флуоресцентных красителей появляется и ряд принципиальных ограничений, в частности, возникает проблема фоновой автофлуоресценции тканей, затрудняющей получение сигнала. Перспективным способом решения этой и других проблем является инкапсулирование флуоресцентных красителей совместно с апконверсионными микрочастицами. Апконверсионные частицы — это уникальные антистоксовские люминофоры, возбуждаемые в инфракрасном диапазоне и излучающие в видимом спектре. При совместном инкапсулировании с флуоресцентными красителями данные частицы могут быть использованы в качестве локального источника света, напрямую возбуждающего флуоресцентный краситель, что позволяет полностью исключить фоновую автофлуоресценцию тканей при получении оптического сигнала. Одними из наиболее актуальных направлений использования имплантируемых оптических сенсоров являются экологический мониторинг и экспресс-диагностика физиологических состояний гидробионтов. Наибольшие перспективы их применения открываются для мониторинговой оценки уникальных эндемичных сообществ древних экосистем, в первую очередь экосистемы озера Байкал. Связано это с тем, что при мониторинговых исследованиях древних экосистем необходимо принимать во внимание специфику эндемичных организмов, накладывающую существенные ограничения на возможность применения стандартных методов и подходов. Эндемичные виды узко адаптированы к условиям обитания того или иного водоёма, а их характеристики, в силу особенностей эволюционного развития, часто имеют отличия от таковых у модельных организмов. В настоящее время литоральная зона озера Байкал сталкивается с существенными экосистемными рисками, которые обусловлены как влиянием глобальных климатических изменений и наблюдаемым потеплением вод, так и непрерывным ростом антропогенного воздействия на озеро. Доминирующее население литорали — уникальные эндемики с высокой степенью специализации, и они особенно чувствительны к изменениям условий среды обитания, что требует особого подхода к организации экологического мониторинга озера. Одним из критических условий выживания и сохранения нормальной жизнедеятельности гидробионтов в стрессовых условиях является адекватное обеспечение тканей необходимым количеством кислорода. Более того, согласно некоторым концепциям, способность обеспечить потребности тканей в кислороде является ключевым фактором, определяющим термотолерантность вида. Аналогично, при интоксикации разнообразными ксенобиотиками поступление кислорода в организм гидробионтов оказывается лимитировано из-за повреждения тканей жабр, испытывающих наибольшую нагрузку. В то же время, исследования особенностей тканевого обеспечения кислородом зачастую сопряжены с методологическими сложностями, поскольку множественные измерения параметров тканевой жидкости и крови в периферических участках кровеносной системы гидробионтов затруднены из-за их сравнительно небольших размеров. В данной ситуации применение имплантируемых сенсоров предоставляет уникальные возможности для комплексной оценки самых разнообразных внутренних физиологических параметров водных животных в реальном времени, необходимой для углубления имеющихся представлений как о специфике байкальских эндемиков, так и об основных характеристиках, определяющих видоспецифичную чувствительность к разнообразным стрессовым факторам у гидробионтов в целом. Целью данного проекта является сравнение способностей байкальских эндемичных гидробионтов и традиционных объектов экотоксикологического тестирования к адекватному обеспечению тканей организма кислородом в разнообразных стрессовых условиях с использованием нового поколения имплантируемых оптических сенсоров (высококонтрастных флуоресцентных микросенсоров, основанных на методике совместной инкапсуляции апконверсионных частиц и флуоресцентных красителей). Мы предполагаем, что байкальские эндемики, адаптированные к узкому диапазону условий среды, продемонстрируют пониженную способность к обеспечению потребностей тканей в кислороде. Разработанная методика применения высококонтрастных флуресцентных микросенсоров для высокочувствительной оценки стрессовых состояний эндемичных гидробионтов впоследствии может лечь в основу новой технологии экологического мониторинга озера Байкал и других водоёмов, а также имеет существенные перспективы применения в аквакультуре и агротехнологиях, а также в биомедицинских разработках.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пилла Р.М., Вильямсон К.Е., ..., Тимофеев М.А., ... Задереев Е.С. Deeper waters are changing less consistently than surface waters in a global analysis of 102 lakes Scientific Reports, 10, Article number: 20514 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-76873-x

2. Назарова А.А., Гурков А.Н., Верещагина К.П., Тимофеев М.А. Изучение влияния повышенной температуры на выживаемость гемоцитов байкальских эндемичных амфипод Eulimnogammarus verrucosus в первичной культуре Тезисы докладов Второй Всероссийской конференции с международным участием "Физиолого-биохимические и молекулярно-генетические механизмы адаптаций гидробионтов", Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РАН. – Ярославль : Филигрань, 2020. – С. 40. (год публикации - 2020)

3. Лубяга Ю.А., Долгих А.В., Дроздова П.Б., Назарова А.А., Тимофеев М.А. Transcriptome-based analysis of the diversity of membrane-bound lectins in Baikal amphipods Eulimnogammarus sp. and the Holarctic amphipod Gammarus lacustris Limnology and Freshwater Biology. SI “The VII-th Vereshchagin Baikal Conference”, 2020. - No 4. - P. 797-798. (год публикации - 2020)
10.31951/2658-3518-2020-A-4-797

4. Попов А., Хоган Б., Щапова Е., Быков А., Тимофеев М., Меглинский И. In Vivo Stress Monitoring in Aquatic Species via Upconversion Based Luminescent Nanoparticles Scientific Reports, under review after major revision (год публикации - 2021)

5. Назарова А. А., Щапова Е. П., Гурков А. Н., Мутин А. Д., Тимофеев М. А. Изучение иммунного ответа амфипод на симбиотические организмы в первичной культуре гемоцитов Сборник тезисов международной конференции “Современное состояние и развитие аквакультуры: экологическое и ихтиопатологическое состояние водоемов и объектов разведения, технологии выращивания”, Новосибирск, 11-13 ноября 2020, C. 44-47 (год публикации - 2020)

6. Верещагина К.П., Кондратьева Е.С, Мутин А.Д., Якоб Л., Бедулина Д.С, Щапова Е.П., Мадьярова Е.В., Аксенов-Грибанов Д.В., Портнер Г.-О., Люкасен М., Люкенбах Т., Тимофеев М.А. Low annual temperature likely prevents the Holarctic amphipod Gammarus lacustris from invading Lake Baikal Scientific Reports, V. 11. - P. 1-14. Article number: 10532 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-89581-x

7. Якоб Л., Верещагина К.П., Тилльманн А., Риварола-Дуарте Л., Аксенов-Грибанов Д.В., Бедулина Д.С., Гурков А.Н., Дроздова П.Б., Тимофеев М.А., Штадлер П.Ф., Люкенбах Т., Портнер Г.-О., Сарторис Ф.Дж., Люкасен М. Thermal reactions norms of key metabolic enzymes reflect divergent physiological and behavioral adaptations of closely related amphipod species Scientific Reports, V. 11. - article number 4562 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-83748-2

8. Пилла Р.М., ...Шимараева С.В., Зилов Е.А., ... Тимофеев М.А., ... Жукова Т.В. Global data set of long-term summertime vertical temperature profiles in 153 lakes Scientific Data, V. 8. - P. 1-12. Number article 200. (год публикации - 2021)
10.1038/s41597-021-00983-y

9. Кремер В.М., ... Зилов Е.А., ... Тимофеев М.А., ... Адриан Р. Climate change drives widespread shifts in lake thermal habitat Nature Climate Change, V. 11. – P. 521–529 (год публикации - 2021)
10.1038/s41558-021-01060-3

10. Широкова Ю.А., Ларина О.А., Мадьярова Е.В., Мутин А.Д., Шатилина Ж.М., Тимофеев М.А. The effects of the acclimation and measurement temperature on antioxidant enzyme activity in Baikal endemic amphipods FEBS Open Bio, V. 11, S1. - P. 492 (год публикации - 2021)
10.1002/2211-5463.13205

11. Широкова Ю.А., Ларина О.А., Мадьярова Е.В., Мутин А.Д., Шатилина Ж.М., Тимофеев М.А. Оценка влияния температуры акклимации и измерения на активность антиоксидантных ферментов байкальских эндемичных амфипод Биология водных экосистем в XXI веке: факты, гипотезы, тенденции: тезисы докладов Всероссийской конференции, посвященной 65-летию Института биологии внутренних вод имени И. Д. Папанина Российской академии наук, С. 199 (год публикации - 2021)

12. Назарова А.А., Гурков А.Н., Дроздова П.Б., Тимофеев М.А. Определение потенциала деления гемоцитов и эмбриональных клеток эндемичных байкальских амфипод методом проточной цитометрии VIII Международная научно-практическая конференция молодых ученых: биофизиков, биотехнологов, молекулярных биологов и вирусологов, C. 40 (год публикации - 2021)

13. Мадьярова Е.В., Широкова Ю.А., Гурков А.Н., Дроздова П.Б., Бадуев Б.К., Лубяга Ю.А., Шатилина Ж.М., Вишневская М.C., Тимофеев М.А. Metabolic tolerance to atmospheric pressure of two freshwater endemic amphipods mostly inhabiting the deep-water zone of the ancient Lake Baikal Insects, 13(7), 578 (год публикации - 2022)
10.3390/insects13070578

14. Попов А., Тимофеев М., Быков А., Меглинский И. Luminescent upconversion nanoparticles evaluating temperature-induced stress experienced by aquatic organisms due to environmental variations iScience, Volume 25, Issue 7, 104568 (год публикации - 2022)
10.1016/j.isci.2022.104568

15. Широкова Ю.А., Мадьярова Е.В., Шатилина Ж.М., Тимофеев М.А. Сравнение морфологии хеморецепторов байкальских глубоководных и литоральных амфипод Сборник тезисов 25-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием “Биология – наука ХХI века”, Сборник тезисов 25-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием “Биология – наука ХХI века”. – Пущино: ФИЦ ПНЦБИ РАН, 2022. – С. 193. (год публикации - 2022)

16. Ржечицкий Я.А., Назарова А.А., Болбат Н.Б., Снхчян Ц.А., Гурков А.Н., Тимофеев М.А. Влияние апконверсионных частиц на байкальских эндемичных амфипод Eulimnogammarus verrucosus Сборник тезисов 25-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием “Биология – наука ХХI века”, Сборник тезисов 25-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием “Биология – наука ХХI века”. – Пущино: ФИЦ ПНЦБИ РАН, 2022. – С. 265-266. (год публикации - 2022)

17. Широкова Ю.А., Назарова А.А., Мадьярова Е.В., Шатилина Ж.М., Тимофеев М.А. Исследование морфологии эстетасков байкальских глубоководных и литоральных амфипод Проспект Свободный – 2022 : материалы XVIII Междунар. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Красноярск, 25– 30 апреля 2022 г. [Электронный ресурс], Проспект Свободный – 2022 : материалы XVIII Междунар. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. [Электронный ресурс] / отв. за вып. Т. А. Лесняк. – Электрон. дан. (62,4 Mb). – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2022. – С. 2775-2777. (год публикации - 2022)

18. Кондратьева Е.С., Ржечицкий Я.А., Верещагина К.П., Шатилина Ж.М., Тимофеев М.А Влияние UVA и UVB излучения на повреждение ДНК и физиологические реакции у байкальских эндемичных амфипод Актуальные проблемы изучения ракообразных : Сборник тезисов научно-практической конференции, Борок, 23–25 мая 2022 года, Актуальные проблемы изучения ракообразных : Сборник тезисов научно-практической конференции, Борок, 23–25 мая 2022 года. – Севастополь: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Институт природно-технических систем”, 2022. - С. 29. (год публикации - 2022)

19. Щапова Е.П., Титов Е.А., Ржечицкий Я.А., Тимофеев М.А. Исследование анатомического строения байкальских амфипод Eulimnogammarus verrucosus для имплантации оптического сенсора Актуальные проблемы изучения ракообразных : Сборник тезисов научно-практической конференции, Борок, 23–25 мая 2022 года, Актуальные проблемы изучения ракообразных : Сборник тезисов научно-практической конференции, Борок, 23–25 мая 2022 года. – Севастополь: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Институт природно-технических систем”, 2022. – С. 74. (год публикации - 2022)

20. Назарова А.А., Гурков А.Н., Ржечицкий Я.А., Щапова Е.П., Мутин А.Д., Саранчина А.Е., Дягилева А.А., Болбат Н.Б., Кривошапкин П.В., Тимофеев М.А. Turn a Shrimp into a Firefly: Monitoring Tissue pH in Small Crustaceans Using an Injectable Hydrogel Sensor with Infrared Excitation and Visible Luminescence Photonics, 10(6), 697 (год публикации - 2023)
10.3390/photonics10060697

21. Саранчина А.Е., Дроздова П.Б., Ржечицкий Я.А., Мутин А.Д., Тимофеев М.А. Генетическое разнообразие байкальских эндемичных амфипод (Cristacea: Amphipoda) Eulimnogammarus verrucosus (Gerstf., 1858) в реке Ангаре Сборник тезисов 25-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием “Биология – наука ХХI века”, Сборник тезисов 25-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием “Биология – наука ХХI века”. – Пущино: ФИЦ ПНЦБИ РАН, 2022. – С. 142. (год публикации - 2022)

Публикации