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 14-13-00871

НазваниеСамосборка полифункциональных коллоидосом для создания новых плазмонных материалов

РуководительГудилин Евгений Алексеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2018 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые словасамосборка, нанокомпозиты, коллоидосомы, гигантское комбинационное рассеяние, биомедицинская диагностика

Код ГРНТИ31.15.19

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Предыдущие этапы выполнения проекта позволили предложить оригинальные пути решения основных фундаментальных и экспериментальных задач по разработке ключевых функциональных материалов с заданными свойствами для создания активных элементов оптических сенсоров для неинвазивного определения широкого круга биологически активных веществ, их метаболитов, мембраносвязанного Гб в живых клетках (эритроцитав) и цитохрома С в функциональных клеточных органеллах (митохондриях). В то же время, остается ряд фундаментальных экспериментально – практических проблем, успешный анализ и преодоление которых способны существенно приблизить внедрение разработок проекта в области биомедицинской диагностики, что составляет основную цель проекта в 2017 – 2018 годах и находится в полном соответствии с теми тенденциями, которые развиваются или только будут развиваться в ближайшее время в области ГКР – спектроскопии. Тем самым, планируется при продолжении фундаментальных исследований достичь существенных практических результатов. Так, в течение 2017 – 2018 гг. планируется (1) оптимизировать лучшие из полученных типов нанокомпозитов – коллоидосом (в том числе магнитных, полых наноструктурированных микросфер, липосом, везикул, содержащих наночастицы серебра) для новых вариантов ГКР анализа, используя полифункциональность разработанных материалов, разработать материалы (в том числе, эффективные методики получения наночастиц серебра с рекордно высокой анизотропией формы) в целях их совмещения с наиболее распространенными ИК – лазерами портативных спектрометров (785 нм и др.), работающих в “окне прозрачности” тканей и существенно снижающие люминесценцию и фотоповреждение биологических объектов, (2) реализовать подходы комбинаторной химии и пространственного разделения компонентов сложных смесей в планарных слоях гелевых / полимерных нанокомпозитов с наночастицами благородных металлов с последующим 2D КР – картированием, (3) добиться контролируемого управления агрегатной структурой наночастиц / наноструктур для использования двухчастотного возбуждения сложных биологических систем и при фотоуправляемых / плазмон – иницируемых реакциях, (4) провести направленную модификацию плазмонных структур супрамолекулярными «ловушками» аналитов, биополимерами и веществами – линкерами к клеточным и бактериальным мембранам, (5) перейти от индикаторных систем обнаружения аналитов к системам для полуколичественного и количественного определения, в том числе, предложить в качестве «внутреннего стандарта» КР – репортеры (красители - маркеры и пр.) для исследуемых биологических объектов, создать аппаратно – программный комплекс для автоматической математической обработки спектров, наработать базу данных основных спектров и математических образов спектров для факторного и кластерного анализа, (6) исследовать возможности новых методик ГКР – анализа с варьируемой XY – поляризацией для получения дополнительной информации о хемосорбированных на наноструктурах слоях и взаимной ориентации клеточных структур и компартментов, (7) перейти к исследованию структуры, поведения и генерации метаболитов / сигнальных веществ живыми клетками, мало изученных в литературе, в том числе, при проведении возбуждения в нервных волокнах, (8) выявить спектральные маркеры, демонстрирующие изменения конформационных и функциональных свойств мембраносвязанного гемоглобина в эритроцитах и цитохрома С в митохондриях при различных социально-значимых патологиях, в том числе, при сердечно-сосудистых заболеваниях и сахарном диабете. Полученные практические результаты будут детально проанализированы с точки зрения влияния морфологических, структурных, текстурно – ориентационных характеристик полученных материалов. Для реализации предклинической стадии испытаний оптических сенсоров для предполагаемых / наиболее реализуемых вариантов медицинской диагностики (скрининга и выявления социально значимых заболеваний) будет проведен статистический анализ спектральных данных биологического материала лабораторных генетически модифицированных животных с различными выявленными патологиями с последующей выработкой методик измерений и анализа полученных данных для подготовки стадии внедрения новых оптических датчиков.

Ожидаемые результаты
Научная значимость, в фундаментальной и прикладной областях, для ожидаемых результатов связана с генерацией новых фундаментальных знаний и практической реализации новых приемов в области спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния для биомедицинской диагностики. В частности, планируется добиться результатов: -по оптимизации функциональныx характеристик лучших из полученных ранее типов нанокомпозитов – коллоидосом (в том числе магнитных, полых наноструктурированных микросфер, липосом, везикул, содержащих наночастицы серебра) для новых вариантов ГКР анализа, используя полифункциональность разработанных материалов; разработка и комплексная характеризация с использованием современных инструментальных методов анализа наноматериалов и нанокомпозитов (оптическую микроскопию в поляризованном свете, РЭМ с ЛРСМА и картированием в характеристическом излучении, ПЭМ и СПЭМ с электронной дифракцией выбранной области, РФА, УФ – вид, СДО, КР спектроскопии и других), содержащих распределенные наночастицы и наноструктуры на основе благородных металлов с контролируемыми функциональными характеристиками, включая положение и интенсивность мод плазмонного резонанса, подстраиваемых под возбуждающее лазерное излучение и полосы поглощения анализируемых молекул, в том числе в сложных матрицах, а также высокую афинность поверхности по отношению к целевым аналитам, -по разработке материалов, включая эффективные методики получения наночастиц серебра с рекордно высокой анизотропией формы, в целях их совмещения с наиболее распространенными ИК – лазерами портативных спектрометров (785 нм и др.), работающих в “окне прозрачности” тканей и существенно снижающие люминесценцию и фотоповреждение биологических объектов, -по реализации подходов комбинаторной химии и пространственного разделения компонентов сложных смесей в планарных слоях гелевых / полимерных нанокомпозитов с наночастицами благородных металлов с последующим 2D КР – картированием, -по контролю агрегатной структуры наночастиц / наноструктур для реализации двухчастотного возбуждения сложных биологических систем и при фотоуправляемых / плазмон – иницируемых реакциях; исследование влияние оптических свойств наноструктурированных материалов и состояния их поверхности, а также длин волн и мощности лазерного излучения на протекание фотохимических и плазмон – индуцированных реакций, которые могут иметь место в исследуемых биологических системах, критически важных для практического внедрения инновационных методов биомедицинской диагностики; разработка подхода «ГКР - кино», то есть записи усиленных спектров с временным интервалом в 5-10 секунд и удовлетворительным соотношением сигнал / шум, для отслеживания динамики протекающих биохимических процессов и реконструирования механизмов реакций для биомолекул в низких концентрациях, в том числе для ряда ферментативных реакций, дыхания и генерации АТФ / АДФ функциональными митохондриями, реакций связывания кислорода красными кровяными тельцами, -по проведению направленной модификации плазмонных структур супрамолекулярными «ловушками» аналитов, биополимерами и веществами – линкерами к клеточным и бактериальным мембранам, -по переходу от индикаторных систем обнаружения аналитов к системам для полуколичественного и количественного определения, в том числе, разработка в качестве «внутреннего стандарта» КР – репортеров (красителей - маркеров и пр.) для исследуемых биологических объектов; создание аппаратно – программного комплекса для автоматической математической обработки спектров; наработка базы данных основных спектров и математических образов спектров для факторного и кластерного анализа, -по исследованию возможностей новых методик ГКР – анализа с варьируемой XY – поляризацией для получения дополнительной информации о хемосорбированных на наноструктурах слоях и взаимной ориентации клеточных структур и компартментов, -по исследованию структуры, поведения и генерации метаболитов / сигнальных веществ новыми типами живых клеток, мало изученных в литературе, в том числе, при проведении возбуждения в нервных волокнах, -по выявлению спектральных маркеров, демонстрирующих изменения конформационных и функциональных свойств мембраносвязанного Гб в эритроцитах и цитохрома С в митохондриях при различных патологиях, в том числе, при сердечно-сосудистых заболеваниях и сахарном диабете; разработка методик анализа динамики изменения спектральных сигналов комбинационного рассеяния целевых аналитов для построения оценочных формально – кинетических моделей и выявления особенностей биохимических реакций / образования метаболитов в присутствии живых клеток и функциональных клеточных органелл; выявление на основе разработанных материалов и методик статистически значимых различий в измененных в результате наличия заболевания или мутации группах биологического материала лабораторных животных для доказательства возможности экспресс – анализа с использованием ГКР различных патологий в интересах медицинского скрининга и персональной медицины, -по анализу практических результатов с точки зрения влияния морфологических, структурных, текстурно – ориентационных характеристик полученных материалов, определение условий для максимального увеличения коэффициентов усиления сигнала комбинационного рассеяния за счет оптимального сочетания оптических свойств наноструктур, возбуждающего лазерного излучения и полосы поглощения анализируемых молекул, в том числе в сложных матрицах, обеспечивающих резонансное усиление спектрального сигнала. Вклад в развитие предметной области исследований по проекту может складываться из следующего: -новые синтетические наработки и получение новых типов нанокомпозитов, специфически ориентированных для использования в анализе биологических объектов спектроскопией ГКР с оптимально подобранными функциональными параметрами и биосовместимостью, -фундаментальные данные по структуре на различных иерархических уровнях и ее корреляции с проявляемыми функциональными (оптическими) свойствами для наноструктурированных материалов на основе благородных металлов, -развитие новых подходов ГКР – спектроскопии в сочетании с комбинаторной химией и пространственным разделением компонентов сложных смесей в планарных слоях гелевых / полимерных нанокомпозитов, реализацией двухчастотного возбуждения сложных биологических систем, переходом к системам для полуколичественного и количественного анализа, с варьированием XY – поляризации, использованием «ГКР - кино», анализом динамики и определение стадийности и механизма ряда важных биохимических процессов с участием биомолекул и интермедиатов в низких концентрациях, -исследование кислород-связывающих свойств мембраносвязанного гемоглобина в эритроцитах при гипертонии и сахарном диабете для выявления спектральных маркеров, отражающие конформационные и функциональные изменения Гбмс, которые можно использовать в качестве дополнительных чувствительных параметров при медицинской диагностике; аналогично, будут выявлены спектральные маркеры, которые позволят из спектров ГКР цитохрома С в интактных митохондриях получать информацию об активности всей дыхательной цепи, эффективности переноса электрона и синтезе АТФ, о энергетическом статусе митохондрий при различных заболеваниях для разработки методов ранней диагностики. Общественная значимость предполагаемых исследований связана с тем, что проект может быть доведен до стадии предклинической стадии испытаний новых оптических сенсоров для предполагаемых / наиболее реализуемых вариантов медицинской диагностики (скрининга и раннего выявления социально значимых заболеваний). В частности, статистический анализ спектральных данных биологического материала лабораторных генетически модифицированных животных с различными выявленными патологиями с последующей выработкой методик измерений и анализа полученных данных позволят предложить практические методики экспресс – анализа, который не требует инвазивных процедур и может стать в будущем методом выбора для раннего обнаружения патологий пациентов с последующим комплексным анализом выявленных групп пациентов с использованием существенно более дорогостоящих методов биомедицинской диагностики. Подобный подход может позволить уменьшить риск развития ряда заболеваний в широких группах населения, то есть может иметь значимый социальный и экономический эффект в случае внедрения предложенного метода. Мировой уровень исследований в области использования ГКР – материалов для поступательно развивающейся биомедицинской диагностики традиционно высок, однако пока включает предлагаемые направления исследований лишь в качестве тенденций и отдельных, несистематических публикаций. На наш взгляд, это свидетельствует, что реализация продолжения проекта своевременна и актуальна. Проблемы и задачи современной медицины, биохимии направлены на создание новых схем лечения многих социально-значимых заболеваний (таких как заболевания сердечно-сосудистой системы, когнитивные нарушения в организме человека), прежде всего их прогностику, раннюю диагностику и своевременную комплексную терапию. Это формирует новые требования к определению концентраций, конформаций и активности биополимеров, их комплексов с субстратами - биологически активными соединениями, являющими маркерами заболеваний, изучению кинетики формирования метаболитов в процессе функционирования интактных клеток и клеточных органелл, а соответственно, вызывает необходимость разработки принципиально новых, уникальных подходов и средств анализа функционирующих в живых тканях структур. Традиционная спектроскопия комбинационного рассеяния (КР-спектроскопия) успешно используется для неинвазивного исследования биологических объектов и в последние годы приобретает популярность в качестве нового аналитического метода для экспресс-анализа. В настоящее время КР спектроскопия успешно применяется для диагностики и оценки состояния раковых заболеваний, оценки вязкости мембран, оценки состояния бляшек, диагностики заболеваний нервной системы. В то же время, метод гигантского комбинационного рассеяния имеет гораздо большие возможности. Число и расположение линий спектра определяется молекулярным строением вещества и очень индивидуально, выступая для линий “красной области” спектра “отпечатками пальца” молекулы, позволяющими ее идентифицировать. В качестве основных объектов, которые рассматриваются в мировой практике в качестве приоритетных целей для применения ГКР – анализа, фигурируют клетки и клеточные фрагменты (эритроциты, бактерии, вирусы, стволовые клетки, клетки других тканей человека, в том числе раковые), взрывчатые вещества (тринитротолуол, гексоген, тринитроглицерин), отравляющие вещества и лекарственные препараты (6-меркаптопурин, метимазол), маркеры нефтепродуктов (полиароматические и гетероароматические углеводороды, фенолы, тиофены). Таким образом, осуществляемые во всем мире работы в области ГКР имеют сильную практическую направленность, что говорит о необходимости развития отечественных материаловедческих разработок в данной области и о высоком практическом потенциале подобных исследований. Поверхностный плазмонный резонанс, вызывающий усиление сигнала КР, возникает только тогда, когда расстояние между наночастицей и исследуемой молекулой составляет менее 15-20 нм, что дает возможность говорить о пространственной локализации регистрируемого сигнала ГКР. Наибольший эффект ГКР наблюдается на так называемых «горячих точках», представляющих собой область с локализованными наночастицами благородного металла. В связи с этим подобные наноструктуры представляют собой особый интерес, поскольку потенциально могут применяться в биологии и медицине для усиления интенсивности комбинационного рассеяния из-за увеличения рамановского сечения более чем в миллиард раз раз, что позволяет теоретически исследовать конформацию молекул при концентрации менее мМ и нМ. Именно поэтому метод гигантского комбинационного рассеяния является перспективным решением проблемы за счет очень высокой чувствительности и уникальной молекулярной специфичности. Современное состояние исследований c целенаправленным отбором материала, обобщением опыта авторов заявки и обсуждением основных проблем в предметной области проекта было кратко рассмотрено нами в статье, приводимой в отчете проекта за 2016 год, “Nanostructured silver materials for noninvasive medical diagnostics by surface-enhanced Raman spectroscopy (Focus article)” (Semenova Anna A., Semenov Alexander P., Gudilina Elena A., Sinyukova Galina T., Brazhe Nadezhda A., Maksimov Georgy V., Goodilin Eugene A., 10.1016/j.mencom.2016.04.001)”, в которой перечислен ряд зарубежных ведущих статей и обзоров, относящихся к обсуждаемой теме: A. Guerrero-Martinez, S. Barbosa, I. Pastoriza-Santos, L.M. Liz-Marzan, Colloid & Interface Science, 2011, 16, 118. L. Polavarapu, J. Perez-Juste, Q. Xu, L. M. Liz-Marzan, J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 7460. R. A. Alvarez-Puebla, L. M. Liz-Marzan, Energy Environ. Sci., 2010, 3, 1011. G. J. Puppels, F. F. M. de Mul, C. Otto, J. Greve, M. Robert-Nicoud, D. J. Arndt-Jovin and T. M. Jovin, Nature, 1990, 347, 301. B. R. Wood, P. Caspers, G. J. Puppels, S. Pandiancherri and D. McNaughton, Anal. Bioanal. Chem., 2007, 387, 1691. R. A. Alvarez-Puebla and L. M. Liz-MarzaALn, Small, 2010, 6, 604. A. MaANrz, B. MoANnch, P. RoANsch, M. Kiehntopf, T. Henkel and J. Popp, Anal. Bioanal. Chem., 2011, 400, 2755. J. Kneipp, H. Kneipp, B. Wittig and K. Kneipp, Nano Lett., 2007, 7, 2819. (число статей, посвященных ГКР (SERS), в базе данных Web of Science на сегодняшний день соотвествует около 14 460 единиц и быстро растет) В соотвествии с этим, однозначно можно подтвердить необходимость дальнейшего развития современных методов анализа структурного состояния и степени активности ферментативных комплексов, кинетики формирования метаболитов в процессе функционирования интактных клеток и клеточных органелл. В литературе остается актуальной тема определения механизма воздействия биологически активных веществ, в том числе фармпрепаратов, что требует разработки принципиально новых, уникальных подходов. Пока еще не реализована и поэтому является новой и востребованной идея об осуществлении неразрушающего пространственно- и времяразрешенного контроля изменений содержания и молекулярной структуры важнейших классов биологически активных веществ в предельно низких концентрациях, что является важным для практического внедрения инновационных методов биомедицинской диагностики, в том числе основанных на эффекте гигантского комбинационного рассеяния. В последнем случае ключевым является материаловедческий (разработка новых материалов), метрологический (разработка новых эффективных методик) и инновационный (поиск новых методов анализа, расширяющих возможности существующих) аспекты проблемы. Все эти три аспекта отражены в предполагаемых направлениях исследований. Возможность практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере является основной прагматической целью планируемого продолжения настоящего проекта 2014 года, как описано выше.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---