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 16-14-00209

НазваниеРазработка биоаналитической платформы для определения гликозилированных белков крови на основе усиления комбинационного рассеяния света плазмонными наноструктурами.

РуководительКурочкин Илья Николаевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2019 г. - 2020 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 по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11).

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

Ключевые словагликированный гемоглобин, гликированный альбумин, усиление комбинационного рассеяния, оптические сенсоры, плазмонные наноструктуры, сахарный диабет, высоко специфическая диагностика

Код ГРНТИ62.41.99

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Научные задачи, на решение которых направлен проект 2019, состоят в развитии комплексного подхода, позволяющего развивать методологию быстрой идентификации гликированных форм белков. Сдерживающими моментами в успешном применении такого рода биоспектроскопии являются: стабильные и воспроизводимо получаемые наноструктурированные материалы для реализации эффекта ГКР, а также ориентированные на анализ сложной спектральной информации вычислительные алгоритмы. Изучению именно этих аспектов и будет посвящен проект 2019. Выполнение проекта позволит существенно приблизиться к решению задачи быстрой и персонифицированной диагностики. Научная идея проекта связана с созданием панели наноразмерных частиц серебра и ГКР-активных поверхностей на основе метаматериалов, содержащих диэлектрические резонаторы, обладающих различной специфичностью к гликированным и негликированным формам белков. Комплексный анализ спектров гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) методами многопараметрической статистики позволит проводить быструю идентификацию вклада гликированных белков. Специфичность взаимодействия наноразмерных частиц и метаматериалов будет определяться различным соотношением гидрофобно-гидрофильных и зарядовых характеристик поверхности частиц и метаматериалов, а также условиями среды для проведения анализа. Для обоснованного получения сенсорных элементов с определенными гидрофобно-гидрофильными и зарядовыми характеристиками будет проведено систематическое исследование закономерностей проявления ГКР-спектров гликированных и негликированных форм белков в зависимости от заряда и других свойств поверхности частиц и структур серебра, а также в зависимости от условий среды, в которой происходит взаимодействие гликированных белков и ГКР-сенсора. Окончательная спецификация ГКР сигнала будет проводиться с использованием созданных в ходе выполнения проекта алгоритмов обработки ГКР-спектральной информации. Кроме того, будет разработан специализированный химико-аналитический формат определения гликированных белков с использованием специализированных панелей наноразмерных частиц серебра, оптических метаматериалов и адаптированной для этих целей микрофлюидной системы.

Ожидаемые результаты
Будет создана уникальная биоаналитическая платформа на базе спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния, позволяющая получать на ее основе количественные показатели содержания гликированного гемоглобина и гликированного альбумина в сыворотке крови для диагностики некомпенсированных гипергликемических состояний и для оценки степени метаболических нарушений в структурно-биохимических взаимоотношениях углеводного гомеостаза.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Получен препарат стабильных НЧ серебра для целей количественного проведения анализа с применением спектроскопии ГКР. Найден новый тип ГКР-активных субстратов на основе полидисперсных серебряных дисков, который может быть использован для селективного определения гликированных форм белков и разнообразных сахаров, объяснены особенности его взаимодействия со световой волной. Специальная структура значительно усиливает сигнал комбинационного рассеяния как за счет образования «горячих точек», так и за счет изменения углов падения возбуждающего излучения. Модифицированный ГКР-субстрат позволяет отличать спектры сахаров от контроля, а также количественно определять гликированный альбумин как в буфере, так и в плазме человека. Этот метод требует чрезвычайно малого объема образца – около 15 мкл – для измерения в четырех повторах. Предложенный метод упрощает экспериментальную процедуру и может быть автоматизирован путем компьютерной обработки измерений. Он также имеет важное преимущество технической простоты, поскольку эти подложки на основе серебра просты в изготовлении и эксплуатации.

Публикации

1. Барбиллон Г., Иванов А.В., Сарычев А.К. Hybrid Au/Si Disk-Shaped Nanoresonators on Gold Film for Amplified SERS Chemical Sensing Nanomaterials, 9,103,pp. 1-12 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/nano9111588

2. Иванов А.В, Сарычев А.К., Быков И.В., Богинская И.А., Лагарьков А.Н., Рыжиков И.А., Нечаева Н.Л., Курочкин И.Н. Silicon-silver metasurface based on regular bars as an eective SERS substrate IOP Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2019)

3. Нечаева Н.Л., Богинская И.А., Иванов А.В., Сарычев А.К., Еременко А.В., Рыжиков И.А., Лагарьков А.Н., Курочкин И.Н. Multiscale flaked silver SERS-substrate for glycated human albumin biosensing. Analytica Chimica Acta, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.11.072

4. Сарычев А.К., Быков И.В., Богинская И.А., Иванов А.В., Курочкин И.Н., Лагарьков А.Н., Нечаева Н.Л., Рыжиков И.А. Metal‑dielectric optical resonance in metasurfaces and SERS effect Optical and Quantum Electronics, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1007/s11082-019-2141-0

5. Сарычев А.К., Иванов А.В, Лагарьков А.Н., Барбиллон Г. Light Concentration by Metal-Dielectric Micro-Resonators for SERS Sensing Materials, 12, 103, pp.1-39 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/ma12010103

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Разработаны 3 химико-аналитических формата анализа, включающие использование магнитных частиц, модифицированных антителами к человеческому альбумину, флуоресцентную метку (флуоресцеин фенилборонат), плазмонные структуры на основе серебряных наночастиц, а также метод тандемного ГКР, включающий ферментативный гидролиз целевых белков. Химико-аналитический формата анализа гликированного альбумина отработан и оптимизирован на основе созданной автоматизированной биоаналитической платформы, включающей микрофлюидный чип и роботизированную систему. Оптимизированы в автоматическом режиме стадии магнитной сепарации, отмывки, последовательного добавлении флуоресцентной метки и плазмонных структур, регистрации сигнала спектрометром КР, а также условия агрегации наночастиц серебра. Проведены лабораторные исследования образцов гликированного альбумина, а также 8 реальных клинических образцов крови с использованием, разработанной методики с целью оценки чувствительности, селективности и времени анализа. Проведены теоретические и экспериментальные исследования возможностей различных ГКР-активных субстратов, а также различного сочетания диэлектрических и плазмонных резонаторов для дополнительного усиления сигнала ГКР.

Публикации

1. Барбиллон Г., Иванов А., Сарычев А.К. Applications of Symmetry Breaking in Plasmonics Symmetry, 12, 896 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/sym12060896

2. Иванов А., Сарычев А.К., Быков И., Богинская И., Лагарьков А., Рыжиков И., Нечаева Н., Курочкин И. Silicon-silver metasurface based on regular bars as an eective SERS substrate IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series, 1461, 012057 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1461/1/012057

3. Нечаева Н.Л., Богинская И.А., Иванов А.В., Сарычев А.К., Рыжиков И.А., Лагарьков А.Н., Курочкин И.Н. Multiscale flaked silver SERS-substrate for glycated human albumin biosensing Analytica Chimica Acta, 1100, 250-257 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.11.072

4. Сарычев А.К., Иванов А.В., Барбильон Г. Генерация плазмонных мод в сверхузкой нанощели, образованной серебряными поверхностями Квантовая электроника, 51, №1 (год публикации - 2021)

5. Иванов А., Быков И., Рыжиков И.А., Богинская И., Сарычев А.К. SERS imaging via metasurface made of silver-silicone periodic disks International conference for chemical characterization and imaging, Life Sciences, Biomedical and Pharma Research P-153 (год публикации - 2020)

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта позволяют использовать их при разработки инновационной биоаналитической платформы, обеспечивающей быстрое определение абсолютных и относительных уровней гликированных белков в крови человека на основе усиления комбинационного рассеяния света плазмонными наноструктурами. Специфическая диагностика декомпенсированных гипергликемических состояний и степени метаболитических нарушений в структурно-биохимических взаимоотношениях углеводного гомеостаза населения имеет важное практическое в социальной сфере и экономике.