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 16-19-00131

НазваниеРазработка нанобиороботов, предназначенных для целевой доставки лекарственных препаратов

РуководительНикитин Максим Петрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", 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 09 - Инженерные науки, 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины

Ключевые словацелевая доставка лекарств, тераностика, наночастицы, биокомпьютерные наноструктуры, функции булевой логики, биороботы

Код ГРНТИ76.03.29

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагаемый проект является продолжением комплексных междисциплинарных исследований, начатых в рамках предыдущего проекта РНФ 16-19-00131 (далее – проект 2016 года), посвященного разработке нового подхода к решению проблемы целевой доставки лекарственных средств на основе наноразмерных биокомпьютерных систем (БКС), призванных обеспечить максимальную безопасность для здоровых тканей организма при сохранении максимальной эффективности лечебного действия. В результате успешного выполнения проекта в течение предыдущих трех лет были перевыполнены обязательства по публикациям – 13 из 9 обещанных работ вышли в печать, из них 9 в изданиях первого квартиля (Q1) с суммарным импакт-фактором 91.044, (одна статья в журнале Q1 была принята к публикации 19.12.18, то есть через 4 дня после подачи Итогового отчета); было сделано 24 доклада на международных конференциях, а руководитель проекта был удостоен Премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых учёных за 2017 год. За это время коллективу авторов удалось показать возможность создания наноструктурных агентов, способных выполнять анализ микроокружения и реагировать на присутствие конкретных биологически активных веществ (на примере фолиевой кислоты и антибиотика хлорамфеникола) заранее запрограммированным образом в соответствии с законами булевой логики. На примере целого ряда БКС, различающихся своим строением, размерами, способом нести полезную терапевтическую нагрузку и своим поведением в физиологических средах, были показаны не только хорошие аналитические возможности таких структур, но и их способность in vitro специфично связываться с рецепторами модельных клеток-мишеней как суспензионного, так и прикрепленного типа в ответ на присутствие (логическая функция YES), отсутствие (функция NOT) или на комбинацию (YES AND NOT) управляющих гаптенов. Полученные в ходе выполнения проекта 2016 года результаты являются важным шагом на пути к разработке уникальной, не имеющих аналогов по своей гибкости и универсальности технологии создания нанобиороботов - «интеллектуальных» средств направленной доставки лекарственных препаратов к клеткам-мишеням, управляемых путем одновременного анализа множества параметров, идентифицирующих патологию. В то же время, при всей своей важности, проведенные в рамках проекта 2016 года эксперименты по реализации биокомпьютерных логических вычислений имели своим результатом связывание с клетками in vitro, т.е. в модельных условиях. Очевидно, что тестирование их функционала in vivo, в условиях живого организма млекопитающего должно дать окончательный ответ на вопрос о возможности создания реально работающих тераностических биокомпьютерных наносистем и позволит оценить перспективы их биомедицинского применения. На пути к решению главной задачи проекта - создание биокомпьютерных наноструктурных систем на основе разработанных в проекте 2016 года подходов, обладающих функциональными показателями в условиях in vivo, схожими с ранее полученными параметрами in vitro, предстоит: а) осуществить подбор оптимальной in vivo системы, включая выбор мишени и подходящей животной модели млекопитающего; б) осуществить разработку методов исследования работоспособности БКС in vivo; в) провести испытания предварительно выбранных БКС в условиях реализации как базовых (YES, NOT), так сложной логической функции двух переменных (YES AND NOT), провести необходимые изменения и модификации состава БКС для их функционирования in vivo; и г) получить данные, доказывающие возможность создания наноагентов, способных к специфичному таргетингу клеток млекопитающих в результате логического анализа своего микроокружения in vivo. Доказательство способности таких агентов проводить вычисления как в чисто математическом (логическом) смысле, так и с точки зрения избирательного таргетинга различных биомедицински-релевантых мишеней in vivo в млекопитающих будет иметь безусловную новизну и иметь прорывной характер. Созданные в результате проекта «интеллектуальные» системы откроют принципиально новые возможности комплексного решения задач ранней диагностики заболеваний, направленной и контролируемой доставки лекарственных препаратов в заданные области организма, а также управляемой локальной активации таких препаратов в зависимости от результата автономного анализа профиля концентраций биомаркеров в микроокружении в соответствии с запрограммированными функциями булевой логики. Это позволит обеспечить совершенно новый подход к увеличению точности и эффективности тераностики. По мнению авторов, решение этой задачи может значительно изменить существующий статус терапии и диагностики заболеваний, а также существенно расширить возможности в решении практических биомедицинских задач, имеющих высокую социальную значимость.

Ожидаемые результаты
За время выполнения проекта ожидается получение следующих научных результатов: 1) будет выбрана оптимальная модель для in vivo испытаний выбранных БКС; 2) будут разработаны методы для точной количественной оценки работы БКС в живом организме; 3) будут созданы БКС с оптимальными характеристиками и максимальной биосовместимостью и проведена оценка параметров их работы на примере in vivo реализации как базовых логических функций одной переменной (YES, NOT), так и более сложных функций двух переменных (YES AND NOT); 4) будет проведена итоговая демонстрация возможностей полученных БКС, реализующих таргетинг специфических клеток в организме млекопитающих in vivo, будут предоставление оптимальные протоколы их создания, 5) будут предложены пути по дальнейшему совершенствованию свойств и расширению функционала БКС. 6) По результатам работы будет сделано не менее 8 публикаций в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Сore Сollection) или «Скопус» (Scopus). Полученные в ходе проекта результаты будут иметь безусловную важность для всей области нанобиотехнологий, а также обладать принципиальной новизной и актуальностью, поскольку к настоящему времени современная парадигма адресной доставки лекарств как правило предполагает идентификацию мишени только по одному биомаркеру, что чаще всего оказывается недостаточно специфичным для лечения сложных заболеваний. Предлагаемый в проекте подход на основе создания лиганд-чувствительных автономных наноразмерных агентов, способных к комплексному анализу своего микроокружения, является полностью оригинальным. Будучи единственным в мире подходом реализации сложных молекулярных вычислений (любой булевой функции) без использования ДНК, он в наибольшей степени подходит для млекопитающих (нуклеазы которых ставят под сомнение возможность осуществления сложных вычислений ДНК-зависимыми системами). Данное решение не имеет на данный момент мировых аналогов, что, в частности, подтверждено публикациями авторов в ведущих научных журналах (Nature Nanotechnology и др.), патентом РФ и опубликованными результатами международного патентного поиска по заявке РСТ, а также отмечено престижными международными и российскими премиями. Доказательство способности таких агентов проводить вычисления как в чисто математическом (логическом) смысле, так и с точки зрения избирательного таргетинга различных биомедицински-релевантых мишеней в организме млекопитающих in vivo будет безусловно иметь прорывной характер. Созданные в результате проекта «интеллектуальные» системы откроют принципиально новые возможности комплексного решения задач ранней диагностики заболеваний, направленной и контролируемой доставки лекарственных препаратов в заданные области организма, а также управляемой локальной активации таких препаратов в зависимости от результата автономного анализа повышенных концентраций маркеров в микроокружении в соответствии с запрограммированными функциями булевой логики. Это позволит обеспечить совершенно новый подход к увеличению точности и эффективности тераностики. По мнению авторов, решение этой задачи может значительно изменить существующий статус терапии и диагностики заболеваний, а также существенно расширить возможности в решении практических биомедицинских задач, имеющих высокую социальную значимость.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Главным содержанием работ по реализации проекта за отчетный период было формирование комплексной модели для исследования функционирования биокомпьютерных систем (БКС) в условиях живого организма, включая: 1) выбор животной модели, 2) выбор оптимальных компонентов БКС, способных сохранять свои свойства как in vitro, так и in vivo; 3) выбор методов регистрации и оценки функционала БКС in vivo; 4) проведение предварительных испытаний БКС in vivo с целью первичной оценки их работоспособности и возможной коррекции некоторых аспектов их строения и функционирования. По результатам проведенных исследований опубликовано две статьи в журналах Q1 квартиля. В результате проведенных подготовительных исследований были разработаны протоколы воспроизводимого создания раковых опухолей двух типов (ксенографт рака молочной железы и меланомы); протестированы наноагенты с более чем 20 различными таргетирующими рецепторами, из которых выбраны наиболее перспективные с точки зрения таргетинга in vivo; уточнены критические коллоидно-химические параметры БКС для применения in vivo. Для оптимизации свойств БКС в рамках проекта разработан ряд оригинальных подходов для детального изучения свойств БКС и прогнозирования их поведения в живом организме путем проведения ex vivo магнитометрического мониторинга в реальном времени и визуализирующей проточной цитометрии с высокопроизводительной обработкой результатов с помощью нейронных сетей. Проведено первичное тестирование БКС на основе полимерных магнитных частиц, реализующих YES-гейт in vivo. На основании полученной первичной информации о работе БКС начаты исследования по улучшению их функционирования и расширения их функциональных возможностей.

Публикации

1. Зелепукин И.В., Яременко А.В., Петерсен Е.В., Деев С.М., Черкасов В.Р., Никитин П.И., Никитин М.П. Magnetometry based method for investigation of nanoparticle clearance from circulation in a liver perfusion model NANOTECHNOLOGY, Том: 30 Выпуск: 10 Номер статьи: 105101 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1361-6528/aafa3a

2. Мочалова Е.Н., Котов И.А., Розенберг Ю.М., Никитин М.П. Precise quantitative analysis of cell targeting by particle-based agents using imaging flow cytometry and convolutional neural network Cytometry Part A, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/cyto.a.23939

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе выполнения второго года продления Проекта успешно решена главная задача – демонстрация работоспособности созданных биокомпьютерных систем (БКС), способных избирательно реагировать на появление в своем микроокружении определенных химических веществ и запускать специфическое, заранее запрограммированное и управляемое законами булевой логики связывание с клетками в условиях живого организма. Все поставленные в Проекте цели достигнуты, а обязательства по публикационной активности – перевыполнены: сделано 7 публикаций при обещанных 5 (с учетом трех статей Q1). В полном соответствии с планом исследований разработан дизайн, подобраны условия и продемонстрирована специфичность ряда БКС, реализующие 3 типа логических функций в отношении физиологически-активных модельных гаптенов на частицах с различными коллоидно-химическими свойствами путем связывания со специфичными клетками-мишенями в кровотоке лабораторных животных. Представлены рекомендации по дальнейшему расширению функционала предлагаемой технологии создания БКС, намечены пути увеличения чувствительности и эффективности их диагностического и терапевтического применения.

Публикации

1. Зелепукин И.В., Яременко А.В., Юрьев М.В. Миркасымов А.В., Соколов И.Л., Деев С.М., Никитин П.И., Никитин М.П. Fast processes of nanoparticle blood clearance: Comprehensive study Journal of Controlled Release, Volume 326, Pages 181-191 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2020.07.014

2. Левин А.Д., Рынгач А., Аленичев М.К., Дрожженникова Е.Б., Шевченко К.Г., Черкасов В.Р., Никитн М.П., Никитин П.И. Dynamic light scattering biosensing based on analyte-induced inhibition of nanoparticle aggregation Analytical and Bioanalytical Chemistry, vol. 412, pages 3423–3431 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1007/s00216-020-02605-9

3. Никитин М.П., Зелепукин И.В., Шипунова В.О., Соколов И.Л., Деев С.М., Никитин П.И. Enhancement of the blood-circulation time and performance of nanomedicines via the forced clearance of erythrocytes Nature Biomedical Engineering, vol. 4, pages 717–731 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1038/s41551-020-0581-2

4. Колычев Е.Л., Рынгач А., Котов А.А., Шевченко К.Г., Никитин М.П. Plasmon resonance enhanced nontoxic nanoagents for in vivo detection of antibiotic resistant bacteria. 2020 International Conference Laser Optics (ICLO), Proceedings., - (год публикации - 2020)

5. - Антитела натравили на эритроциты, чтобы повысить эффективность нанолекарств РНФ новости, 8 июля, 2020 (год публикации - )

6. - Прорывная технология российских ученых для мировой наномедицины МФТИ новости, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Проведенное в рамках Проекта исследование по подтверждению практической возможности реализации биокомпьютерных систем в условиях живого организма имеет крайне важное значение, поскольку перекидывает мост между смелым научным замыслом создания «умных» наноагентов, способных комплексно анализировать и выполнять сложные логические операции над своим окружением, и их реальным практическим применением в крайне сложных и изменчивых условиях in vivo. Таким образом, разработанные в проекте подходы и решения могут быть использованы не только для разработки принципиально новых средств ранней диагностики заболеваний, но и продвинутых средств направленной и контролируемой доставки лекарственных препаратов в заданные области организма с управляемой локальной активацией их высвобождения. Очевидно, что разработка новых подходов к решению проблемы целевой доставки лекарственных средств, которые бы обеспечивали максимальную эффективность, адресность и безопасность могла бы иметь прорывной характер для всей медицинской отрасли в целом и иметь значительный социальный и экономический эффект.