Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на создание нанокомпозитных контейнеров для адресной доставки лекарств на основе магнитных наночастиц (МНЧ) и металл-органических координационных полимеров (МОКП), функционализированных биологически активными веществами (БАВ), а также покрытыми полимерными оболочками (ПО). Важной частью проекта является исследование физико-химических свойств и установление фундаментальных взаимосвязей структуры и свойств нанокомпозитов. В ходе первого года выполнения проекта был обновлён и дополнен обзор современного состояния научной проблемы, который показал активное развитие адресной доставки препаратов на основе наноконтейнеров на базе МОКП. В рамках выполнения проекта была проведена оптимизация методик синтеза МОКП UiO-66, UiO-66-NH2, MOF-801, MIL-88a и MIL-100 с целью получения наночастиц с высокой пористостью. Для MIL-88a был выбран микрофлюидный синтез в воде при комнатной температуре с использованием фумарата натрия в качестве источника фумарат-ионов и уксусной кислоты для контроля скорости кристаллизации. Разработанный в ходе выполнения проекта микрофлюидный синтез позволил нам получить высококристалличные образцы MIL-88a при комнатной температуре в воде. Согласно данным порошковой рентгеновской дифракции, все образцы представляют собой однофазные материалы со структурой MIL-88a. Было исследовано влияния добавки уксусной кислоты на размер и морфологию кристаллов. Используя данные просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) было определено оптимальное количеством уксусной кислоты, позволяющее получить наночастицы MIL-88a. Также было изучено влияние добавки уксусной кислоты на дефектность и пористость получаемых материалов. Для синтеза MIL-100 были использованы две методики – гидротермальный и микроволновый синтезы. Мы использовали гидротермальный метод, варьируя прекурсор железа и, соответственно, добавку минеральных кислот. Также оптимизировалось время синтеза. Как альтернативный метод был использован синтез MIL-100 в микроволновом реакторе. Этот метод не только позволяет ускорить процесс синтеза, но как правило, позволяет уменьшить размер частиц. Нами были оптимизированы такие параметры как время нагрева и количество добавок – азотной и плавиковой кислот, лейцина. Так по результатам анализа, полученных образцов MIL-100, с помощью ИК-спектроскопии, рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии, было выявлено, что образец синтезированный сольвотермальным методом синтеза обладает высокой кристалличностью, дифрактограмма полностью совпадает с ранее опубликованными данными и большим размером кристаллитов порядка 700 нм. При этом образец, синтезированный микроволновым методом, обладает меньшей кристалличностью и размером кристаллитов порядка 100-300 нм. Таким образом для дальнейшей оптимизации был выбран микроволновый метод синтеза. В качестве модулятора синтеза с целью замедлить скорость реакции и избежать агрегации кристаллитов образца использовалась уксусная кислота или смесь фтороводородной и азотной кислоты. Таким образом была получена линейка образцов, синтезированных микроволновым методом с уксусной кислотой с различной длительностью синтеза. Полученные образцы были исследованы всесторонне охарактеризованы и выбран оптимальный синтез, позволяющий получить наночастицы MIL-100 с высокой пористостью. Данный образец был далее использован для функционализации лейцином и проведения исследования цитотоксичности. Нами были выбраны МОКП с тремя вариантами линкеров – терефталевой (BDC), аминотерефталевой (BDC-NH2) и фумаровой (FC) кислотами. Данные МОКП были получены сольвотермальным синтезом в ДМФА. Мы использовали бензойную кислоту как модулятор при синтезе UiO-66 и UiO-66-NH2 и уксусную кислоту для синтеза MOF-801. Для сравнения были получены аналоги без использования модулятора. В соответствии с данными порошковой рентгеновской дифракции все полученные МОКП представляют собой однофазные материалы со структурой, соответствующей описанным ранее в литературе. Также с помощью ТГА было показано, что при отсутствии модулятора образцы имеют меньшую потерю веса, чем предзаказано теоретически. Это может быть связано с тем, что в отсутствии модулятора прямое взаимодействие ионов циркония с линкером приводит к образованию большого числа зародышей и быстрому росту кристаллов и способствует образованию дефектов. При этом синтез с добавлением 10 экв. модулятора (бензойной кислоты в случае с UiO-66 и UiO-66-NH2 и уксусной в случае MOF-801) позволяет получить структуру близкую к идеальной. Более того, материалы, полученные с добавлением модуляторов, имеют больший доступный объем пор (по данным адсорбции азота) и меньший размер частиц (по данным ПЭМ). Таким образом методика синтеза была оптимизирована и для дальнейшей функционализации молекулами биологически-активных веществ (БАВ) были отобраны МОКП, полученные с добавкой модулятора. Для функционализации МОКП молекулами БАВ было использовано две методики: добавка БАВ в ходе синтеза и пост-синтетическая обработка образцов раствором БАВ. Для загрузки MIL-100 лейцином было использовано оба метода, которые показали себя удачными. На ИК-спектрах образцов после загрузки в них лейцина появились новые пики, которые можно отнести к колебаниям связей в лейцине. Для того, чтобы доказать внедрение молекул лейцина в структуру МОКП, были использованы методы ТГА и ДСК. Было проведено сравнение кривых, полученных от образцов МОКП, пост-синтетически функционализированных лейцином, и от механической смеси МОКП и лейцина. Разная форма кривых позволяет говорить о внедрении молекул БАВ в структуру МОКП. В случае с UiO-66 были проведены эксперименты по введению БАВ в ходе синтеза. Введение БАВ приводит к нарушению процесса кристаллизации UiO-66. Добавка дихлорацетата натрия увеличивает pH реакционной среды, что ускоряет процесс зародышеобразования и правильная кристалличная фаза UiO-66 не успевает сформироваться. Прямое введение лейцина в качестве модулятора также приводит к формированию аморфной фазы, так как лейцин имеет две функциональный группы – NH2- и COOH-. С одной стороны аминогруппы молекул лейцина могут образовывать водородные связи с карбоксильными группами линкера. С другой стороны карбоксильные группы лейцина могут взаимодействовать с ионами циркония. Это нарушает процесс кристаллизации и не позволяет сформироваться правильной кубической структуре. Для того, чтобы обойти эту особенность, был разработан метод введения лейцина в ходе синтеза в два этапа. На первом этапе лейцин взаимодействовал с раствором линкера, а затем модифицированный линкер вводился для синтеза МОКП. Однако этот метод привел к формированию материала с кристаллической структурой отличной от UiO-66. Пост-синтетическая фунционализация циркониевых МОКП показала себя оптимальным вариантом. Для экспериментов были отобраны три вида МОКП – UiO-66, UiO-66-NH2 и MOF-801. Все они обрабатывались раствором лейцина. При этом оптимизировалось время обработки. Полученные материалы имели структуру UiO-66 даже после длительной обработки раствором лейцина (73 ч), при этом наличие лейцина в порах МОКП было доказано ИК-спектроскопии. Часть полученных образцов были отобраны для проведения исследования цитотоксичности. Вообще говоря, для образов группы MIL-88a (1:1:0,5) ожидалась низкая цитотоксичность. Однако, полученные результаты показали относительно высокую токсичность, что может свидетельствовать о влиянии модуляторов на выживаемость. Более высокую выживаемость клеток показали наночастицы MIL-100 (MW-1), причем наноконтейнеры загруженные лейцином показали меньшую цитотоксичность по сравнению наночастицами без загрузки MIL-100 (PS-4). Стоит отметить, что группы образцов цирконевых МОКП показали незначительное влияние на выживаемость клеток, с наибольшим снижением для группы UiO-NH2 10BA. Информация о выполнении проекта доступна на сайте: http://nano.sfedu.ru/ru/research/grants/rnf-mof-adresnaya-dostavka-lekarstv/

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Пористые наночастицы помогут эффективнее доставить лекарства длительного действия Российские химики получили наноконтейнеры для лекарств из металлоорганического материала на основе циркония и терефталевой кислоты. Они могут долго удерживать лекарство из-за оптимального размера и пористости, а также нетоксичны для клеток. Свою разработку исследователи успешно протестировали на культуре клеток с помощью лейцина — аминокислоты, которая не синтезируется в клетках животных и должна поступать извне. Результаты работы, поддержанной Президентской программой Российского научного фонда, опубликованы в высокорейтинговых журналах: журнале Inorganic Chemistry (Q1) и International Journal of Molecular Sciences (Q1). «Наши результаты могут быть использованы для создания лекарственных средств пролонгированного действия. Например, это нужно для препаратов, которые блокируют рост опухоли. Если концентрация вещества высока только после введения, а затем падает, раковые клетки могут продолжать делиться. Препарат, помещенный в пористые носители, высвобождается в организме порциями в течение длительного времени. Это может повысить его биодоступность и усилить терапевтический эффект», — комментирует руководитель проекта, кандидат химических наук Вера Бутова, заведующая научной лабораторией Международного исследовательского института интеллектуальных материалов Южного федерального университета (ЮФУ, Ростов-на-Дону). Чтобы эффективно доставлять лекарства, наночастица должна обладать рядом уникальных свойств: быть стабильной внутри организма, иметь определенный размер и много пор. При этом желательно, чтобы размер пор можно было изменять при синтезе, так как от него зависит длительность удерживания лекарства. Наночастицы на основе металлорганических материалов имеют все перечисленные свойства. Во-первых, они термостойкие и не разрушаются в большинстве растворителей. Устойчивость к экстремальным условиям обеспечит стабильность и внутри организма пациента. Во-вторых, размер таких частиц и пористость можно контролировать при синтезе путем добавления нужного количества молекулы-модулятора, например бензойной кислоты. Модулятор замедляет рост кристаллов полимера и увеличивает доступность пор. В своем исследовании ученые разработали метод получения пористых наночастиц. Они подобрали оптимальные соотношения солей металла циркония и различных кислот так, чтобы наночастицы получились оптимального размера 30-60 нанометров и при этом с высокой пористостью. Такой размер необходим для эффективной доставки лекарств в организме, тогда как пористость важна для эффективного удержания вещества и медленного его высвобождения. Дело в том, что чем больше пор, тем больше поверхность взаимодействия с препаратом и тем дольше отдельная молекула может «путешествовать» по этим порам. При этом ученые отмечают, что такие наноконтейнеры не токсичны для клеток: добавление в среду полученных частиц и выдерживание с ними 24 часа не повлияло на дальнейший рост культуры клеток. Химики отработали методику загрузки наноконтейнеров на примере лейцина — незаменимой аминокислоты, использующуюся в виде пищевой добавки в спорте. Эта аминокислота имеет две метильные группы –CH3, которые часто встречаются и в различных лекарственных препаратах. Ученые использовали комплекс современных физико-химических методов и компьютерное моделирование, чтобы определить механизм взаимодействия аминокислоты с носителем. Методом инфракрасной спектроскопии, которая определяет частоты колебаний, в том числе и колебаний метильных групп, они показали, что за удержание лейцина в порах капсулы отвечают именно –CH3. Связывание происходит из-за гидрофобного взаимодействия метильных групп аминокислоты и бензольных колец металлорганического каркаса. Благодаря такому механизму контейнер сможет удерживать не только лейцин, но и другие молекулы. «Для загрузки в пористые контейнеры будут использованы и другие препараты. Данные, полученные из работы с лейцином, помогут предсказать вероятный путь их взаимодействия с каркасом. В настоящий момент на клетках уже проведено исследование возможности доставки доксорубицина — противоопухолевого антибиотика. Кроме того, сейчас мы обсуждаем совместное исследование с ростовским онкоинститутом о возможности доставки противоопухолевых препаратов разработанными пористыми контейнерами, — поясняет Вера Бутова. — Следующим этапом исследования будет создание композитных средств доставки лекарств, сочетающих пористые полимеры с магнитными частицами. Так можно будет накапливать контейнеры в нужных областях организма, воздействуя на них постоянным магнитным полем, а затем высвобождать лекарство при местном нагревании наночастиц в переменном магнитном поле».

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Пролонгированный релиз препарата позволяет снизить побочные эффекты и увеличить эффективность лечения. В ходе выполнения проекта нами были получены наночастицы МОК UiO-66 и UiO-66-NH2. Эти высокопористые нетоксичные материалы могут быть носителями для биологически активных веществ. Пористые наночастицы МОК были покрыты оболочкой из мезо-пористого диоксида кремния. После этого на композит наносили конъюгат Pluronic F-127 и фолиевой кислоты. Мы загрузили носители противоопухолевым препаратом для химиотерапии - доксорубицином. Очень важно, чтобы оболочка из диоксида кремния не мешала высвобождению лекарственного средства. Мы использовали синтезированные композиты для оценки in vitro, включая исследования интернализации в клетки и противоопухолевой активности. Мы обнаружили, что полученные композиты были сконцентрированы в клетках рака молочной железы MCF-7, которые имеют сверх экспрессию рецепторов фолиевой кислоты на клеточных мембранах. Таким образом, эти результаты обеспечат эффективную систему доставки доксорубицина с пролонгированным высвобождением и целенаправленным действием. В ходе дальнейших исследований нами был подобран оптимальный состав МОК, позволяющий быстро сформировать оболочку оксида кремния без потери микропористой природы ядра. Мы использовали ряд органических молекул – линкеров. Были подобраны длина и функциональные группы, не позволяющие оксиду кремния формироваться в порах МОК, но способствующие формированию пористой оболочки на поверхности частицы. Таким образом были получены наночастицы МОК типа UiO-66, содержащие в качестве линкеров терефталевую и 1,4-нафталиндикарбоновую кислоты. Покрытие толщиной в 15 нм было сформировано за час инкубации с тетраэтокисиланом, при этом материал практически полностью сохранил доступность микропор. Были также проведены работы по модификации наночастиц UiO-66, покрытых полиэтиленгликолем, флюоресцентной меткой Cy5.5. Это позволит отслеживать распределение наночастиц в организме с помощь систем для in vivo визуализации типа IVIS. Данные результаты крайне перспективны и будут дополнительно изучены. В ходе реализации проекта нами был разработан электрохимический метод получения композитных материалов для адресной доставки лекарств. Полученный материал содержит металлоорганический каркас MIL-88a на основе железа и наночастицы γ-Fe2O3. MIL-88a является пористой капсулой для загрузки биологически-активных веществ, в то время как наночастицы γ-Fe2O3 обеспечивают магнитный отклик для адресного накопления капсул в нужном месте и последующего высвобождения препарата в ходе нагрева переменным магнитным полем. Предлагаемый электрохимический синтез обладает рядом существенных преимуществ. (i) Композит был получен при комнатной температуре и без токсичных растворителей. (ii) Нанокристаллы MIL-88a имели ромбовидную форму, нетипичную для синтеза на водной основе. Такая форма кристаллов предпочтительна для биологического применения МОК (iii) Композит можно получить в ходе одностадийного процесса. Мы использовали ряд современных методов характеризации, включая синхротронный XANES и мессбауэровскую спектроскопию, для подробного описания свойств и строения полученного материала. Нами также был получен композитный материал, содержащий магнитное ядро из наночастиц γ-Fe2O3, покрытое пористой оболочкой MIL-100. Для этого на первом этапе была разработана и оптимизирована электрохимическая методика получения магнитных наночастиц γ-Fe2O3. Для того, чтобы контролировать размер и морфологию получаемых магнитных частиц, мы варьировали состав растворителя и расстояние между электродами. Так было показано, что наиболее монодисперсные частицы формируются при электрохимическом синтезе на постоянном магните. Вероятно, это связано с быстрым удалением формирующихся магнитных зародышей из реакционной среды. Эти частицы были отобраны в качестве ядра для создания композита. Покрытие MIL-100 проходило по схеме послойного нанесения. Сначала ядро обрабатывалось источником ионов железа, затем промывалось и обрабатывалось раствором линкера. Было обнаружено, что 10 полных циклов позволяют получить пористую оболочку толщиной 30-80 нм. Таким образом, в ходе выполнения проекта были получены перспективные результаты, которые могут быть использованы для создания пористых контейнеров для адресной доставки лекарств. В частности, были получены пористые наночастицы семейства UiO-66, покрытые мезопористой оболочкой оксида кремния для пролонгированного релиза доксорубицина. В этом случае адресность обеспечивали векторные молекулы фолиевой кислоты, позволяющие сконцентрировать наночастицы в тканях рака молочной железы. Также были получены два композита с МОК на основе железа. В обоих случаях для обеспечения адресности и контролируемого релиза использовали магнитные наночастицы.