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 20-13-00358

НазваниеБескадмиевые нанокристаллы на базе сульфидов меди-индия и серебра-индия, люминесцирующие в видимой и ближней ИК-области с высокими квантовыми выходами флуоресценции (БесКадКвант)

РуководительНабиев Игорь Руфаилович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2020 г. - 2022 г. 

Конкурс№45 - Конкурс 2020 года «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 словаБескадмиевые нанокристаллы, коллоидный синтез, химическая инженерия, фотохимия, фотофизика, поверхностные лиганды, квантовые точки, однодоменные антитела, диагностика

Код ГРНТИ31.15.37


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Разработка биосовместимых функциональных наноматериалов для фотонных приложений стала одной из наиболее динамично развивающихся областей нанонаук и нанотехнологий, оказывающей значительное влияние на современную индустрию и жизнь общества в целом. Фотолюминесцентные (ФЛ) полупроводниковые нанокристаллы - квантовые точки (КТ) превосходят лучшие органические красители по целому ряду свойств, таких как высокие квантовые выходы (КВ) фотолюминесценции, особенно в видимой и ближней инфракрасной (ИК) области, и высокие молярные коэффициенты экстинкции. Они обладают исключительной фотостабильностью, способны генерировать большое количество спектрально различимых оптических кодов и, таким образом, являются перспективными инструментами сенсинга, визуализации и диагностики. В последнее время много усилий направлено на преодоление трудностей, связанных с практическим применением КТ. К ним относятся токсичность «классических» Cd-содержащих КТ; проблемы с воспроизводимостью синтеза высококачественных бескадмиевых КТ, с надежной количественной оценкой оптических свойств таких наноматериалов и устройств на их основе, особенно в ИК-области спектра. Эти недостатки являются основными препятствиями для практического использования уникальных фотофизических свойств КТ в индустрии и биомедицинских приложениях. В настоящее время, бескадмиевые КТ (CuInS2, AgInS2, InP и др.) все чаще рассматриваются в качестве альтернативы «классическим» КТ на основе Cd, как компонентам светоизлучающих и светособирающих систем, используемых, в частности, для диагностики, био-имэджинга и преобразования солнечной энергии. Для эффективного применения бескадмиевых КТ нового типа необходимо решить проблему их фотохимической и фотофизической стабильности. Однако, до настоящего времени сравнительные фотофизические, фотохимические и функциональные свойства бескадмиевых и Cd-содержащих КТ со сходными физическими и структурными характеристиками не становились предметом комплексного фундаментального исследования. Попытки создания прототипов перспективных диагностических систем, основанных на функционализированных распознающими молекулами бескадмиевых наночастицах также неизвестны. Проект БесКадКвант направлен на разработку экологичных фундаментальных подходов к синтезу бескадмиевых полупроводниковых КТ, получению высокоспецифичных к биомаркерам рака распознающих молекул — однодоменных антител (одАТ) — и разработке мультипараметрической платформы диагностики и визуализации на основе ориентированных конъюгатов бескадмиевых КТ и одАТ, специфичных к множественным онкологическим биомаркерам. Заключительным этапом проекта является предклиническая валидация прототипов диагностических систем нового поколения. Таким образом, главной целью проекта БесКадКвант является создание, с использованием методов коллоидного синтеза и химической инженерии, новой многопараметрической диагностической и имэджинговой платформы, основанной на бескадмиевых полупроводниковых КТ и одАТ, специфичных к биомаркерам онкозаболеваний. Конкретными задачами проекта БесКадКвант являются: (1) разработка методов воспроизводимого синтеза уникальных КТ сульфидов меди-индия (СМИ) и серебра-индия (ССИ) и их аналогов, допированных ионами Zn и Cu, люминесцирующих в видимой и ближней ИК-области с высокими квантовыми выходами флуоресценции; (2) сравнительная оценка оптических свойств и структурных параметров CМИ/ССИ-КТ, полученных в водной и органической фазах, а также аналогичных КТ на основе Cd; (3) сравнительное изучение фотохимической стабильности CМИ/ССИ-КТ в зависимости от условий облучения и химического окружения; (4) выбор поверхностных лигандов, усиливающих люминесценцию CМИ/ССИ-КТ и модулирующих перенос заряда между КТ и внешней средой; (5) разработка подходов к стабильной солюбилизации в биологических средах CМИ/ССИ-КТ и их аналогов, допированных Zn и Cu, люминесцирующих в ИК-области оптического спектра; (6) разработка и массовая наработка одАТ сверхмалого размера, специфичных к раковым биомаркерам HER2 и CEA; (7) выработка методологии ориентированной конъюгации одАТ с CМИ/ССИ-КТ, которая обеспечит высокую специфичность к мишеням и высокую чувствительность детекции; (8) разработка оптимальных процедур аналитической и спектроскопической характеризации полученных меток и биоконъюгатов с точки зрения яркости их ФЛ, функциональности и специфичности, с применением флуоресцентной спектроскопии и визуализации на уровне как ансамблей, так и отдельных частиц; (9) оценка диагностической эффективности и валидация конъюгатов одАТ-КТ с помощью иммунофлуоресцентного анализа, проточной цитометрии, а также регулируемой во времени многопараметрической одно- и двухфотонной визуализации замороженных и заключенных в парафин гистологических препаратов ретроспективных образцов опухолевой ткани. Таким образом, проект БесКадКвант охватывает разработку, усовершенствованный неорганический синтез, инженерно-химические методы создания, и характеризацию методами структурного и спектроскопического анализа бескадмиевых КТ нового типа и их биоконъюгатов с одАТ против биомаркеров онкозаболеваний, а также их экспериментальную валидацию с использованием клинических образцов. Реализация проекта создаст основу применения одАТ-конъюгатов бескадмиевых квантовых точек в диагностике онкозаболеваний с использованием методов иммуногистохимии и проточной цитометрии, а также в одно- и двухфотонном имэджинге опухолевых клеток и тканей. В результате реализации проекта БесКадКвант будет создано новое поколение безопасных в использовании диагностических нано-меток, требующих на порядок меньших количеств клинического материала для одновременной оценки целого ряда различных диагностических параметров. Результаты проекта будут иметь большое значение для практического применения бескадмиевых КТ не только в неинвазивной диагностике и био-имэджинге, но и в областях оптоэлектроники и фотовольтаики. Полученные экспериментальные данные будут использованы для создания теоретических основ разработки малотоксичных КТ на основе CМИ/ССИ с заданными фотохимическими и фотофизическими свойствами, что позволит оптимизировать размер, форму и состав поверхностных лигандов CМИ/ССИ-КТ для каждой из необходимых областей их применения. Таким образом, проект БесКадКвант является не только весьма актуальным, но и полностью соответствующим, по своему содержанию, сразу двум направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: - направлению Н1, в его части перехода к новым передовым технологиям, новым материалам и способам конструирования диагностических нанозондов нового поколения, а также - направлению Н3, в его части перехода к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, за счет создания прототипов более чувствительных диагностикумов онкозаболеваний на основе малотоксичных бескадмиевых наночастиц и высокоспецифичных распознающих молекул - однодоменных антител - создаваемых в рамках этого проекта.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта БесКадКвант ожидается получение следующих результатов: (1) методы высоковоспроизводимого синтеза уникальных малотоксичных бескадмиевых КТ сульфидов меди-индия (СМИ) и серебра-индия (ССИ) и их аналогов, допированных ионами Zn и Cu, люминесцирующих в видимой и ближней ИК-области с высокими квантовыми выходами флуоресценции (не ниже 60%); (2) механизмы фототушения и фоторазгарания люминесценции бескадмиевых КТ в коллоидных растворах; (3) методы повышения коллоидной и фотостабильности бескадмиевых КТ на основе СМИ/ССИ за счет измененеия состава их оболочки органических лигандов; (4) методы межфазного переноса и стабилизации малотоксичных бескадмиевых КТ в водной фазе, позволяющие сохранить квантовые выходы флуоресценции не ниже 50% и обеспечить фотостабильность и коллоидную стабильность наночастиц в условиях проведения стандартных диагностических тестов; (5) массовая наработка одАТ и высокоориентированных конъюгатов малотоксичных безкадмиевых КТ и одАТ, специфичных к раковым биомаркерам HER2 и CEA; (6) разработка оптимальных процедур аналитической и спектроскопической характеризации полученных меток и биоконъюгатов с точки зрения яркости их ФЛ, функциональности и специфичности, с применением флуоресцентной спектроскопии и визуализации на уровне ансамбля и отдельных частиц; (7) оценка эффективности и валидация прототипов диагностикумов на основе конъюгатов одАТ-КТ с помощью методов иммунофлуоресцентного анализа, проточной цитометрии, а также регулируемой во времени многопараметрической одно- и двухфотонной визуализации замороженных и заключенных в парафин гистологических препаратов ретроспективных образцов опухолевой ткани. Таким образом, проект БесКадКвант охватывает разработку, усовершенствованный химический синтез и характеризацию методами структурного и спектроскопического анализа бескадмиевых КТ нового типа и их нано-биоконъюгатов с одАТ против биомаркеров онкозаболеваний, а также их экспериментальную валидацию с использованием клинических образцов. Реализация проекта создаст основу применения одАТ-конъюгатов бескадмиевых квантовых точек в диагностике онкозаболеваний методами иммуногистохимии и проточной цитометрии, а также в одно- и двухфотонном имэджинге опухолевых клеток и тканей. В результате реализации проекта БесКадКвант будет создано новое поколение безопасных в использовании диагностических нано-инструментов, требующих на порядок меньших количеств клинического материала для одновременной оценки целого ряда различных диагностических параметров. Результаты проекта ДиаНаноКвант будут иметь мировой уровень, поскольку как его фундаментальное направление (разработка инженерных принципов создания малотоксичных безкадмиевых нанокристаллов с высоким квантовым выходом), так и прикладные исследования (создание прототипов новых диагностических средств на основе высокоориентированных конъюгатов безкадмиевых КТ и одАТ, специфичных к биомаркерам онкозаболеваний) – являются исключительно актуальными направлениями, а ведущие исполнители проекта вовлечены в действующие Международные коллаборации, осуществляющие исследования мирового уровня по избранной тематике. Этот факт позволит вовлечь молодых участников коллектива исследователей настоящего проекта в международную коллаборацию Европейской технологической платформы ”Полупроводниковые нанокристаллы”, руководимую профессором И.Р. Набиевым, а также проекта ICENAP (Integrated Computational Engineering, Characterization and Validation of Semiconductor Colloidal Nanocrystals with Advanced Properties), российские участники которой координируются ответственным исполнителем проекта БесКадКвант к.х.н. П.С. Самохваловым. Вследствие этого, результаты проекта БесКадКвант заложат основу для подготовки будущих мультидисциплинарных проектов мирового уровня.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Работы на первом этапе проекта «Бескадмиевые нанокристаллы на базе сульфидов меди-индия и серебра-индия, люминесцирующие в видимой и ближней ИК-области с высокими квантовыми выходами флуоресценции (БесКадКвант)» были посвящены синтезу высококачественных бескадмиевых квантовых точек (КТ) структуры ядро/оболочка, функционализации их поверхности различными органическими молекулами для получения водорастворимых образцов, исследованию коллоидной стабильности и фотостабильности полученных КТ, а также наработке образцов однодоменных антител (од-АТ), специфичных к двум распространённым маркерам рака молочной железы - HER-2 и CEA. Квантовые точки на основе тройных дихалькогенидов металлов являются перспективной заменой традиционным КТ на основе халькогенидов кадмия или свинца, т.к. обладают сопоставимыми физико-химическими свойствами (малыми размерами, настраиваемой фотолюминесценцией (ФЛ), высоким квантовым выходом ФЛ), и состоят из менее токсичных элементов I – III – VI групп, состава CuInS2 (СМИ) и AgInS2 (ССИ). Из-за низкой токсичности, такие КТ являются удобным материалом для создания биосовместимых систем для применения в медицине. Недостаточная распространенность трехкомпонентных КТ связана со сложностью синтеза, требующего уравновешивания трех химических реакций образования компонентов соединения, а также поверхности кристаллических частиц для получения однородных по составу и размеру КТ. На основе собственных разработок коллектива проекта была создана серия методик получения квантовых точек составов СМИ и ССИ и проведено сравнение свойств полученных образцов. В качестве основного метода получения таких КТ был использован коллоидный синтез в органической или водной средах. Для проведения синтеза в органической среде были использованы два типа растворителей: 1-окадецен, который является универсальным растворителем, используемым для синтеза наночастиц, и алкантиолы, которые выполняют одновременно несколько функций, выступая в роли растворителя, стабилизатора и источника серы, что позволяет значительно упростить состав реакционной смеси. В качестве источника индия, помимо коммерчески доступного ацетата индия, был также синтезирован ацетилацетонат индия, что позволило сократить объем реакционной смеси на 15 %, благодаря лучшей растворимости этого соединения. В качестве источника одновалентного металла для СМИ и ССИ выступал иодид меди или нитрат серебра, соответственно. Также, было проведено сравнение инжекционного и однорастворного метода синтеза ядер с точки зрения свойств получаемых КТ. Ключевым преимуществом однорастворного метода является возможность его масштабирования без потери качества получаемого ансамбля КТ. В результате, это позволило добиться получения КТ в граммовых количествах, в то время как инжекционная методика при средней загрузке позволяла получать лишь 0,2 г продукта за синтез. Таким образом, полученные по оригинальной методике квантовые точки составов СМИ и ССИ были сопоставимы по своим свойствам с мировыми аналогами бескадмиевых КТ, что свидетельствует о высоком качестве полученных образцов. Кроме этого, на этапе была разработана методика водного синтеза квантовых точек AgInS2. Использование водного синтеза позволило в одну стадию получать водорастворимые КТ, без стадии солюбилизации, что существенно упростило путь получения биосовместимых наночастиц. Было установлено, что среди коротких меркаптановых кислот, глютантион (GSH) показывает превосходную химическую стабильность к окислению и гидролизу, а также обеспечивает устойчивость наночастиц к агрегации. В результате, полученные водорастворимые AgInS2 КТ имели квантовый выход ФЛ от 3% до 7% и сохраняли коллоидную стабильность более 3 месяцев. Для повышения интенсивности ФЛ синтезированных образцов КТ, поверхность ядер покрывали защитной оболочкой сульфида цинка. Для подавления возможных побочных процессов роста новой фазы, было необходимо начинать реакцию формирования ZnS при минимальных температурах. Добавка 10% ксантогената цинка обеспечила терминирование поверхности ядер при температурах на 60 – 100 °С ниже чем стандартные температуры роста оболочки. В ходе дальнейшего нагрева происходила полная выработка ксантогената цинка, после чего, по достижению температуры 180 °С, начиналась реакция между менее реакционно способными прекурсорами. Дальнейшее медленное протекание реакции обеспечивало равномерный рост оболочки без образования отдельной фазы ZnS. Используя такую методику нам удалось добиться практически двухкраного повышения квантового выхода ФЛ, до 52%, для квантовых точек AgInS2/ZnS, и до 27% для КТ CuInS2/ZnS. Поскольку полученные в результате образцы КТ были не пригодны для стандартных методик солюбилизации из-за наличия додекантиола на поверхности, нами была разработана двухстадийная методика лигандного обмена додекантиола на олеиламин. На первом этапе проводили частичное замещение тиолов, путем обработки поверхности КТ избытком олеиламина, а далее наносили дополнительную оболочку ZnS минимальной толщины, в олеиламине в качестве основного растворителя. Эффективность такого подхода была подтверждена с помощью ИК-спектроскопии и успешной солюбилизацией полученных КТ методом лигандного обмена. Далее, нами были исследованы коллоидная стабильность и фотостабильность полученных образцов КТ при интенсивном облучении источником света с различной длиной волны возбуждения. Было показано, что использование низких энергий и интенсивностей облучения образцов не приводило к заметному тушению фотолюминесценции и нарушению коллоидной стабильности КТ. Повышение интенсивности облучения в 100 раз приводило к ощутимому снижению ФЛ при временах облучения до 30 мин, и смещению полосы люминесценции в красную область, что связано с появлением небольших агрегатов КТ. Длительное хранение растворов КТ в темноте не приводило к заметному снижению интенсивности ФЛ или укрупнению коллоидной дисперсий СМИ и ССИ КТ. Средний диаметр КТ в растворе не превышал 14 нм после 6 месяцев хранения. Получение результаты свидетельствуют, что полученные образцы КТ обладают высокой коллоидной и фотостабильностью в естественных условиях. Для биомедицинских приложений полученных КТ была разработана процедура переноса КТ в водную среду путем замены гидрофобных органических лигандов на водорастворимые. Двухстадийная методика замены лигандов позволила добиться повышения стабильности КТ в водной среде до нескольких месяцев, при сохранении минимального диаметра частиц. Кроме этого, на отчетном этапе были наработаны и охарактеризованы лоты однодоменных антител против двух наиболее распространённых маркеров рака молочной железы, которые на следующем этапе будут использоваться для функционализации лучших образцов водорастворимых КТ. Результаты проведенных исследований были опубликованы в трех статьях, две из которых – в высокорейтинговых журналах, относящихся к первому квартилю Q1 (WoS, Scopus) лучших мировых журналов: 1. D. Dovzhenko, V. Krivenkov, I. Kriukova, P. Samokhvalov, A. Karaulov, I. Nabiev (2020) Enhanced spontaneous emission from two-photon-pumped quantum dots in a porous silicon microcavity. Optics Letters, 45 (19), 5364. DOI: 10.1364/OL.400300. https://doi.org/10.1364/OL.400300. Q1. 2. G. Nifontova, V. Krivenkov, M. Zvaigzne, P. Samokhvalov, A. E. Efimov, O. I. Agapova, I. I. Agapov, E. Korostylev, S. Zarubin, A. Karaulov, . Nabiev, A. Sukhanova (2020) Controlling charge transfer from quantum dots to polyelectrolyte layers extends prospective applications of magneto-optical microcapsules. ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 32, 35882–35894. DOI: 10.1021/acsami.0c08715. https://doi.org/10.1021/acsami.0c08715. Q1. 3. И. С. Крюкова, В. А. Кривенков, П. С. Самохвалов, И. Р. Набиев. (2020) Слабая связь между светом и веществом в фотонных кристаллах на основе пористого кремния приводит к усилению флуоресценции квантовых точек при двухфотонном возбуждении. Письма в ЖЭТФ, 112 (9-10), 584 – 590. DOI: 10.31857/S1234567820210028. https://doi.org/10.31857/S1234567820210028.

 

Публикации

1. Довженко Д., Кривенков В., Крюкова И., Самохвалов П., Караулов А., Набиев И. Enhanced spontaneous emission from two-photon-pumped quantum dots in a porous silicon microcavity Optics Letters, 45, 19, p. 5364-5367 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1364/OL.400300

2. Крюкова И., Кривенков В., Самохвалов П., Набиев И. Слабая связь между светом и веществом в фотонных кристаллах на основе пористого кремния приводит к усилению флуоресценции квантовых точек при двухфотонном возбуждении Письма в ЖЭТФ, 112, 9, p. 584 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.31857/S1234567820210028

3. Нифонтова Г., Кривенков В., Звайгзне М., Самохвалов П., Ефимов А., Агапова О., Агапов И., Коростылев Е., Зарубин С., Караулов А., Набиев И., Суханова А. Controlling Charge Transfer from Quantum Dots to Polyelectrolyte Layers Extends Prospective Applications of Magneto-Optical Microcapsules ACS Applied Materials&Interfaces, 12, 32, p. 35882-35894 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acsami.0c08715

4. - ПРОЕКТ ЛАБОРАТОРИИ НАНО-БИОИНЖЕНЕРИИ ПО СОЗДАНИЮ МАЛОТОКСИЧНЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ ПОБЕДИЛ В КОНКУРСЕ РНФ Пресс-служба НИЯУ МИФИ, - (год публикации - )

5. - Проект нанозондов для поиска онкомаркеров победил в конкурсе Роснаучфонда ИА Красная Весна Информационное агентство "Красная весна", - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения работ второго этапа проекта был осуществлен поиск оптимальной структуры квантовых точек (КТ) структуры ядро/оболочка. В качестве потенциальных структур оболочки, позволяющих ожидать улучшения оптических свойств и фотостабильности КТ на основе CuInS2, были рассмотрены два варианта составных оболочек – CdS/ZnS и ZnSe/ZnS. Третий тип КТ, использованный в работах второго этапа проекта, аналогичен использованным ранее КТ состава CuInS2/ZnS, с «двойной» оболочкой ZnS, нанесенной в различных реакционных средах и и позволяющей осуществлять перенос КТ из органической в водную среду. Показано, что оба новых, разработанных на отчетном этапе, типа оболочек позволяют добиться делокализации возбужденных носителей зарядов между ядром и оболочкой и снизить интерфейсные напряжения на границе раздела фаз. В ходе синтеза экспериментальных образцов КТ CuInS2/ZnSe/ZnS была обнаружена интересная особенность – в ходе нанесения второго слоя оболочки ZnS, в обычных условиях, наблюдалось сильное падение квантового выхода флуоресценции (ФЛ) на средних и поздних стадиях формирования оболочки. Этот эффект был объяснен переносом дырок через формируемую оболочку ZnS в реакционную среду с переходом значительной части КТ в «серое» неизлучающее состояние. Обнаруженную проблему удалось решить путем экранирования реакционной смеси алюминиевой фольгой и проведением синтеза без внешнего освещения. В результате работ отчетного этапа были получены образцы КТ CuInS2/ZnS, CuInS2/CdS/ZnS и CuInS2/ZnSe/ZnS, имеющие квантовый выход (КВ) ФЛ в 43, 74 и 61%, соотвественно, измеренные относительно красителя крезила фиолетового (перхлорат). Продемонстрировано, что наилучшим КВ ФЛ обладают КТ состава CuInS2/ZnSe/ZnS, т.к. именно в этом случае обеспечивается градиентная локализация зарядов в ядре CuInS2 и минимизируются напряжения на интерфейсах. КТ с оболочкой содержащей слой CdS также обладают высоким значением КВ ФЛ, однако содержат в своем составе токсичный кадмий, что противоречит изначальной идее проекта о создании малотоксичных КТ для биомедицинских приложений. Согласно плану работ, были проведены исследования переноса зарядов в системе КТ на основе ядер CuInS2 и доноров и акцепоров электронов. Для проведения экспериментов был проведен перевод КТ в водные среды с помощью гидрофильного лиганда – тиогликолята натрия, имеющего достаточно малый физический размер и не препятствующего переносу зарядов. В качестве акцептора электронов было использовано производное акридина. Результаты экспериментов по исследованию динамики переноса зарядов показали, что все типы КТ подвергаются тушению ФЛ при добавлении к их растворам избытков акридинового производного. Наилучшую фотостабильность показали КТ состава CuInS2/ZnSe/ZnS, что может быть связано как с изначально более высоким значением КВ их ФЛ, так и с более выгодным, относительно КТ CuInS2/CdS/ZnS, экранирующим потенциалом внутреннего слоя оболочки. Также, нами были исследованы возможные механизмы тушения ФЛ квантовых точек на основе CuInS2. В присутствии доноров или акцепторов электронов и при условии возбуждения КТ фотонами с энергией, превышающей значение ширины запрещенной зоны (или в случае двухфотонного процесса) электрон может попасть на уровни, энергия которых находится выше дна зоны проводимости материала оболочки. В этом случае, в отсутствии акцептора электронов, электрон теряет часть избыточной энергии (охлаждается) и довольно быстро переходит на нижний возбужденный уровень, после чего рекомбинирует с дыркой, излучая фотон. Однако, в случае присутствии донора вблизи поверхности КТ, появляется вероятность непосредственного перехода электрона, что вызывает образование в КТ избыточной дырки и переход КТ в «темное» неизлучающее состояние. В случае присутствия в системе донора, перенос электрона на возбужденную КТ также возможен с образованием «серого» состояния, в котором КТ несет один избыточный электрон. При этом, перевод КТ в излучающее состояние обычно менее затратен, чем в случае «темных» КТ. Следует отметить, что на скорости переноса зарядов оказывают влияние как высота потенциальных барьеров, создаваемая неорганической оболочкой КТ, так и физическая ширина этого барьера. В этом случае, процесс тонкой оптимизации строения оболочки позволяет в некоторой степени контролировать фотоиндуцированное тушение ФЛ. Кроме того, оболочка лигандов также выступает в роли потенциального барьера для носителей зарядов, что позволяет предложить пути повышения фотостабильности КТ путем изменения состава оболочки лигандов. В данном случае, большее значение имеет именно толщина барьера (определяемая длиной молекулы лиганда), а не высота барьера, зависящая от типа полярной группы. Таким образом, на основании изученных закономерностей, для подавления тушения ФЛ донорами или акцепторами (которые могут присутствовать в небольших количествах в среде) для модификации поверхности КТ были отобраны лиганды, имеющие максимальную длину (алкильные фрагменты С16-С18 для органической среды, а именно ПЭГ с длиной цепи >4 мономеров для водной цепи). В соответсвии с планом работ, нами были изготовлены серии высокоориентированных и очищенных нанометок на основе лучших лотов КТ и од-АТ. Для конъюгации были использованы водорастворимые КТ нового типа CuInS2/ZnSe/ZnS, содержащие дополнительную оболочку ZnSe на поверхности ядра состава CuInS2 и характеризующиеся улучшенной фотостабильностью и коллоидной устойчивостью к аггрегации, а также полученные на предыдущем этапе работы рекомбинантные однодоменные антитела (од-АТ), распознающие онкомаркеры CEA и HER-2, содержащие дополнительный остаток цистеина в С-конце белковой цепи. В результате проведенной экспериментальной работы, в отчетном периоде были получены образцы высокоустойчивых водорастворимых КТ состава CuInS2/ZnSe/ZnS с контролирумым количеством функционально-активных NH2 групп на поверхности, для проведения реакции химического связывания с тиольными группами целевых антител. Для этого, поверхность КТ была модифицирована производными многофункциональных тиол-содержащих низкомолекулярных полимеров на основе ПЭГ, содержаших 12 остатков этиленоксида, алифатические гидрофобные цепи, включающие 8 атомов углерода, а также (-ОН) или аминогруппа (-NH2) на одном конце молекулы (со стороны ПЭГ-части молекулы) и тиольную группа (-SH) на другом конце молекулы (со стороны алифатической гидрофобной цепи). Для получения препаратов КТ, стабильных в реакционной смеси для конъюгирования с одАТ, было экспериментально отобрано сочетание полимеров: 10% SH-ПЭГ-NH2/90% SH-ПЭГ-OH. Анализ оптических свойств водорастворимых КТ продемонстрировал их неизменность после перевода в водную фазу, среднее значение дзета-потенциала полученных препаратов КТ составило + 3 mV, а средний гидродинамический диаметр полученных КТ, проанализированный с помощью метода динамического светорассеяния, составил 9,1 ±0.4 нм. Агрегатное состояние полученных препаратов КТ состава CuInS2/ZnSe/ZnS анализировали с интервалом 24 ч в течение 72 часов инкубации в буфере, используемом для реакции малеимидной активации поверхности КТ (0.1 M натрий-фосфатный буфер, рН 6.8) для оценки коллоидной стабильности в условиях реакции. Было показано, что гидродинамический диаметр КТ, определенный методом динамического светорассеяния, сохранялся постоянным, что свидетельствует о высокой агрегатной стабильности полученных водорастворимых препаратов КТ CuInS2/ZnSe/ZnS в условиях проведения реакции конъюгации с распознающими молекулами (Таблица 2). В соответствии с утвержденным планом работ в отчетном периоде были также изготовлены рабочие лоты высокоориентированных и очищенных нанометок на основе КТ состава CuInS2/ZnSe/ZnS с оптимизированными свойствами и полученных на предыдущем этапе работы рекомбинантных од-АТ, содержащих дополнительный остаток цистеина на С-конце белковой цепи и специфически распознающих целевые онкомаркеры CEA и HER-2. Для проведения химической ориентированной сшивки КТ и од-АТ, на первом этапе реакции проводили малеимидную активацию экспонированных NH2 групп на поверхности КТ с помощью кросс-линкера сульфо-СМСС. Очищенные КТ с активированными малеимидными группами на поверхности использовали в реакции химического связывания с од-АТ, содержащими реакционно-активные тиолы для высокоориентированной конъюгации. Таким образом, после проведения этапов связывания, остановки реакции и эффективной хроматографической очистки нами были получены препараты флуоресцентных нанометок, специфически распознающие онкомаркеры CEA и HER-2. Для изучения возможности использования бескадмиевых нанометок, распознающих онкомаркеры CEA и HER-2 для специфической иммунодетекции in vitro нами была проведена апробация полученных образцов конъюгатов КТ состава CuInS2/ZnSe/ZnS и од-АТ в иммунофлуоресценых приложениях. Для проведения экспериментов использовали клетки, экспрессирующие целевые антигены (HER2 и СЕА): клетки линии аденокарциномы молочной железы человека SK-BR-3 (HER2+) и клетки линии крупноклеточной карциномы легкого человека H460 (СЕА+); а также контрольные клетки, негативные по экспресии HER2 и CEA : клетки линии метастазирующей карциномы молочной железы человека MDA-MB-231 (HER2-) и клетки линии аденокарциномы прямой кишки человека Colo-320 DM (СЕА-). Таким образом, была проанализирована способность полученных нанометок распознавать соответствующий антиген на поверхности клеток. Показано, что полученные конъюгаты эффективно и специфично связываются с целевыми антигенами HER2 и СЕА, экспрессированными на поверхности раковых клеток, что свидетельствует о наличии интактного и доступного активного центра од-АТ в составе нанометок. На основании полученных результатов, за отчетный период было опубликовано 8 научных работ в изданиях, цитируемых в базе данных Web-of-Science, включая 5 работ в журналах категории Q1 (что эквивалентно, согласно правилам РНФ, 10-ти статьям в изданиях не относящимся к категории Q1), две статьи в изданиях не входящих в категорию Q1, и одна монография.

 

Публикации

1. Бугаков М.А., Самохвалов П.С., Шибаев В.П., Бойко Н.И. Hybrid fluorescent cholesteric materials with controllable light emission containing CdSe/ZnS quantum dots stabilized by liquid crystalline block copolymer. Optical Materials Express, 11, 7/1, p.1842-1851. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1364/OME.426659

2. Довженко Д., Леднев М., Мочалов К., Васкан И., Самохвалов П., Ракович Ю., Набиев И. Strong exciton−photon coupling with colloidal quantum dots in a tuneable microcavity Applied Physics Letters, 119, 011102, p. 011102-1-011102-6 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1063/5.0047146

3. Калениченко Д., Нифонтова Г., Караулов А., Суханова А., Набиев И. Designing Functionalized Polyelectrolyte Microcapsules for Cancer Treatment Nanomaterials, 11, 3055, p. 1-14 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/nano11113055

4. Калениченко Д., Нифонтова Г., Суханова А., Набиев И. Design and characterisation of calcium carbonate microspheres for anticancer drug delivery Journal of Physics: Conference Series, 2058, 012009, p. 1-5 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2058/1/012009

5. Крюкова И., Самохвалов П., Набиев И. Near‑infrared photoluminescent hybrid structures based on freestanding porous silicon photonic crystals and PbS quantum dots Applied Nanoscience, 2021, p. 1-6 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1007/s13204-021-02055-4

6. Линьков П., Самохвалов П., Барышникова М., Ларонце-Кохард М., Сапи Ж., Караулов А., Набиев И. Conjugates of Ultrasmall Quantum Dots and Acridine Derivatives as Prospective Nanoprobes for Intracellular Investigations Nanomaterials, 11, 2160, p. 1-15. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/nano11092160

7. Нифонтова Г., Кривенков В., Звайгзне М., Ефимов А., Коростылев Е., Зарубин С., Караулов А., Набиев И., Суханова А. Nanoparticle-Doped Hybrid Polyelectrolyte Microcapsules with Controlled Photoluminescence for Potential Bioimaging Applications Polymers, 13, 4076, p. 2-12 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/polym13234076

8. Суханова А., Рамос-Гомес Ф., Чеймс П., Соколов П., Бати Д., Алвес Ф., Набиев И. Multiphoton Deep-Tissue Imaging of Micrometastases and Disseminated Cancer Cells Using Conjugates of Quantum Dots and Single-Domain Antibodies Multiplexed Imaging Methods and Protocols (Editor Eli Zamir Department of Cellular Biophysics Max Planck Institute for Medical Research Stuttgart, Baden-Wu¨rttemberg, Germany), Chapter 8, 2350, p.105-123 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1007/978-1-0716-1593-5_8


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Основная часть систетических работ на третьем этапе проекта была направлена на препаративный синтез квантовых точек (КТ) CuInS2/ZnSe/ZnS с двойной оболочкой, оценку воспроизводимости разработанной масштабированной методики и выбор оптимальных оболочек органических лигандов для использования КТ в органической или водной средах. Основное отличие методики синтеза КТ от использованных ранее подходов – это исполнение синтеза в препаративных количествах, для чего был использован химический реактор с верхнеприводной механической мешалкой. Разработанная и использованная для синтеза методика позволяет воспроизводить с высокой точностью спектральные характеристики КТ от синтеза к синтезу, и, кроме того, позволяет получать образцы КТ общей массой до 2 г за один синтез. Таким образом, можно заключить, что задача разработки методики препаративного синтеза малотоксичных КТ на основе сульфида меди-индия была успешно выполнена. Важными задачами данного этапа проекта было воспроизведение и оптимизация солюбилизации и биофункционализации полученных образцов бескадмиевых КТ после масштабирования. В качестве первичного лиганда был использован DL-цистеин. Исходные КТ после синтеза характеризовались гидродинамическим диаметром около 9,9 нм с узким распределением по размерам. После обработки DL-цистеином гидродинамический диаметр основной фракции нанокристаллов увеличился до 20 нм, и при этом значительная часть КТ образовала довольно крупные агрегаты с размером порядка 200 нм. Такой эффект вызван тем, что молекулы цистеина (или другого относительного короткого бифункционального тиола) не полностью заменяют исходные гидрофобные лиганды, и присутствие последних на поверхности гидрофилизированных КТ может существенно снизить коллоидную стабильность нанокристаллов. Кроме того, в относительно нейтральных средах цистеин может образовать цвиттер-ион, что может приводить к электростатическому взаимодействию между КТ и их агрегации. Решить обе проблемы позволяет последующая замена коротких тиолсодержащих лигандов на более длинные молекулы – многофункциональные тиолы, содержащие в своей структуре фрагмент полиэтиленгликоля (ПЭГ). В качестве модельных лигандов нами была использована смесь тиол-содержащих многофункциональных низкомолекулярных полимеров на основе ПЭГ, содержащих в своей структуре 12 остатков этиленоксида, алифатическую гидрофобную цепь, включающую 8 атомов углерода, а также функциональные концевые группы для прочного связывания с поверхностью КТ, обеспечения долговременной коллоидной стабильности КТ и ковалентного связывания с биомолекулами для получения нанометок. В результате второй замены цистеиновых лигандов на смесь двух многофункциональных молекул ПЭГ с концевыми гидроксильными и аминогруппами удалось достичь величины гидродигнамического диаметра КТ в водной среде, близкого к таковому в органической. Кроме того, использование лигандов на основе ПЭГ позволило достичь высокой долговременной коллоидной стабильности раствора. Было показано, что КТ, стабилизированные лигандами на основе производных ПЭГ сохраняют высокую стабильность в течение по крайней мере 2 месяцев. Таким образом, нами было продемонстрировано, что КТ на основе сульфида меди-индия, полученные с помощью разработанных методик масштабирования химического синтеза, успешно солюбилизируются с помощью указаной смеси производных ПЭГ и могут сохранять достаточную коллоидную стабильность для получения нанометок на их основе. Отдельный интерес представляет исследование влияния процесса межфазного переноса КТ CuInS2/ZnSe/ZnS на их оптические свойства. Для оценки эффекта межфазного переноса нами были проведены исследования изменений значений среднего времени затухания флуоресценции (ФЛ) КТ. Среднее время жизни ФЛ КТ в органической среде составляло 288,4 нс, в то время как после переноса их водную среду и стабилизации их ПЭГ-содержащими лигандами эта величина снизилась до 225,4 нс. Это позволяет сделать заключение, что падение КВ ФЛ при межфазном переносе составило не более 22% относительно исходной величины. Данное наблюдение свидетельствует о том, что полученные КТ, обладающие гидрофильной поверхностью, сохраняют высокую фотостабильность и могут быть использованы для синтеза нанометок на их основе с целью дальнейшего использования для флуоресцентной визуализации в биологических приложениях. Одной из важных задач этапа проекта было исследование цитотоксичности полученных бескадмиевых КТ с целью выяснения безопасного для дальнейших применений концентрационного диапазона. По результатам эксперимента были получены кривые зависимости выживаемости клеток линии нормальных фибробластов легкого человека Wi-38 от концентрации добавленных к ним КТ. Таким образом, были охарактеризованы цитотоксические свойства исследуемых КТ. На основе полученных кривых были получены данные по ингибирующей концентрации ИК50 – концентрации КТ, при которой погибает 50% от пула клеток, на который было произведено токсическое воздействие. Таким образом, значение ИК50 водорастворимых КТ через 24 ч инкубации составила 0,060 мг/мл, а через 48 ч – 0,048 мг/мл. В соответствии с утвержденным планом работ в отчетном периоде были изготовлены рабочие лоты высокоориентированных и очищенных нанометок на основе КТ состава CuInS2/ZnSe/ZnS с оптимизированными после масштабирования свойствами и полученных на предыдущем этапе работы рекомбинантных од-АТ, содержащих дополнительный остаток цистеина на С-конце белковой цепи и специфически распознающих целевые онкомаркеры CEA и HER-2. Экспериментальные условия получения конъюгатов были подобраны таким образом, чтобы получить не менее 3 мг/лот конечного продукта. В соответствии с планом работ разброс концентраций полученных лотов конъюгатов составил 3,2 мг- 3,7 мг/лот. Для изучения возможности использования бескадмиевых нанометок, распознающих онкомаркеры CEA и HER-2 для специфической иммунодетекции in vitro нами была проведена апробация полученных образцов конъюгатов бескадмиевых КТ CuInS2/ZnSe/ZnS и од-АТ с помощью проточной цитофлуориметрии. Результаты функционального тестирования полученных нанометок в проточной цитофлуорометрии показали высокую степень связывания нанометки, распознающей онкомаркер HER2, с рецептором HER2 на поверхности клеток линии карциномы молочной железы человека SK-BR-3; и нанометки, распознающей онкомаркер CEA, с рецептором CEA на поверхности клеток линии аденокарциномы толстой кишки человека Сасо-2. Также на третьем этапе работы по проекту была проведена апробация нанометок на основе ориентированных конъюгатов водорастворимых бескадмиевых КТ CuInS2/ZnSe/ZnS и одАТ, распознающих онкомаркеры HER2 и CEA, для визуализации раковых клеток и тканей. Для проведения исследований с помощью разработанных нанометок, использовали модельные клеточные линии, экспрессирующие целевые онкомаркеры: линию клеток карциномы молочной железы человека SK-BR-3 (экспрессирующую HER2) и линию клеток аденокарциномы толстой кишки человека Caco-2 (экспрессирующую CEA); а также парафинированные срезы биоптатов тканей HER2+ рака молочной железы человека. Показано, что полученные конъюгаты эффективно и специфично связываются с целевыми антигенами HER2 и СЕА, экспрессированными на поверхности раковых клеток, что свидетельствует о наличии интактного и доступного активного центра одАТ в составе нанометок, а также возможности использования полученных нанометок для специфической иммунофлуоресцентной визуализации раковых клеток и тканей. На основании полученных результатов, коллективом проекта за отчетный период была опубликована 1 научная работа в международном издании, цитируемом в базах данных Web-of-Science и Scopus, относящемся к категории Q1 (что эквивалентно, согласно правилам РНФ, двум статьям в изданиях не относящимся к категории Q1). Также, на основании полученных результатов было подготовлено четыре устных доклада на международных конференциях.

 

Публикации

1. Нифонтова Г., Цой Т., Караулов А., Набиев И., Суханова А. Structure–Function Relationships in Polymeric Multilayer Capsules Designed for Cancer Drug Delivery Biomaterials Science, 2022,10, 5092-5115 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1039/D2BM00829G


Возможность практического использования результатов
Предполагается, что методы, материалы и технологии, созданные и освоенные в процессе выполнения проекта БесКадКвант будут востребованы как исследовательскими лабораториями, так и индустрией. В частности, методы синтеза малотоксичных квантовых точек смогут найти применение как в исследовательских лабораториях, так и при создании флуоресцентных меток для химических и биофармацевтических компаний. Кроме этого, в проекте разрабатываются «зеленые», энергосберегающие технологии выокоэффективного синтеза флуорофоров высокой яркости. Таким образом, результаты междисциплинарного проекта БесКадКвант смогут быть использованы в осуществлении хозяйственной деятельности предприятий РФ, специализирующихся на использовании флуорофоров в производимой ими продукции.