КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-64-46003

НазваниеВысококонтрастные флуоресцентные микросенсоры в диагностике стрессовых состояний гидробионтов in vivo в реальном времени

РуководительТимофеев Максим Анатольевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет", Иркутская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2020 - 2022 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (ведущие ученые)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-103 - Гидробиология и ихтиология

Ключевые словаапконверсионные частицы, флуоресцентные сенсоры, микрокапсулы, экспресс-диагностика, in vivo, стресс, стресс-адаптация, экологический мониторинг

Код ГРНТИ62.00.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Передовым направлением в области современных технологий мониторинга состояния живых организмов является применение методов прижизненной оценки их внутренних физиологических параметров. За датчиками и устройствами, позволяющими осуществлять непрерывный физиологический мониторинг in vivo, скрыт большой потенциал использования в самых разнообразных областях от экологического мониторинга и фундаментальной физиологии животных, до биомедицинских и агропромышленных разработок. Ранее в рамках выполнения проекта РНФ (2015-2017 гг.) нами была разработана технология применения одного из перспективных типов имплантируемых оптических микросенсоров — инкапсулированных флуоресцентных красителей для определения стрессовых состояний организма in vivo. Данные методики с использованием инкапсулированных флуоресцентных красителей позволили не просто динамически отслеживать физиологические показатели организма, но и проводить такую диагностику одновременно в разных органах и частях тела, что открывает перспективы развития технологий 3D-сканирования физиологических параметров. Кроме того, с использованием инкапсулированных флуоресцентных красителей удалось с большой степенью точности отслеживать физиологические показатели в отдельных органах и тканях небольших животных размером менее миллиметра. Измерения такого типа ранее были трудновыполнимы, хотя имеют большое значение для разных отраслей науки и промышленности, в том числе требующих проведения масштабного биотестирования. В то же время, было установлено, что при использовании простых инкапсулированных флуоресцентных красителей появляется и ряд принципиальных ограничений, в частности, возникает проблема фоновой автофлуоресценции тканей, затрудняющей получение сигнала. Перспективным способом решения этой и других проблем является инкапсулирование флуоресцентных красителей совместно с апконверсионными микрочастицами. Апконверсионные частицы — это уникальные антистоксовские люминофоры, возбуждаемые в инфракрасном диапазоне и излучающие в видимом спектре. При совместном инкапсулировании с флуоресцентными красителями данные частицы могут быть использованы в качестве локального источника света, напрямую возбуждающего флуоресцентный краситель, что позволяет полностью исключить фоновую автофлуоресценцию тканей при получении оптического сигнала. Одними из наиболее актуальных направлений использования имплантируемых оптических сенсоров являются экологический мониторинг и экспресс-диагностика физиологических состояний гидробионтов. Наибольшие перспективы их применения открываются для мониторинговой оценки уникальных эндемичных сообществ древних экосистем, в первую очередь экосистемы озера Байкал. Связано это с тем, что при мониторинговых исследованиях древних экосистем необходимо принимать во внимание специфику эндемичных организмов, накладывающую существенные ограничения на возможность применения стандартных методов и подходов. Эндемичные виды узко адаптированы к условиям обитания того или иного водоёма, а их характеристики, в силу особенностей эволюционного развития, часто имеют отличия от таковых у модельных организмов. В настоящее время литоральная зона озера Байкал сталкивается с существенными экосистемными рисками, которые обусловлены как влиянием глобальных климатических изменений и наблюдаемым потеплением вод, так и непрерывным ростом антропогенного воздействия на озеро. Доминирующее население литорали — уникальные эндемики с высокой степенью специализации, и они особенно чувствительны к изменениям условий среды обитания, что требует особого подхода к организации экологического мониторинга озера. Одним из критических условий выживания и сохранения нормальной жизнедеятельности гидробионтов в стрессовых условиях является адекватное обеспечение тканей необходимым количеством кислорода. Более того, согласно некоторым концепциям, способность обеспечить потребности тканей в кислороде является ключевым фактором, определяющим термотолерантность вида. Аналогично, при интоксикации разнообразными ксенобиотиками поступление кислорода в организм гидробионтов оказывается лимитировано из-за повреждения тканей жабр, испытывающих наибольшую нагрузку. В то же время, исследования особенностей тканевого обеспечения кислородом зачастую сопряжены с методологическими сложностями, поскольку множественные измерения параметров тканевой жидкости и крови в периферических участках кровеносной системы гидробионтов затруднены из-за их сравнительно небольших размеров. В данной ситуации применение имплантируемых сенсоров предоставляет уникальные возможности для комплексной оценки самых разнообразных внутренних физиологических параметров водных животных в реальном времени, необходимой для углубления имеющихся представлений как о специфике байкальских эндемиков, так и об основных характеристиках, определяющих видоспецифичную чувствительность к разнообразным стрессовым факторам у гидробионтов в целом. Целью данного проекта является сравнение способностей байкальских эндемичных гидробионтов и традиционных объектов экотоксикологического тестирования к адекватному обеспечению тканей организма кислородом в разнообразных стрессовых условиях с использованием нового поколения имплантируемых оптических сенсоров (высококонтрастных флуоресцентных микросенсоров, основанных на методике совместной инкапсуляции апконверсионных частиц и флуоресцентных красителей). Мы предполагаем, что байкальские эндемики, адаптированные к узкому диапазону условий среды, продемонстрируют пониженную способность к обеспечению потребностей тканей в кислороде. Разработанная методика применения высококонтрастных флуресцентных микросенсоров для высокочувствительной оценки стрессовых состояний эндемичных гидробионтов впоследствии может лечь в основу новой технологии экологического мониторинга озера Байкал и других водоёмов, а также имеет существенные перспективы применения в аквакультуре и агротехнологиях, а также в биомедицинских разработках.

Ожидаемые результаты
Результаты проекта будут иметь как фундаментальную научную ценность, так и прикладное биотехнологическое и биомедицинское значение. Предполагается, что разработанная технология применения высоконтрастных флуоресцентных микросенсоров найдёт широкое применение в фундаментальных экофизиологических исследованиях в качестве принципиально нового метода прижизненного измерения физиологических параметров живых организмов (и особенно гидробионтов), в сферах экологического мониторинга водоёмов и биотестирования токсичности новых химических соединений и их смесей перед внедрением в промышленное производство. Научные материалы, полученные в ходе проекта, расширят наше понимание и позволят оценить характер стресс-устойчивости представителей эндемичных сообществ озера Байкал. С помощью разработанных высоконтрастных флуоресцентных микросенсоров будет проведена многопараметрическая оценка способности доминантных видов байкальских эндемичных организмов к обеспечению потребностей тканей в кислороде в разнообразных стрессовых условиях по таким показателями как содержание кислорода, pH и продукция активных форм кислорода. На основании полученных данных будет сделано заключение о чувствительности литоральных байкальских бентосных амфипод и рыб к влиянию негативных факторов среды. Научные результаты проекта будут представлять большой интерес для организаций научно-исследовательского и природоохранного профиля, занимающихся изучением и охраной как непосредственно озера Байкал, так и других континентальных (и особенно древних) водных экосистем. В перспективе, данная технология может быть широко внедрена в существующие системы мониторинга состояния водных экосистем. Прикладное и (био)технологическое значение заключается в том, что результаты проекта смогут найти широкое применение в аквакультуре, сельскохозяйственной, биотехнологической, фармацевтической, ветеринарной и медицинской промышленностях. В настоящее время развитие специализированных имплантируемых сенсоров для быстрой, многопараметрической и количественной диагностики состояния различных организмов — это одна из важнейших задач, решаемых специалистами во всем мире.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В отчётным период собрана оптическая установка, позволяющая визуализировать разрабатываемые высококонтрастные флуоресцентные микросенсоры in vitro и in vivo и с её помощью детально охарактеризованы различные коммерчески доступные апконверсионные частицы. На основании полученных данных выбраны конкретные типы апконверсионных частиц, подходящие для последующего выполнения проекта, и отработана методика их совместного инкапсулирования с флуорофорами, связанными с различными полимерами. Подтверждена возможность эффективного возбуждения флуоресценции красителей люминесценцией апконверсионных частиц при их совместном инкапсулировании по отработанной методике, в частности, кислород-чувствительного молекулярного сенсора. Отработана методика внедрения апконверсионных частиц в носитель из биосовместимого гидрогеля, обладающий оптимальной формой для применения в центральном сосуде небольших ракообразных. Начато тестирование возможных токсических эффектов разрабатываемых высококонтрастных флуоресцентных микросенсоров. Показано, что их выраженные летальные эффекты отсутствуют, однако, судя по имеющимся данным, апконверсионные частицы в количестве, необходимом для получения высококонтрастных микросенсоров, могут оказывать эффект на биохимические параметры организма, что будет учтено при дальнейшем выполнении проекта.

 

Публикации

1. Лубяга Ю.А., Долгих А.В., Дроздова П.Б., Назарова А.А., Тимофеев М.А. Transcriptome-based analysis of the diversity of membrane-bound lectins in Baikal amphipods Eulimnogammarus sp. and the Holarctic amphipod Gammarus lacustris Limnology and Freshwater Biology. SI “The VII-th Vereshchagin Baikal Conference”, 2020. - No 4. - P. 797-798. (год публикации - 2020).

2. Назарова А. А., Щапова Е. П., Гурков А. Н., Мутин А. Д., Тимофеев М. А. Изучение иммунного ответа амфипод на симбиотические организмы в первичной культуре гемоцитов Сборник тезисов международной конференции “Современное состояние и развитие аквакультуры: экологическое и ихтиопатологическое состояние водоемов и объектов разведения, технологии выращивания”, Новосибирск, 11-13 ноября 2020, C. 44-47 (год публикации - 2020).

3. Назарова А.А., Гурков А.Н., Верещагина К.П., Тимофеев М.А. Изучение влияния повышенной температуры на выживаемость гемоцитов байкальских эндемичных амфипод Eulimnogammarus verrucosus в первичной культуре Тезисы докладов Второй Всероссийской конференции с международным участием "Физиолого-биохимические и молекулярно-генетические механизмы адаптаций гидробионтов", Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РАН. – Ярославль : Филигрань, 2020. – С. 40. (год публикации - 2020).

4. Пилла Р.М., Вильямсон К.Е., ..., Тимофеев М.А., ... Задереев Е.С. Deeper waters are changing less consistently than surface waters in a global analysis of 102 lakes Scientific Reports, 10, Article number: 20514 (год публикации - 2020).

5. Попов А., Хоган Б., Щапова Е., Быков А., Тимофеев М., Меглинский И. In Vivo Stress Monitoring in Aquatic Species via Upconversion Based Luminescent Nanoparticles Scientific Reports, under review after major revision (год публикации - 2021).