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 21-73-00102

НазваниеЛюминесцентные тест-методы для неинвазивного доклинического мониторинга психоэмоциональных расстройств на основе бескадмиевых квантовых точек

РуководительНовикова Анастасия Сергеевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского", Саратовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-205 - Аналитическая химия

Ключевые словапсихоэмоциональные расстройства, персонализированная медицина, персональный профиль стресса, кортизол, биомаркеры, люминесцентные наночастицы, квантовые точки, иммуноанализ, тест-системы

Код ГРНТИ31.19.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Возрастающий уровень психологического стресса, вызванный проблемами глобализации, пандемии, конкуренции и изменения привычного распорядка дня, становится серьезной проблемой для полноценной жизни людей. Длительное воздействие стресса на организм оказывает губительное влияние на психоэмоциональное и физическое состояние (здоровье) человека, приводит к ослаблению иммунитета, нарушению метаболических процессов, работы сердечно-сосудистой и нервной систем, биоритмов и снижению общей работоспособности, эмоциональной стабильности и памяти, приводит к издержкам работодателя. Согласно статистическим данным, 95% жителей РФ испытывают стресс, из них 34% имеют его хроническую форму. В связи с этим создание высокочувствительных неинвазивных средств экспресс-определения биомаркеров для раннего скрининга нарушений и дисфункций организма является актуальной задачей. Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы, заключающейся в разработке экспрессных диагностических систем на основе квантовых точек нового поколения с настраиваемыми оптическими свойствами и их применении для неинвазивного контроля уровня гормона стресса. Данная проблема важна для аналитической химии и медицинской диагностики. В качестве биомаркера будет использован кортизол, являющиеся гормоном стресса, который используют для управления психоэмоциональным стрессом и диагностики хронических заболеваний (синдром Кушинга, синдром Аддисона, фибромиалгия, синдром хронической усталости). Своевременное обнаружение психоэмоционального стресса является актуальной задачей с точки зрения индивидуального мониторинга и персонализированной медицины. Разработка основ высокотехнологичного здравоохранения и технологий здоровьесбережения находятся в русле Стратегии научно-технологического развития России до 2035 года. Научная новизна проекта заключается в создании неинвазивного неинструментального иммунохроматографического тест-метода для визуального экспрессного детектирования гормона стресса (кортизола), являющимся предиктором психоэмоциональных расстройств в слюне с применением высоколюминесцентных бескадмиевых квантовых точек нового поколения. В заявляемом проекте будут проведены исследования по использованию нетоксичных водных коллоидов квантовых точек AgInS/ZnS в иммунохроматографическом анализе. В результате экспериментальных исследований будет разработан подход к быстрому и чувствительному обнаружению уровня кортизола на дому пациента и в амбулаторных условиях, представляющий информацию в режиме реального времени о значениях уровня гормона стресса, когда человек подвергается психологическому стрессу в результате окружающих событий. (внешних раздражителей). В перспективе разработанный формат анализа может быть расширен для мультиплексного обнаружения различных стероидных гормонов, с целью получения более точной картины психоэмоциональных состояний. Результаты достижимы, поскольку существует достаточный научный задел по всем ключевым направлениям «базы» проекта. Авторы имеют подтвержденный успешно выполненными проектами и публикациями в журналах первого квартиля опыт получения люминесцентных наночастиц, их биоконъюгации и применения в анализе (метка для иммуноанализа), разработки и валидации новых тест-методов, определения биологически активных соединений различной природы.

Ожидаемые результаты
Реализация данного проекта важна для своевременной диагностики выявления психоэмоциональных расстройств, связанных с усилением ритма жизни, пандемией, конкуренцией и глобализацией, посредством перехода к персонализированной медицине, позволяющая получать информацию о уровне стресса на ранних этапах и снизить экономические потери, возникающие вследствие снижения трудоспособности. В ходе реализации проекта: Будут разработаны высокоэффективные биометки на основе квантовых точек нового поколения, характеризующиеся настраиваемыми оптическими свойствами, высокой коллоидной стабильностью, низкой токсичностью, небольшим размером и высокой эффективностью люминесценции. Полученные оптимальные системы будут использованы при разработке диагностических иммунохимических тест-систем определения кортизола в слюне. Будут разработаны методы неинвазивной экспресс-диагностики уровня гормона стресса в слюне, целенаправленно выбраны оптимальные конъюгаты специфических антител с квантовыми точками, рассмотрены возможные альтернативные подходы к наиболее информативной регистрации аналитического сигнала; будут оценены достоинства и ограничения предложенных методов. Будет разработан подход к быстрому и чувствительному обнаружению уровня кортизола в слюне на дому пациента и в амбулаторных условиях, представляющий информацию в режиме реального времени о значениях уровня гормона стресса. Проведенные исследования внесут вклад в совершенствование средств клинической экспресс-диагностики. Будут выявлены дальнейшие направления развития предложенных подходов, в которых разработанные аналитические системы будут использованы для определения кортизола в моче. Универсальность результатов связана с возможностью коммерческого внедрения полученных результатов для контроля кортизола в клинических и индивидуальных целях, а также возможностью использовать разработанную систему для мониторинга других гормонов. Планируемые результаты будут иметь высокую научную, практическую, экономическую и социальную значимость для клинической неинвазивной экспресс-диагностики, так как современные лабораторные анализы по обнаружению кортизола используют коммерческие наборы, представленные производителями Западной Европы и США. Поэтому внедрение с реальный сектор экономики отечественных диагностических тест-систем доклинического мониторинга гормона стресса позволит усовершенствовать принципиально новые подходы персонализированной медицины.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В первый год выполнения проекта проводились работы по получению квантовых точек, их характеризации, а также и синтезу конъюгата для определения кортизола. Проделанные работы включали синтез гидрофильных квантовых точек AgInS и AgInS/ZnS, характеризующихся настраиваемыми оптическими свойствами, высокой коллоидной стабильностью, высокой эффективностью флуоресценции для создания люминесцентной метки, применяемой в разработке неинвазивной иммуноаналитической тест-системы детектирования кортизола. В результате разработанной и оптимизированной методики водного “one-pot” синтеза были получены фракции квантовых точек AgInS/ZnS, стабилизированных меркаптопропионновой кислотой с карбоксильными группами на поверхности в диапазоне излучения от ~640 нм (фракция №1) до ~540 нм (фракция №11) с размером ~ 7 (± 0,9) до ~ 3,0 (± 0,5) нм. Для оценки сравнения оптических характеристик и выбора лучшего образца для биоконъюгации были синтезированы образцы AgInS, покрытые аминосодержащим полимером (полиэтиленимин), обеспечивающий положительный заряд поверхности. В результате оптимизации синтеза лучшими характеристиками по степени однородности, размеру (~100 нм), квантовому выходу флуоресценции интенсивности излучения обладал образец, синтезированный в течение 2 часов с концентрацией полимера 0,5 масс.%. Оценена жизнеспособность клеток в присутствии выбранных квантовых точек с целью оценки их цитотоксичности. Показано, что катионный поверхностный заряд уменьшал клеточное взаимодействие по сравнению с анионным поверхностным зарядом, в связи, с чем квантовые точки AgInS/ZnS, стабилизированные меркаптопропионновой кислотой показали лучшие показатели выживаемости клеток по сравнению с амино-стабилизированными квантовыми точками. Установлено, что карбоксильные квантовые точки были менее чувствительны к матричному эффекту слюны. При сравнении свойств и возможности использования в качестве люминесцентной метки были выбраны образцы квантовых точек AgInS/ZnS, стабилизированные меркаптопропионновой кислотой для получения иммуноконъюгатов. Получены конъюгаты квантовых точек с максимумом флуоресценции 590 нм и проведена оценка специфического взаимодействия на иммунохроматографической мембране. Показано, что конъюгат на основе AgInS/ZnS, стабилизированных меркаптопропионновой кислотой, может быть применен для разработки аналитических систем. Дополнительно продемонстрирована перспективность использования системы стрептавивидин-биотин для разработки иммуноанализа детектирования кортизола на основе квантовых точек. Показана невозможность применения квантовых точек данного состава и структуры в подходе, основанном на тушении сигнала флуоресценции в присутствии кортизола. Таким образом, квантовые точки AgInS/ZnS, покрытые меркаптопропионновой кислотой, могут быть применены для разработки иммуноаналитической тест-системы в качестве люминесцентной метки. По результатам выполненных работ опубликована статья в издании, реферируемом в международных базах данных и представлен доклад на международной конференции.

 

Публикации

1. Пономарева Т.С., Соколов А.А., Новикова А.С., Горячева И.Ю. Evaluation of the influence of buffer media on the colloidal stability of cadmium-free QDs stabilized with thioglycolic acid SPIEDigitalLibrary.org/conference-proceedings-of-spie, Computational Biophysics and Nanobiophotonics. SPIE, 2022. V. 12194. P. 224-229 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1117/12.2625581

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Во второй год проекта проводились работы по оптимизации условий получения иммуноконъюгатов квантовых точек AgInS/ZnS со стрептавидином, обеспечивающих наилучший сигнал для разработки неинвазивной тест-системы по определению уровня кортизола в слюне. Анализ образцов слюны студентов, содержащих кортизол в рабочем диапазоне определяемых концентраций, показал, что неразбавленная слюна приводит к сильному матричному эффекту и нечетким оптическим сигналам. Снижение матричных эффектов достигалось при 50 и 100-кратном разбавлении слюны. Из полученных значений яркости пятен на тест-полоске и калибровочного графика, были получены значения концентрации кортизола в слюне. Результаты исследования показали различный характер распределения уровня кортизола в слюне у участников. Для трех участников концентрация кортизола была выше нормы, что говорило о наличие стресса. Полученные данные на основе измерения концентрации кортизола с помощью иммунохроматографического метода частично совпадали с субъективной оценкой участников эксперимента. Это показывает потенциал применения данной тест-системы для мониторинга уровня стресса.

 

Публикации

1. Кочергин Т. П., Пономарева Т. С., Горячева И. Ю. Получение и свойства фотолюминесцентного покрытия на основе полупроводниковых квантовых точек в полой сердцевине микроструктурированного стекла Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, Т. 66. №. 2. С. 85-91 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.6060/ivkkt.20236602.6615

2. Пономарева Т. С., Оломская В. В., Новикова А. С., Горячева И. Ю. Effect of pH and ionic strength on the photoluminescence of size-fractionated AgInS2/ZnS quantum dots Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика., - (год публикации - 2023)

Возможность практического использования результатов
Разработанная методика иммунофлуоресцентного определения кортизола в формате тест-полоски может быть применена в лабораторной неинвазивной диагностике для выявления профиля стресса с достаточной точностью, чувствительностью и экспрессностью. В перспективе разработанный формат анализа может быть расширен для мультиплексного обнаружения различных стероидных гормонов, с целью получения более точной картины психоэмоциональных состояний.