Нанозимы «искусственная пероксидаза» для медицинской диагностики и терапии.

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 проекта 19-13-00131

НазваниеНанозимы «искусственная пероксидаза» для медицинской диагностики и терапии.

Руководитель Карякин Аркадий Аркадьевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова нанозимы, наночастицы, берлинская лазурь, наноструктурированные катализаторы, гексоцианоферраты переходных металлов, электроанализ, иммуносенсоры, ДНК- (РНК-) сенсоры

Код ГРНТИ31.19.29 31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание научных основ замены ферментов пероксидаз в диагностике (иммуно-ферментный анализ, ДНК- (РНК-) сенсоры) и применения пероксидазной активности в терапии, используя для этих целей нанозимы «искусственная пероксидаза». Иммуно- и ДНК- (РНК-) сенсоры, а также аналитические наборы на основе афинных взаимодействий являются неотъемлемой частью жизнедеятельности современного общества, поскольку используются в самых различных его сферах от медицины до сельского хозяйства. Таким образом, улучшение эксплуатационных свойств подобных аналитических устройств крайне актуально и лежит в русле тенденций развития современного общества. Для генерации аналитического сигнала эти устройства используют метки, самой распространенной из которых является фермент пероксидаза. Современной быстро развивающейся областью науки является синтез нанозимов – наночастиц, имитирующих активность ферментов. Самому термину «нанозимы», пожалуй, немногим более 5-и лет. Их использование наиболее актуально для замены ферментов в различных областях науки и техники, позволяющее решить основные проблемы использования ферментов: природная невысокая стабильность и высокая цена. Для создания нанозимов, очевидно, нужны высокоэффективные катализаторы. Международным научным приоритетом руководителя предлагаемого проекта вот уже 25 лет является основанный на берлинской лазури наилучший (в тысячи раз превосходящий платину и по активности, и по селективности) электрокатализатор восстановления пероксида водорода, той самой реакции, которую катализирует фермент пероксидаза. Предлагаемый проект будет основан на одном из результатов завершающегося проекта РНФ 16-13-00010: каталитический метод синтеза наночастиц берлинской лазури и создание на его основе нанозимов «искусственная пероксидаза»; статья опубликована в наиболее престижном химическом журнале: M.A. Komkova, E.E. Karyakina, A.A. Karyakin. Journal of the American Chemical Society 140 (2018) 11302, IF = 14.3. Последнее обеспечивает не только научную новизну, но и мировой приоритет предлагаемых исследований. Созданные нанозимы характеризуются каталитической константой, до нескольких тысяч раз превосходящей каталитическую константу природного фермента пероксидазы. Кроме высокой каталитической активности, синтезированные наночастицы обладают свойствами, присущими природным ферментам: специфичностью (отсутствием оксидазной активности – восстановления молекулярного кислорода), а также способностью функционировать в физиологических растворах. Созданные нанозимы не содержат благородных металлов, поэтому их стоимость по сравнению с ферментами ничтожна. Нанозимы обладают стабильностью неорганических материалов, которая недостижима для ферментов. Для создания научных основ замены пероксидаз в диагностике, а также использования пероксидазной активности в терапии предлагается решение следующих задач: - исследование нанозимов «искусственная пероксидаза» физическими и физико-химическими методами, установление структурно-функциональных взаимосвязей; - изучение каталитических свойств и механизма действия нанозимов «искусственная пероксидаза» в реакции восстановления пероксида водорода; - синтез композитных наночастиц ядро-оболочка для стабилизации нанозимов на основе берлинской лазури оболочкой гексацианоферрата никеля; - синтез сверхмалых нанозимов с размерами на уровне ферментов (4-6 нм); - электрохимический синтез нанозимов «искусственная пероксидаза»; - осаждение нанозимов «искусственная пероксидаза» на электроды и исследование электрокаталитических и аналитических свойств полученных электродов; - синтез нанозимов с функциональными группами для создания коньюгатов с биомолекулами; - включение нанозимов «искусственная пероксидаза» в липосомы с целью создания противовоспалительных лекарств; - синтез коньюгатов нанозимов «искусственная пероксидаза» с антителами и ДНК (РНК) для иммуно- и ДНК- (РНК-) сенсоров; - создание с использованием нанозимов «искусственная пероксидаза» иммуно- и ДНК- (РНК-) сенсоров на электрохимической платформе, пригодных к использованию «у постели больного». Комплексность решаемых задач подтверждает использование разнообразных физических и физико-химических методов, а также вовлечение в проект различных областей знания: нанотехнологий (синтез и исследование наночастиц), катализа (каталитический синтез, ферменто-подобная активность наночастиц), биохимии и молекулярной биологии (синтез коньюгатов наночастиц с антителами, ДНК, РНК), аналитической химии и медицинской диагностики (иммуно-ферментные тест-системы, ДНК- и РНК-сенсоры и электроаналитические системы на их основе).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Завольскова М.Д., Никитина В.Н., Максимова Е.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Constant Potential Amperometric Flow-Injection Analysis of Ions and Neutral Molecules Transduced by Electroactive (Conductive) Polymers Analytical Chemistry, 91, № 12, с. 7495-7499 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.analchem.9b00934

2. Вохмянина Д.В., Андреева К.Д., Комкова М.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. ‘Artificial peroxidase’ nanozyme – enzyme based lactate biosensor Talanta, 208, с. 120393 (год публикации - 2020)
10.1016/j.talanta.2019.120393

3. Андреева К.Д., Вохмянина Д.В., Карякин А.А. Stabilized lactate biosensors based on composite alkoxysilane-Nafion membranes Proceedings of the 15th International Students Conference “Modern Analytical Chemistry”Prague, 19—20 September 2019 edited by Karel Nesměrák. -- 1st edition. -- Prague : Faculty of Science, Charles University, 2019. - 285, pp.155-159 (год публикации - 2019)

4. Шавокшина В.А., Андреев Е.А., Карякин А.А. Sensing element based on poly(3,4-(1-azidomethylethylene)dioxythiophene) as electroactive layer of electrochemical DNA sensors Proceedings of the 15th ISC Modern Analytical Chemistry ▪ Prague 2019 Edited by Karel Nesměrák, Faculty of Science, Charles University, Prague, pp.8-14 (год публикации - 2019)

5. Никитина В.Н., Завольскова М.Д, Карякин А.А. Flow-injection dc amperometry as an alternative to potentiometry for electroactive polymer supported sensors Matrafured 2019 International Conference on Chemical Sensors Будапешт, Венгрия, 2019. — P. 37–37., стр.37 (год публикации - 2019)

6. Завольскова М.Д., Никитина В.Н., Карякин А.А. DC amperometric flow-injection analysis of ions and neutral molecules transduced by electroactive polymers Proceedings of the 15th International Students Conference “Modern Analytical Chemistry”Prague, 19—20 September 2019 edited by Karel Nesměrák. -- 1st edition. -- Prague : Faculty of Science, Charles University, 2019. - 285, pp.167-173 (год публикации - 2019)

7. Королев А.И. Стабилизированный биосенсор на основе берлинской лазури для определения концентрации глюкозы в биологических жидкостяхдоклад XXIX Менделеевская школа-конференция молодых ученых, г. Иваново, Ивановский государственный химико-технологический университет ,Россия, Россия, 21-27 апреля 2019, стр.58 (год публикации - 2019)

8. Комкова М.А., Зарочинцев А.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Electrochemical and sensing properties of Prussian Blue based nanozymes “artificial peroxidase” Journal of Electroanalytical Chemistry, том 872, номер статьи: 114048 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jelechem.2020.114048

9. Карпова Е.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Wearable non-invasive monitors of diabetes and hypoxia through continuous analysis of sweat Talanta, том: 215, номер статьи: 120922 (год публикации - 2020)
10.1016/j.talanta.2020.120922

10. Карпова Е.В., Карякин А.А. Noninvasive monitoring of diabetes and hypoxia by wearable flow-through biosensors Current Opinion in Electrochemistry, том. 23, October 2020, стр.16-20 (год публикации - 2020)
10.1016/j.coelec.2020.02.018

11. Карпова Е.В.,Лаптев А.И.,Андреев Е.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Relationship Between Sweat and Blood Lactate Levels During Exhaustive Physical Exercise ChemElectroChem, т. 7, вып. 1, с.191-194 (год публикации - 2020)
10.1002/celc.201901703

12. Карякин А.А. Glucose biosensors for clinical and personal use Electrochemistry Communications, v. 125, p. 106973 (год публикации - 2021)
10.1016/j.elecom.2021.106973

13. Комкова М.А., Ветошев К.Р., Андреев Е.А., Карякин А.А. Flow-electrochemical synthesis of Prussian Blue based nanozyme ‘artificial peroxidase’ Dalton Transactions, v. 50, p.11385-11389 (год публикации - 2021)
10.1039/D1DT02107A

14. Никитина В.Н., Максимова Е.Д., Завольскова М.Д., Карякин А.А. Flow injection amperometry as an alternative to potentiometry for solid contact ion-selective membrane-based electrodes Electrochimica Acta, v. 377, p. 138074 (год публикации - 2021)
10.1016/j.electacta.2021.138074

15. Карпова Е.В., Щербачева Е.В., Комкова М.А., Елисеев А.А., Карякин А.А. Core–Shell Nanozymes “Artificial Peroxidase”: Stability with Superior Catalytic Properties The Journal of Physical Chemistry Letters, v. 12, p. 5547–5551 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jpclett.1c01200

16. Комкова М.А., Ибрагимова О.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Catalytic Pathway of Nanozyme “Artificial Peroxidase” with 100-Fold Greater Bimolecular Rate Constants Compared to Those of the Enzyme Journal of Physical Chemistry Letters, v. 12, p. 171-176 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jpclett.0c03014

Публикации