Новое поколение электрохимически активных материалов для (био)сенсоров для медицинской диагностики на основе полифункциональных макроциклов, производных фенотиазина и биомолекул

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 19-73-10134

НазваниеНовое поколение электрохимически активных материалов для (био)сенсоров для медицинской диагностики на основе полифункциональных макроциклов, производных фенотиазина и биомолекул

Руководитель Падня Павел Леонидович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова тиакаликс[4]арены, функционализация макроциклов, самосборка, бионаноматериалы, супрамолекулярная химия, фенотиазины, электрохимические сенсоры, биосенсоры, аминокислоты, белки.

Код ГРНТИ31.21.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сложившаяся мировая тенденция к переходу на новый тип оказания медицинских услуг, где во главе ставятся индивидуальные особенности организма пациента, предъявляет новые требований к методам диагностики. Персонализированная медицина направлена на лечение пациента, а не симптомов болезни у среднестатистического человека. Такой подход может быть реализован только с учетом биохимических особенностей организма, поэтому на стадиях профилактики, диагностики и лечения больного существует потребность в контроле содержания множества биологических соединений. Существующие методы контроля биологически важных соединений зачастую страдают отсутствием мобильности, продолжительной пробоподготовкой и дороговизной оборудования. Эти методы не могут обеспечить экспрессность анализа и его доступность в режиме «point-of-care testing» (диагностика у постели больного), что затрудняет своевременную диагностику и назначение лечения. Альтернативой современным методам выступают биосенсорные технологии, которые входят в перечень критических технологий Российской Федерации. Компактные и чувствительные устройства, способные мгновенно предоставлять информацию о содержании интересующих веществ (аналитов), по аналогии с глюкометрами, могут стать эффективным инструментом в руках медицинского работника будущего. Чувствительность и селективность разрабатываемых биосенсоров в первую очередь зависит от применяемых материалов – модификаторов поверхности трансдьюсера (преобразователь сигнала). По сей день актуальной остается проблема синтеза материалов, обеспечивающих оптимальную иммобилизацию и распознавание биомолекул. Зачастую новые материалы, которые предлагаются для биораспознавания, обладают прекрасными характеристиками, в том числе биосовместимостью, но полностью или частично блокируют поверхность трансдьюсера, затрудняя преобразование химического сигнала о биоспецифическом процессе в более доступный электрический. В таком случае приходится прибегать к введению в состав материала дополнительных компонентов, к примеру, электропроводящих наночастиц металлов, которые ухудшают биосовместимость материала. Представленный проект направлен на решение проблемы синтеза новых бионаноматериалов с функцией биораспознавания и не менее актуальной проблемы адаптации полученного материала для работы в составе биосенсоров. За взаимодействие с биомолекулами и сохранение их нативной структуры будет отвечать новый супрамолекулярный материал, получаемый за счет предварительной самоорганизации тиакаликсаренов и электрохимически активных мономеров – производных арилиминофенотиазинов. Последующая полимеризация пространственно ориентированных мономеров будет приводить к формированию трехмерных структур, где относительно крупные белковые молекулы будут удерживаться силами электростатических взаимодействий с заряженными мультивалентными макроциклическими соединениями и нановолокнами полимера. Дальнейшее электрохимическое поведение нового полимерного материала на поверхности трансдьюсера будет определяться изменением зарядового распределения после протекания биоспецифического распознавания. Также будет рассмотрена возможность модификации заместителей тиакаликсарена фрагментами, отвечающими за донорно- акцепторное взаимодействие и комплексообразование, с целью обеспечения наилучших характеристик связывания низко- (аминокислоты) и высокомолекулярных (белки) аналитов. Возможность контроля трехмерной структуры материала за счет использования различных конфигураций макроцикла (конус, частичный конус, 1,3-альтернат) позволит оптимизировать состав модифицирующего покрытия биосенсора для обеспечения эффективной иммобилизации биокомпонента и диффузии аналитов в структуру материала. Конкурентными преимуществами предлагаемых материалов являются их гидрофильность и электроактивность, которые не только облегчают проникновение низкомолекулярных соединений - аналитов в состав распознающего слоя биосенсора, но и позволяют проводить анализ с использованием диффузионно свободных индикаторов в водных растворах. Впервые предложено использование наноструктурированных полимеризованных форм алкил- и арилиминофенотиазинов для выполнения нескольких задач: формирования эффективной матрицы для удерживания биокомпонентов сенсора и генерации электрохимического отклика системы на протекание биоспецифических процессов. Использование мультивалентных производных тиакаликсарена, замещенных заряженными группами и аминокислотными остатками в различных положениях относительно ядра макроцикла, позволит проводить предварительную самосборку супрамолекулярных систем и обеспечит дополнительные возможности по связыванию биомолекул.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Падня П.Л., Горбачук В.В., Стойков И.И. The role of calix[n]arenes and pillar[n]arenes in the design of silver nanoparticles: self-assembly and application International Journal of Molecular Sciences, 21, 4, 1425 (год публикации - 2020)
10.3390/ijms21041425

2. Кузин Ю.И, Падня П.Л., Стойков И.И., Горбачук В.В., Стойков Д.И., Хадиева А.И., Евтюгин Г.А. Electrochemical behavior of the monomeric and polymeric forms of N-phenyl-3-(phenylimino)-3H-phenothiazin-7-amine Electrochimica Acta, 345, 136195 (год публикации - 2020)
10.1016/j.electacta.2020.136195

3. Падня П.Л., Терентьева О.С., Ахмедов А.А., Иксанова А.Г., Штырлин Н.В., Никитина Е.В., Крылова Е.С., Штырлин Ю.Г., Стойков И.И. Thiacalixarene based quaternary ammonium salts as promising antibacterial agents Bioorganic & Medicinal Chemistry, 29, 115905 (год публикации - 2021)
10.1016/j.bmc.2020.115905

4. Кузин Ю.И., Хадиева А.И., Падня П.Л., Ханнанов А.А., Кутырева М.П., Стойков И.И., Евтюгин Г.А. Electrochemistry of new derivatives of phenothiazine: Electrode kinetics and electropolymerization conditions Electrochimica Acta, 375,137985 (год публикации - 2021)
10.1016/j.electacta.2021.137985

5. Падня П.Л., Шибаева К.С., Арсеньев М.В., Барышникова С.В., Терентьева О.С., Шиабиев И.Е., Ханнанов А.А., Болдырев А.Е., Герасимов А.В., Гришаев Д.Ю., Штырлин Ю.Г., Стойков И.И. Catechol-Containing Schiff Bases on Thiacalixarene: Synthesis, Copper (II) Recognition, and Formation of Organic-Inorganic Copper-Based Materials Molecules, 26(8), 2334 (год публикации - 2021)
10.3390/molecules26082334

6. Каппо Д., Шурпик Д.Н., Падня П.Л., Стойков И.И., Рогов А.М., Евтюгин Г.А. Electrochemical DNA Sensor Based on Carbon Black – Poly(Methylene blue) - Poly(Neutral Red) Composite Biosensors (год публикации - 2022)

7. Хадиева А.И., Раянов М.Р., Шибаева К.С., Пискунов А.В., Падня П.Л., Стойков И.И. Towards Asymmetrical Methylene Blue Analogues: Synthesis and Reactivity of 3-N′-Arylaminophenothiazines Molecules, 27(9), 3024 (год публикации - 2022)
10.3390/molecules27093024

Публикации