Получение, физико-химическая характеристика и прооксидантные свойства новых железосодержащих мезопористых материалов

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 22-73-10222

НазваниеПолучение, физико-химическая характеристика и прооксидантные свойства новых железосодержащих мезопористых материалов

Руководитель Бондаренко Любовь Сергеевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 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 магнитоуправляемые наночастицы, металл-органические координационные полимеры, мезопористые каркасы, активные формы кислорода, прооксидантные свойства, бактериальные системы, ферментативные системы

Код ГРНТИ31.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Железосодержащие наноразмерные материалы находят широкое применение во многих областях науки и техники, включая биомедицину, в частности как противоопухолевые препараты. В настоящее время одной из главных проблем в терапии раковых заболеваний является возникновение множественной лекарственной устойчивости, что делает актуальным поиск новых подходов и материалов противоопухолевого назначения. Одним их таких недавно предложенных потенциально эффективных подходов является ферроптоз – железозависимая форма перекисного окисления липидов, приводящая к регулируемой клеточной гибели. Существующие на настоящий момент препараты не позволяют генерировать активные формы кислорода в количествах, достаточных для успешного индуцирования ферроптоза, в основном, из-за низкой скорости реакции в условиях слабокислого и нейтрального pH опухолей или не являются селективными, что повышает риск побочных эффектов, выражающихся в гибели здоровых клеток. В связи с этим остро стоит задача поиска прооксидантных препаратов, способных эффективно катализировать реакцию Фентона в условиях pH опухоли. Проект направлен на разработку физико-химических принципов формирования новых железосодержащих мезопористых материалов, обладающих способностью индуцировать активные формы кислорода в контролируемых условиях реакции Фентона с целью дальнейшего использования в стратегии индуцирования ферроптоза. В настоящем исследовании предлагается создание новых железосодержащих мезопористых каркасов путем иммобилизации магнитных наночастиц (магнетит, маггемит) или комплексов железа Fe(III) или Fe(II,III) с гуминовыми кислотами в мезопористых материалах с целью выбора наиболее перспективного кандидата, обеспечивающего индуцирование максимальной концентрации активных форм кислорода в организмах. В качестве простейших модельных биологических объектов для тестирования прооксидантных свойств новых материалов будут использованы люминесцентные бактерии и их ферментативные системы. Ранее (Bondarenko, at al 2020, Nanomaterials) при исследовании поведения люминесцентных бактерий в условиях модельного окислительного стресса продемонстрированы прооксидантные свойства магнетита, модифицированного гуминовыми кислотами. Оценка влияния способов введения (местного или системного) различных доз железосодержащих препаратов на параметры антиоксидантной/ прооксидантной систем, а также раннего и позднего апоптоза лимфоцитов периферической крови будет проводиться в экспериментах на здоровых животных. Таким образом, научная новизна проекта заключается в поиске железосодержащих мезопористых материалов, обладающих усиленными прооксидантными свойствами, для индуцирования АФК в модельных условиях за счет дополнительной функционализации гуминовыми кислотами или аскорбиновой кислотой как донорно-акцепторными агентами. Железосодержащие мезопористые материалы на основе металл-органических каркасов будут получены с использованием нового подхода, заключающегося в использовании предсинтезированных неорганических строительных блоков, что демонстрирует потенциал рационального поэтапного подхода к синтезу и станет низкотемпературным масштабируемым экологически чистым способом получения таких высокопористых материалов. Для оценки прооксидантных эффектов железосодержащих мезопористых материалов будут использованы быстрые, высокочувствительные и доступные тест-системы на основе бактериальных и ферментативных систем, позволяющие оценивать воздействия на клеточном и молекулярном уровнях, а также крысы линии Вистар для экспериментов с животными in vivo. Ключевым преимуществом предложенного проекта будет не только получение новых высокоэффективных катализаторов реакции Фентона, но и возможность комплексной оценки катализирующей способности железосодержащих мезопористых материалов на основе различных источников и типов ионов железа, а также различных типов материалов в варьируемых условиях модельного эксперимента для проведения многофакторного анализа и построения прогностической модели. 1. Bondarenko L.S., Kovel E. S., Kydralieva K. A., Dzhardimalieva G. I., Illés E., Tombácz E., Kicheeva A.G., Kudryasheva N.S. Effects of Modified Magnetite Nanoparticles on Bacterial Cells and Enzyme Reactions. Nanomaterials, 2020 – V. 10. No. 8. – P 1499. DOI: 10.3390/nano10081499, https://www.mdpi.com/2079-4991/10/8/1499, (IF 4.314, Q1)

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кичеева А.Г., Сушко Е.С.. Бондаренко Л.С., Кыдралиева К.А., Панкратов А.А., Тропская Н.С., Дзеранов А.А., Джардималиева Г.И., Заррелли М., Кудряшева Н.С. Functionalized magnetite nanoparticles: characterization, bioeffects, and role of reactive oxygen species in unicellular and enzymatic systems International Journal of Molecular Sciences, Том 24, номер 2, 1133 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24021133

2. Дзеранов А., Бондаренко Л., Панкратов Д.. Джардималиева Г., Жоробекова Ш., Саман Д., Кыдралиева К. Impact of silica-modification and oxidation on the crystal structure of magnetite nanoparticles Magnetochemistry, Том 9. номер 1, 18 (год публикации - 2023)
10.3390/magnetochemistry9010018

3. Дзеранов А., Бондаренко Л., Панкратов Д., Прокофьев М., Джардималиева Г., Тропская Н., Телегина Л., Кыдралиева К. Iron oxides nanoparticles as components of ferroptosis-inducing systems: screening of potential candidates Magnetochemistry, Том 9, номер 1, 3 (год публикации - 2023)
10.3390/magnetochemistry9010003

4. Бондаренко Л., Баймуратова Р., Рейндл М., Зак В., Дзеранов А., Панкратов Д., Кыдралиева К., Джардималиева Г., Колб Д., Вагнер Ф.Э., Швамингер С.П. Dramatic change in the properties of magnetite-modified MOF particles depending on the synthesis approach. Heliyon, том 10, выпуск 6, P. 2405-8440 (год публикации - 2024)
10.1016/j.heliyon.2024.e27640

5. Бондаренко Л., Баймуратова Р., Дзеранов А., Панкратов Д., Кичеева А., Сушко Е., Кудряшева Н., Валеев Р., Тропская Н., Джардималиева Г. и Кыдралиева К. Fenton reaction-driven pro-oxidant synergy of ascorbic acid and iron oxide nanoparticles in MIL-88B(Fe). New Journal of Chemistry, P. 1-20 (год публикации - 2024)
10.1039/D4NJ00963K

6. Бондаренко Л.С., Дзеранов А.А., Баймуратова Р.К., Джардималиева Г.И., Тропская Н.С., Кыдралиева К.А. Особенности сорбции левофлоксацина в присутствии металлорганического координационного полимера MIL 88b Сборник тезисов конференции-школы «ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В ХИМИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ», Москва, С. 79. (год публикации - 2023)

7. Бондаренко Л.С., Баймуратова Р.К., Кичеева А.Г., Ковель Е. Дзеранов А.А., Саман Д.Г., Кудряшева Н.С., Г Джардималиева Г.И., Прокудина Е.Б., Кыдралиева К.А. Прооксидантные свойства модифицированных аскорбиновой кислотой наночастиц Fe3O4 в матрице металл-органического координационного полимера Сборник тезисов Всероссийская конференция им. академика В.И. Овчаренко «Органические радикалы и органическая электрохимия: фундаментальные и прикладные аспекты», Москва, С. 30 (год публикации - 2023)

8. Дзеранов А.А., Лернер В.Л., Гасанов М.Э., Бондаренко Л.С., Джардималиева Г.И., Тропская Н.С., Кыдралиева К.А. Кристаллическая структура наночастиц Fe3O4-АПТЭС и перезарядка поверхности в присутствии гуминовых кислот Сборник тезисов докладов Седьмой международной конференции стран СНГ «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем «Золь-гель 2023», Москва, С. 42 (год публикации - 2023)

9. Бондаренко Л.С., Дзеранов А.А., Баймуратова Р.К., Джардималиева Г.И., Тропская Н.С., Кыдралиева К.А. Мицеллобразование в процессе сорбции левофлоксацина в присутствии металл-органического каркаса MIL-88B. Всероссийская конференция «Поверхностные явления в дисперсных системах»: посвященная 125-летию со дня рождения выдающегося советского ученого, академика АН СССР Петра Александровича Ребиндера, Москва, С.153 (год публикации - 2023)

10. Саман Д., Дзеранов А.А., Бондаренко Л.С., Тропская Н.С., Кыдралиева К.А. Влияние поверхностных модификаторов на дзета-потенциал наночастиц магнетита Всероссийская конференция «Поверхностные явления в дисперсных системах»: посвященная 125-летию со дня рождения выдающегося советского ученого, академика АН СССР Петра Александровича Ребиндера, Москва, С. 237 (год публикации - 2023)

11. Бондаренко Л.С., Дзеранов А.А., Баймуратова Р.К., Джардималиева Г.И., Тропская Н.С., Кыдралиева К.А. Сорбционные свойства железосодержащего МОКП по отношению к антибиотику левофлоксацину. Всероссийский симпозиум с международным участием «Физико-химические проблемы адсорбции, структуры и химии поверхности нанопористых материалов»: посвященный 150-летию российского физико-химика Н.А. Шилова, Москва, С. 210-215 (год публикации - 2023)

12. Арина Георгиевна Кичева, Екатерина Сергеевна Сушко, Любовь Сергеевна Бондаренко, Роза К. Баймуратова, Камила А. Кыдралиева, Себастьян П. Швамингер, Рут Прасл, Наталья С. Тропская, Гульжиан И. Джардималиева, Денис В. Смирных, Александра А. Мартынова, Надежда С. Кудряшева. Cytotoxic and radical activities of metal-organic framework modified with iron oxide: Biological and physico-chemical analyses Chemico-Biological Interactions, Arina G. Kicheeva, Ekaterina S. Sushko, Lyubov S. Bondarenko, Rose K. Baimuratova, Kamila A. Kydralieva, Sebastian P. Schwaminger, Ruth Prassl, Nataliya S. Tropskaya, Gulzhian I. Dzhardimalieva, Denis V. Smirnykh, Alexandra A. Martynova, Nadezhda S. Kudryasheva, Cytotoxic and radical activities of metal-organic framework modified with iron oxide: Biological and physico-chemical analyses,Chemico-Biological Interactions, 399,2024, 111150, https://doi.org/10.1016/j.cbi.2024.111150.(Q1, IF= 4.7 for 2023). Web of Science, SCOPUS, ВАК (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.cbi.2024.111150

13. Артур Дзеранов, Денис Панкратов, Любовь Бондаренко, Людмила Телегина, Гульжан Джардималиева, Даниэль Самана и Камила Кыдралиева Humic acids-modified mesoporous silica encapsulating magnetite: crystal and surface characteristics CrystEngComm, Artur Dzeranov, Denis Pankratov, Lyubov Bondarenko, Lyudmila Telegina, Gulzhian Dzhardimalieva, Daniel Saman and Kamila Kydralieva. Humic acids-modified mesoporous silica encapsulating magnetite: crystal and surface characteristics. CrystEngComm, 2024, 26, 3250-3262 (год публикации - 2024)
doi.org/10.1039/D4CE00281D

14. Даниэль Саман, Любовь С. Бондаренко, Роза К. Баймуратова, Артур А. Дзеранов, Гульжиан И. Джардималиева, Наталья С. Тропская, Камила А. Кыдралиева A Statistical Design Approach for an Effective Catalyst in the Fenton Reaction in Case of Fe3O4-MOF MIL-88b (Fe) in Methylene Blue Degradation Kinetics Eurasian Journal of Chemistry, Saman, D., Bondarenko, L.S., Baimuratova, R.K., Dzeranov, A.A., Dzhardimalieva, G.I., Tropskaya, N.S., & Kydralieva, K.A. (2024) A Statistical Design Approach for an Effective Catalyst in the Fenton Reaction in Case of Fe3O4-MOF MIL-88b (Fe) in Methylene Blue Degradation Kinetics. Eurasian Journal of Chemistry. https://doi.org/10.31489/2959-0663/3-24-15 (год публикации - 2024)
10.31489/2959-0663/3-24-15

15. Н.С. Тропская, Е.В. Клычникова, Н.В. Боровкова, А.К. Евсеев, И.В. Горончаровская, М.В. Сторожева, Е.Н. Бородина, А.А. Кочетова, Л.С. Бондаренко, Р.К. Баймуратова, Г.И. Джардималиева, К.А. Кыдралиева ИССЛЕДОВАНИЕ IN VIVO АНТИ/ПРООКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТИ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКОГО КООРДИНАЦИОННОГО ПОЛИМЕРА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ОКСИДАМИ ЖЕЛЕЗА И АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТОЙ Биомедицина, Тропская Н.С., Клычникова Е.В., Боровкова Н.В., Евсеев А.К., Горончаровская И.В., Сторожева М.В., Бородина Е.Н., Кочетова А.А., Бондаренко Л.С., Баймуратова Р.К., Джардималиева Г.И., Кыдралиева К.А. Исследование in vivo анти/прооксидантной активности металлоорганического координационного полимера, модифицированного оксидами железа и аскорбиновой кислотой. Биомедицина. 2024;20(3):114–120. https://doi.org/10.33647/2074-5982-20-3-114-120 (год публикации - 2024)
10.33647/2074-5982-20-3-114-120

16. Кичеева Арина, Сушко Екатерина, Бондаренко Любовь, Баймуратова Роза, Дзеранов Артур, Кыдралиева Камиля, Тропская Наталия, Джардималиева Гульжан, Смирных Денис, Мартынова Александра, Кудряшева Надежда Cytotoxic and radical activities of metal-organic framework modified with iron oxide: Biological and physico-chemical analyses Всероссийская конференция им. академика В.И. Овчаренко "Органические радикалы и органическая электрохимия: фундаментальные и прикладные аспекты", СБОРНИК ТЕЗИСОВ (год публикации - 2024)

17. Любовь Бондаренко, Роза Баймуратова, Марко Рейндл, Верена Зак, Артур Дзеранов, Денис Панкратов, Иван Осьмушко, Камила Кыдралиева, Гульжиан Джардималиева, Дагмар Колб, Рут Прасл, Мартин Стеррер, Себастьян П. Швамингер. Designed magnetic nanoparticles for ferroptosis: Release of iron ions from metal-organic frameworks modified with iron oxides Materials Today Chemistry, Bondarenko L., Baimuratova R., Reindl M., Zach V., Dzeranov A., Pankratov D., Osmushko I., Kydralieva K., Dzhardimalieva G., Kolb D., Prassl R., Sterrer M., Schwaminge S.P. Designed magnetic nanoparticles for ferroptosis: Release of iron ions from metal-organic frameworks modified with iron oxides. Materials Today Chemistry, 2024, 42, 102332. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2024.102332 . (Q1, IF= 6.7 for 2023). Web of Science, SCOPUS (год публикации - 2024)
10.1016/j.mtchem.2024.102332

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведены систематические исследования влияния пробоподготовки (варьирование времени УЗ-обработки и температуры) перспективных образцов железосодержащих препаратов, показавших высокие прооксидантные свойства, в частности, композитов на основе металл-органического координационного полимера MIL 88b (Fe), модифицированного наночастицами магнетита и аскорбиновой кислотой и гуминовыми кислотами соответственно (Fe3O4-АК-МОКП и Fe3O4-ГК-МОКП) на их микроструктуру при введении в модельные физиологические среды: среда желудка, среда опухоли, кровяное русло, среда для люминесцентных бактерий для определения активных форм кислорода (АФК). Оценка химической стабильности соединений по измерению равновесной концентрации ионов Fe3+/Fe2+ комплексонометрическим методом с KSCN и о-фенантролином соответственно и терефталевой кислоты (ТФК) как основного компонента МОКП спектрофотометрическим методом показала стабильность комплекса Fe3O4-АК-МОКП в течение 3 и 24 часов, так как равновесная концентрация Fe3+/Fe2+ не превышает 1-5%. Повышенное содержание Fe2+ по сравнению с Fe3+, связанное с ролью аскорбиновой кислоты, благоприятствует протеканию реакции Фентона. Исследование кинетики высвобождения ТФК из композита Fe3O4-ГК-MOКП и его компонентов в 3% NaCl, дистиллированной воде, и для Fe3O4-АК-МОКП в ацетатном буфере при рН 2 показали несущественное высвобождение ТФК до 3% за 24 часа, однако при рН 7.4 равновесная концентрация ТФК составила 53 %. Показано, что Fe3O4-AК-MOКП увеличивают содержание АФК в системе и подавляют интенсивность биолюминесценции во всем тестируемом диапазоне. Проведен анализ токсических и прооксидантных свойств Fe3O4-ГК-МОКП и Fe3O4-АК-МОКП и их компонентов с использованием биолюминесцентного и хемилюминесцентного люминольного методов в модельных экспериментах с оптимизированными условиями пробоподготовки для получения гомогенизированных образцов (УЗ-обработка, 30 кГц, 3 мин, 37 оС). Показана роль ионной силы раствора на продуцирование АФК: в небиологических средах образцы нативного MOКП и Fe3O4-MOКП не продуцируют АФК в дистиллированной воде, но увеличивают образование АФК до 100 % в 3%-ном водном растворе NaCl. В комплексе с ГК содержание АФК увеличивается до 50% в обеих средах за счет полифункциональности ГК. Установлены умеренная цитотоксичность и прооксидантный эффект Fe3O4-AК-MOКП. Разработана и экспериментально обоснована методика магнитотаргетинга модельного препарата в условиях, имитирующих кровоток, с возможностью варьирования гидродинамических и магнитных параметров на примере свежеприготовленных наночастиц магнетита с учетом влияния биологических тканей и оптимизации параметров внешнего магнитного поля. Исследование зависимости эффективности захвата магнитных наночастиц проведены по изменению расстояния между магнитом и целевой зоной (0–5 см), индукции магнитного поля (0,03–0,4 Тл). Разработана математическая модель (на основе сигмоидальной функции), описывающая зависимость эффективности захвата наночастиц от параметров магнитного поля и расстояния до мишени, для прогнозирования эффективности доставки целевого препарата. Исследование эффективности образования АФК по показателям скорости деградации метиленового синего (МС) в модельных условиях кровотока , проведенное на проточной микрофлюидной установке показало снижение концентрации МС в присутствии Fe3O4-АК-MOКП при его локализации в области приложения внешнего магнитного поля за 30-60 минут до 30 % и при добавлении Н2О2 до 55 % за счет протекания реакции Фентона. При оценке эффективности Fe3O4-АК-MOКП в коррекции нарушений показателей гомеостаза на экспериментальной модели воспаления использовались препарат вводили крысам внутрижелудочно в дозах 25 и 50 мг/кг. У здоровых животных при внутрижелудочном введении композита в дозах 25 и 50 мг/кг наблюдалось значительное преходящее увеличение концентрации сывороточного железа, что не приводило к нарушению гомеостаза про/антиоксидантов. Внутрижелудочное введение композита в дозе 25 мг/кг приводило к накоплению в периферической крови лимфоцитов в поздней стадии апоптоза. На экспериментальной модели воспаления введение композита в дозах 25 и 50 мг/кг способствовало восстановлению баланса прооксидантов/антиоксидантов. Использование композита на модели воспаления в дозах 25 и 50 мг/кг демонстрирует, что запуск ферроптоза не является токсичным для организма, так как сохраняется баланс прооксидантов\антиоксидантов. Разработана оптимизированная схема лабораторной технологии получения препаратов наночастиц магнетита, модифицированных аскорбиновой кислотой, в мезопористой матрице металл-органического координационного полимера Fe3O4-AK-MOКП, показавшего высокую прооксидантную активность в экспериментах in vivo. За третий год проекта было опубликовано 5 научных статей, из них 2 в журналах Q1 (Materials Today Chemistry и Chemico-Biological Interactions), 1 в журнале Q2 (CrystEngComm)

Публикации

Возможность практического использования результатов
Сформированный банк данных по структуре, составу и физико-химическим свойствам полученных железосодержащих мезопористых материалов, позволяющий выявить закономерности, связывающие фундаментальные характеристики получаемых материалов с их прооксидантными свойствами (концентрацией активных форм кислорода) в условиях модельного многофакторного эксперимента, а также полученная модель, прогнозирующая концентрацию высвобождающихся ионов железа как катализаторов реакции Фентона, предоставляет ценный ресурс для научного сообщества по прогнозу биологической активности наночастиц в противоопухолевой терапии, что представляет несомненную важность для биомедицинских применений.