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 23-73-01077
НазваниеДвойные сенсоры на кислород и pH для времяразрешенного биоимиджинга на основе биосовместимых блок-сополимеров
Руководитель Байгильдин Вадим Азаматович, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №84 - Конкурс 2023 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; 03-301 - Синтез и химические превращения макромолекул
Ключевые слова блок-сополимеры, комплексы переходных металлов, биоимиджинг, биосенсинг, двойные сенсоры
Код ГРНТИ31.25.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на создание двойных сенсоров для определения концентрация кислорода и pH среды в внутри- и межклеточных пространствах за счет времяразрешенных люминесцентных методик. Предлагаемое решение одновременного сенсинга кислорода и pH включает разработку сенсоров, состоящих из универсального носителя, чувствительного к кислороду хромофорного центра и pH чувствительного фрагмента.
В качестве универсальной платформы будет использован блок-сополимер на основе винилпирролидона-(метил)винилтетразола, где пирролидоновая часть обеспечивает водорастворимость, а тетразольная - способность к координации с комплексами переходных металлов. Комплексы переходных металлов на основе платины [Pt(N∧C)(PPh3)Cl] и иридия [Ir(N^C)(CH3CN)2] использованы в качестве кислород-чувствительной метки. Для определения pH среды будет использован модифицированный Родамин 6G, чьи функциональные группы способны к протонированию/депротонированию. Таким образом, сенсор на концентрацию кислорода и pH среды будет иметь блочный тип и включает носитель на основе биосовместимого сополимера, комплексы переходных металлов на основе платины или иридия и флуорофор Родамин 6G.
Научная новизна предлагаемого решения состоит в том, что предполагается одновременное детектирование/картирование концентрации кислорода и pH среды в режиме фосфоресцентнго и флуоресцентного времяразрешенного биоимиджинга (PLIM-FLIM метод). Выбор PLIM-FLIM детектирования основан на его неинвазивной природе, быстрому, обратимому и реагированию на локальные изменения параметров, а также независимости результатов измерений от оптических свойств среды и концентрации сенсоров.
В литературе представлен лишь один пример двойного сенсора, работающего в режиме PLIM-FLIM, где в качестве носителя был использован человеческий сывороточный альбумин (ЧСА). Однако, в длительных экспериментах ЧСА оказался склонен к биодеструкции, что приводило к необратимым изменения люминесцентного отклика и невозможности интерпретации результатов.
Таким образом, основная задача проекта - разработка универсальной платформы, исключающей биодеструкцию в клеточном пространстве и способную к ковалентному связыванию с различными по природе люминофорами. Учитывая интенсивное развитие экспериментальной биомедицины на фоне повышенного интереса к фундаментальным аспектам функционирования живых систем (как в норме, так и при патологии), разработка двойных сенсоров на кислород и рН несомненно является актуальным направлением исследований в области биосенсорики и практического применения для решения задач современной биомедицины.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе первого года реализации проекта были наработаны блок-сополимеры на основе поли(винилпирролидона-блок-винилтетразола)а, а также синтезирован поливинилимидазол в качестве носителя другой полимерной природы. Все полученные (со)полимеры были способны одновременно координировать и конъюгировать люминофоры различной природы.
В качестве флуоресцентной pH-чувствительной метки были предложены и синтезированы квантовые точки на основе графена, которые имеют гидроксильные, амино- и нитрогруппы. Полученные квантовые точки обладали pH чувствительностью как по времени жизни, так и по эмиссии, при этом при изменении кислотности среды варьировалась только полоса эмиссии при 525 нм.
Программа второго года была расширена в связи с чем в качестве кислород-чувствительных меток были использованы не только комплексы платины типа [Pt(N∧C)(PPh3)Cl] (2 соединения), но и комплексы иридия типа [Ir(N^C)2(CH3CN)2] (3 соединения).
На основе синтезированных соединений с использованием поли(винилпирролидона-блок-винилтетразола)а были получены 5 новых конъюгатов, которые отличались друг от друга фосфоресцентной кислород-чувствительной меткой. Также был синтезирован конъюгат на основе поливинилимидазола и квантовых точек, который позволяет координировать комплексы переходных металлов непосредственно к имидазольному кольцу, что уменьшает количество синтетических стадий получения двойного сенсора. Разработанные подходы являются достаточно гибкими и позволяют проводить относительно простую и разнообразную модификацию блок-сополимеров различными люминофорами под нужную задачу.
Полученные соединения были всесторонне охарактеризованы набором современных физико-химических методов анализа. Были тщательно изучены их фотофизические свойства, построены калибровочные кривые изменения времени жизни флуорофора и фосфоресцентного эмиттера в зависимости от pH среды и концентрации кислорода. Было показано, что критически важным параметром при выборе носителя для графеновых квантовых точек является константа диссоциации полимеров, поскольку его природа может коренным образом изменять как чувствительность времени жизни, так и наклон кривой относительно изменения кислотности среды. Проведенные эксперименты продемонстрировали независимость фосфоресцентного и флуоресцентного откликов на изменение концентрации кислорода и pH среды.
Проведенные биологические эксперименты на линиях HeLa и CHO K1 подтвердили перспективность использования полученных соединений. Однако наилучший результат показал конъюгат с комплексом иридия, поскольку обладал трехкратной чувствительностью времени жизни при изменении состояния «нормоксии» на состояние «гипоксии» и демонстрировал быструю интернализацию во внутриклеточное пространство. Стоит отметить, что анализ флуоресцентного отклика от квантовых точек при проведении конфокальной микроскопии оказался нетривиальной задачей в связи с достаточно длинными для флуорофоров временами жизни. Времена жизни квантовых точек в биоимиджинговых экспериментах отличались от «растворных» экспериментов, однако их чувствительность сохранялось на том же уровне (≈1 нс) при краевых значениях физиологического диапазона pH.
Таким образом, можно заключить, что полученный конъюгат QD-POLY-Ir1 в ходе биоимиджинговых экспериментов с линиями CHO K1 и HeLa показал принципиальную возможность выступать в качестве внутриклеточного двойного сенсора для определения pH и концентрацию кислорода.
В результате поставленные на второй год задачи были выполнены и дополнены работами, направленными на расширение понимания природы люминесценции двойных сенсоров на основе графеновых квантовых точек и комплексов переходных металлов.
Публикации
1.
Байгильдин В.А., Шакирова Ю.Р., Жарская Н.А., Иванова Е.А., Силонов С.А., Соколов В.В., Туник С.П.
Design and Preparation of Lifetime Based Dual Fluorescent/Phosphorescent Sensor of pH and Oxygen and its Exploration in Model Physiological Solutions and Cells
Macromolecuar Bioscience, Macromolecular Bioscience, V. 24 (10), 2400225 (год публикации - 2024)
10.1002/mabi.202400225
2. Байгильдин В. А., Шакирова Ю. Р., Туник С. П. СОПОЛИМЕРЫ НА ОСНОВЕ N-ВИНИЛПИРРОЛИДОНА ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ МИКРОСКОПИИ Издательство «Принт Центр», Нальчик, Новые полимерные композиционные материалы. Микитаевские чтения [Текст]: Материалы XX Международной научно-практической конференции. – Нальчик: Издательство «Принт Центр», 2024, стр. 32. (год публикации - 2024)
3. Байгильдин В.А., Шакирова Ю.Р., Туник С.П. Двойной внутриклеточный FLIM/PLIM сенсор на pH и уровень кислорода Терра Инкогнита, Нижний Новгород (год публикации - 2024)