Создание олигомерных контрастирующих препаратов для МРТ визуализации опухолей головного мозга

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 25-72-20052

НазваниеСоздание олигомерных контрастирующих препаратов для МРТ визуализации опухолей головного мозга

Руководитель Коловская Ольга Сергеевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" , Красноярский край

Конкурс №108 - Конкурс 2025 года на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова контрастирующий препарат, магнитно-резонансная томография, хелатирующий агент, гадолиний, аптамер, малоугловое рентгеновское рассеяние, модель клеточной мембраны, пленки Ленгмюра, микрофлюидный чип, олигонуклеотид, пространственная структура, молекулярное моделирование, молекулярная динамика, атомно-силовая микроскопия, опухоль головного мозга

Код ГРНТИ29.12.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Недавние достижения в области магнитно-резонансной томографии (МРТ) значительно улучшили диагностику опухолей мозга, особенно глиом. Однако протоколы со стандартными контрастирующими агентами на основе гадолиния не всегда отражают истинные границы опухоли, поскольку накопление контрастного вещества в зонах отека может быть неспецифическим, а при нарушенном кровообращении — недостаточным. Традиционная МРТ также сталкивается с трудностями в дифференциации глиом от других заболеваний, таких как воспалительные процессы или посттравматические изменения. Проблема усугубляется тем, что контрастные вещества плохо проникают через гематоэнцефалический барьер, и их невысокая специфичность требует использования больших концентраций, что может приводить к токсическим эффектам. Это ограничивает возможность ранней диагностики агрессивных опухолей. Таким образом, существует острая необходимость в разработке современных неинвазивных стратегий визуализации и создании новых специфичных контрастных агентов для улучшения диагностики глиом. Проект по созданию инновационных контрастирующих средств для МРТ направлен на улучшение как диагностики, так и навигации при операциях. Ключевые этапы проекта включают компьютерное моделирование, синтез и тестирование вариантов конструкций на основе аптамеров, которые связываются исключительно с опухолевыми клетками, обеспечивая целевую доставку контрастирующего препарата (далее — селективные контрастирующие агенты (СКА)). Для наиболее перспективных СКА будут определены и валидированы белковые мишени. Структуры СКА и их комплексов с белками будут определены на станции БиоМУР КИСИ Курчатов. Механизмы проникновения СКА будут изучены с использованием модельных мембран на станции Ленгмюр КИСИ Курчатов, а также с помощью лазерной сканирующей и атомно-силовой микроскопии в организации-соисполнителе — Школе медицины ДВФУ, на первичных культурах глиальных опухолей. Для проверки прохождения СКА через гематоэнцефалический барьер будет разработана микрофлюидная ячейка с привлечением специалистов из организации-соисполнителя ЮФУ, а механизмы прохождения СКА будут определены с помощью рентгеновской томографии (станция РТ-МТ ОИ КИСИ Курчатов). На заключительном этапе планируется оценка эффективности СКА в сравнении со стандартным контрастирующим препаратом Оминскан на рентгеновской томографии (станция РТ-МТ ОИ КИСИ Курчатов) и МРТ (ФИЦ КНЦ СО РАН) с использованием моделей человеческих глиальных опухолей, трансплантированных мышам. Этот проект является продолжением работы с Объединенным институтом Курчатова, и алгоритмы, разработанные ранее, послужат основой для новых исследований. Разработка нового СКА была инициирована фармацевтической компанией Р-Фарм и поддержана нейрохирургами БСПМ имени Н.С. Карповича. Ожидается, что результатом проекта станет прототип селективного контрастирующего препарата, который значительно улучшит раннюю диагностику и мониторинг лечения опухолей мозга. Проект предполагает междисциплинарный подход, объединяющий физику, биологию, химию и нейрохирургию. Такой комплексный подход обеспечит высокий научный и практический потенциал исследования, открывая новые возможности для диагностики и лечения злокачественных опухолей мозга.

Ожидаемые результаты
1. Будут смоделированы, синтезированы и апробированы селективные контрастирующие агенты (СКА) на основе ДНК-аптамеров, хелаторов и гадолиния, способные проходить через гематоэнцефалический барьер головного мозга in vivo и селективно связываться с клетками глиальных опухолей головного мозга человека. 2. Будут смоделированы и экспериментально изучены структуры оптимальных СКА, обеспечивающие селективное связывание с опухолевыми клетками мозга. 3. Будут изучены механизмы действия СКА, их способность проходить в головной мозг через гематоэнцефалический барьер и проникать внутрь клеток. С помощью компьютерного моделирования будут получены молекулярные модели их поведения при взаимодействии с клеточными мишенями и клеточными мембранами. 4. Будет проведена оценка эффективности СКА на клеточных и животных моделях, подобраны режимы для КТ и МРТ. По результатам проекта предполагается опубликовать в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях белого списка 9 публикаций за четыре года.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках реализации отчетного периода был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание и всестороннее изучение новых таргетных агентов для диагностики глиобластомы на основе ДНК-аптамеров. Работы охватили все ключевые этапы разработки — от компьютерного моделирования и синтеза до структурного анализа, идентификации биологических мишеней и первичной доклинической оценки. Ключевые выполненные работы и достигнутые результаты: 1. Моделирование и анализ стабильности аптамерных конструкций. С помощью методов молекулярной динамики проведено детальное исследование конформационных изменений аптамеров Gli233 и Gli55 и их конъюгатов с хелатирующими агентами (DTPA и хлорином е6). Впервые показано, что присоединение объемных хелатных групп к 5’-концу аптамеров не нарушает их нативную пространственную структуру. Значения среднеквадратичного отклонения (RMSD) для конъюгатов оставались на уровне 2 Å, что сравнимо со свободными аптамерами. Важно, что ключевые для связывания петлевые участки сохраняли высокую гибкость. Это фундаментальное открытие подтверждает возможность создания стабильных гибридных молекул «аптамер-хелатор» без потери таргетных свойств аптамера. 2. Разработка и применение модели первичных клеток глиомы человека. Для повышения клинической релевантности исследований был разработан и успешно применен оптимизированный протокол получения и долгосрочного культивирования первичных клеточных культур из послеоперационного материала пациентов. Создана коллекция из четырех культур, охарактеризованных по морфологии, кинетике роста и способности к образованию опухолевых сфер (нейросфер). Эта уникальная модель позволила проводить исследования на клетках, максимально близких к реальной опухоли пациента. 3. Химический синтез и характеристика новых биоконъюгатов. Осуществлен полный цикл многостадийного синтеза целевых диагностических конструкций. Впервые получены и охарактеризованы: • Парамагнитные комплексы гадолиния: Gd-DTPA и Gd-Ce6. • Ковалентные конъюгаты аптамеров с гадолиниевым хелатом: Gd-DTPA-Gli233 и Gd-DTPA-Gli55. • Конъюгат праймера AmPrCom5 с фотосенсибилизатором Ce6 для построения модульных систем. Образование конъюгатов подтверждено спектральными методами (УФ-видимая и флуоресцентная спектроскопия). Проведены базовые измерения релаксационных свойств (время T1) ионов гадолиния, что заложило основу для интерпретации данных МРТ. 4. Структурное исследование в растворе методом МУРР. На синхротронной станции проведен анализ пространственной структуры аптамеров и их конъюгатов. Экспериментально определены радиусы инерции и максимальные размеры молекул, которые с высокой точностью совпали с данными компьютерного моделирования. Важнейшим практическим открытием стало выявление склонности всех полученных конъюгатов к агрегации в водных растворах. Для конъюгата Gd-DTPA-Gli233 метод МУРР выявил даже образование упорядоченной ламеллярной фазы. Этот результат имеет критическое значение, так как указывает на необходимость оптимизации составов для предотвращения агрегации в последующих биологических и in vivo исследованиях. 5. Идентификация биологических мишеней аптамеров Gli233 и Gli55. С помощью модифицированной технологии AptaBiD и высокоточной масс-спектрометрии ЖХ-МС/МС впервые проведен протеомный анализ белков, специфически связывающихся с изучаемыми аптамерами в первичных клетках глиомы. Для аптамера Gli233 выявлено 14 белков-кандидатов, для Gli55 – 7. Среди них идентифицированы ключевые и известные маркеры глиом, такие как глиальный фибриллярный кислый белок (GFAP), виментин, основной белок миелина и нуклеолин. Биоинформатический анализ показал принадлежность мишеней к различным клеточным компартментам и функциям, что проясняет сложный механизм взаимодействия аптамеров с опухолевой клеткой и подтверждает их биологическую релевантность. 6. Первичная оценка in vivo на модели ксенотрансплантации. Разработана и валидирована модель глиобластомы на иммунодефицитных мышах. Проведена первая доклиническая оценка синтезированных конъюгатов в качестве контрастных агентов для МРТ. Несмотря на то, что ожидаемого контрастного усиления опухоли обнаружено не было, этот отрицательный результат имеет высокую научную ценность. Он напрямую указывает на выявленные ранее проблемы, такие как потенциальная агрегация конъюгатов in vivo или недостаточная локальная концентрация, и четко определяет направления для дальнейшей оптимизации конструкций. В отчетном периоде были выполнены работы, позволившие перейти от концепции к созданию реальных прототипов таргетных агентов. Доказана структурная стабильность конъюгатов на основе аптамеров, разработаны и освоены методы их синтеза, идентифицированы биологические мишени, что подтверждает специфичность выбранных аптамеров. Полученные данные носят комплексный и взаимодополняющий характер. Важнейшим достижением стало не только подтверждение рабочих гипотез, но и выявление ключевых технологических барьеров (агрегация), что фокусирует дальнейшие исследования на решении конкретных практических задач по оптимизации свойств конструкций для повышения их эффективности in vivo. Все результаты верифицируемы и формируют прочную основу для последующих этапов проекта.

Публикации

1. Лузан Н.А., Замай Т.Н., Жанг П., Народов А.А., Замай Г.С., Кичкайло А.С., Березовский М.В., Коловская О.С. Innovative aptamer approaches in glial tumor diagnostics and therapy: Progress and future directions Cell Press, Molecular Therapy - Nucleic Acids. - 2025. - Vol.1, №102744. - P.1-25. (год публикации - 2025)
10.1016/j.omtn.2025.102744