Название работы: Создание агентов для тераностики на основе нано - и микроструктур

Научный руководитель:

К. б.н., направление подготовки 03.01.03 – молекулярная биология

Название работы: Создание агентов для тераностики на основе нано - и микроструктур.

Аспирант или молодой ученый: Молодой учёный

Место работы (учебы): Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биоорганической химии им. академиков и Российской академии наук ФАНО

Должность: Младший научный сотрудник

Адрес электронной почты: viktoriya. *****@***edu

Программа и план исследований.

1. Формулировка решаемой проблемы (описание проблемной ситуации, сложившейся в данном научном направлении).

Разработка и реализация подходов к высокоселективной диагностике и эффективной терапии онкозаболеваний является актуальным направлением развития современной биомедицины. Особое внимание исследователей в данной области привлекает идея адресной доставки терапевтических соединений в очаг заболевания (V. Shipunova et al., Nanoscale, 2016; M. Nikitin, V. Shipunova et al., Nature Nanotechnology, 2014). При этом реализация концепции «магической пули» (сформулированной основоположником химиотерапии, лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908 года Паулем Эрлихом) – идеального агента для терапии и диагностики, который не задевает здоровые ткани и не имеет при этом побочных эффектов, является по сей день актуальной нерешённой задачей. Отдельного внимания в развитии данных направлений заслуживает тераностика – объединение терапевтических и диагностических функций препаратов и методов лечения в одно целое.

Уникальными объектами, которые обладают огромным биомедицинским потенциалом, являются микро - и наночастицы, а также структуры на их основе. В отличие от макрообъектов, а также биомолекул, наночастицы сами по себе являются мультифункциональными структурами, которые могут обладать как терапевтическими, так и диагностическими функциями. Так, вследствие проявления квантовых размерных эффектов, у наноструктур появляются функции, не присущие массивным образцам, такие как, например, суперпарамагнетизм у магнитных материалов или флуоресценция у полупроводниковых кристаллов. Более того, высокая доля поверхностных атомов у наноструктур позволяет модифицировать их поверхность различными нацеливающими элементами, а также токсинами, радионуклидами и другими биологически активными модальностями. Все вышеописанные свойства позволяют рассматривать наноструктуры как потенциально эффективные объекты для тераностики, однако их использование в биомедицине невозможно без привлечения нестандартных подходов к дизайну и модификации биологически активными соединениями таким образом, чтобы и сохранить внутренне присущее нанообъектам свойства и добавить при этом новый функционал. Необходима также разработка эффективных схем введения и доставки наноструктур в организме с целью предотвращения их быстрого элиминирования органами РЭС и преимущественного накопления в печени для реализации всего возможного биомедицинского потенциала. Также проблема систематизации знаний касательно поведения нанообъектов в организме остаётся не только нерешённой на сегодняшний день, но и жёстко необходимой задачей для развития нанобиомедицины и тераностики в целом.

Данная заявка представляет собой многопрофильное научное исследование на стыки нанобиоинженерии, химии, молекулярной и клеточной биологии и генной инженерии и направлено как на создание структур для тераностики, так и на поиск путей их максимально эффективного использования в организме для диагностики и терапии онкозаболеваний.

Как подробно изложено в последующих пунктах данной заявки, направление данного научного исследования в точности соответствует направлению Н3 стратегии НТР РФ «Н3 Переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов (прежде всего антибактериальных)».

2. Цели научного исследования.

Целью данного научного исследования является создание, всесторонняя характеристика и исследование биологической активности наноструктур, которые могут контролируемо воздействовать на раковые клетки, при этом 1) минимально связываться с нецелевыми клетками, 2) выступать в качестве диагностического средства (быть легко детектируемыми физическими методами), 3) выступать в качестве терапевтического средства – селективно уничтожать раковые клетки.

3. Задачи научного исследования.

Для достижения сформулированных выше целей планируется поэтапное решение следующих задач:

1. Разработка новых подходов к созданию структур на основе наночастиц, способных к селективному уничтожению раковых клеток с высокой эффективностью.

2. Всесторонняя физико-химическая и биохимическая характеристика полученных структур.

3. Разработка эффективных схем мечения полученными наноструктурами раковых клеток в культуре in vitro на клеточных линиях с экспрессией широко известных в клинической практике онкомаркёров.

4. Исследование противораковой эффективности полученных наноструктур на культурах опухолевых клеток.

5. Исследование поведения разработанных наноструктур в организме. Поиск оптимальных путей и схем введения в организм для достижения наибольшей эффективности их функционирования.

6. Исследование возможности эффективного использования полученных наноструктур для визуализации/торможения роста раковых клеток in vivo.

4. Методы решения задач научного исследования.

Для решения поставленных задач планируется использование следующих методов:

1) Исследование связывания наноструктур с клетками планируется проводить разработанным автором данной заявки методом, а именно, методом MPQ-цитометрии (V. Shipunova et al., Nanoscale, 2016; MPQ – Magnetic Particle Quantification). Разработанный метод MPQ-цитометрии представляет собой высокочувствительный способ для количественной характеристики взаимодействия наноструктур с живыми клетками. Разработанный метод нацелен на применение в исследованиях различных процессов взаимодействий между наночастицами и клетками, таких как интернализация и деградация, специфичное и неспецифичное связывание, с целью поиска оптимальных частиц для биомедицинских применений. В отличие от оптических методов, включая те, которые основаны на флуоресценции, на результаты измерений MPQ-цитометрии не влияют оптические свойства образца: метод позволяет детектировать наночастицы, связанные с клетками, даже в оптически непрозрачных средах и вне зависимости от многих факторов, таких, как выгорание или окисление меток, зависимость их свойств от pH или температуры, аутофлуоресценция образцов, модификация наночастиц после интернализации в клетки и ряда других. При этом измерения проходит в режиме реального времени при комнатной температуре, чувствительность составляет 0.33 нг частиц в объёме 20 мкл, линейный диапазон измерений – 7 порядков. При этом, в отличие от других аналитических методов, данный не отличается высокой стоимостью и не требует дорогих расходных материалов, а результаты измерений коррелируют с данными других методов, например, с «золотым стандартом» - методом проточной цитометрии с коэффициентом корреляции 0.99.

2) Синтез наночастиц планируется проводить как стандартными широко известными методами, например, методом копреципитации солей железа для получения наночастиц магентита, так и планируется разработать ряд оригинальных методов для получения частиц, способных адресно воздействовать на раковые клетки и селективно вызывать их гибель.

3) Исследование агрегативной и седиментационной устойчивости наночастиц и структур на их основе планируется проводить как визуально, так и методом динамического светорассеяния.

4) Исследование морфологии получаемых наноструктур планируется с помощь методов микроскопии: световой, электронной – просвечивающей и/или сканирующей.

5) Измерение дзета-потенциала получаемых структур планируется проводить методом электрофоретического светорассеяния.

6) Исследование эффективности поверхностной модификации наноструктур биомолекулами планируется в формате иммунохроматографии на нитроцеллюлозных тест-полосках и/или в формате твердофазного иммуноферментного анализа.

7) Мечение белков флуоророфорами для их визуализации на поверхности наночастиц планируется с использованием NHS-эфиров данных флуорофоров.

8) Исследование поведения наноструктур в организме in vivo планируется с применением MPQ-регистратора для изучения динамик выведения из кровотока магнитных наночастиц, а также с помощью систем прижизненной визуализации мелких лабораторных животных для изучения поведения флуоресцентных и других типов наночастиц. MPQ технология позволяет неинвазивно измерять количество нелинейных магнитных материалов в организме животных (например, в хвосте мыши, находящегося в измерительной зоне прибора). Такими нелинейными материалами могут быть, в частности, суперпарамагнитные наночастицы оксида железа, находящиеся в кровотоке животных. Данный метод для исследования поведения наночастиц в кровотоке выгодно отличается от многих существующих тем, что не требует регулярных заборов крови у животного для получения статистически значимых данных. MPQ технология позволяет получать данные о поведении одного типа частиц, используя для этого одно животное, группа животных используется для получения биологической погрешности.

5. Основное содержание научного исследования.

Ожидается, что результатом выполнения данного научного исследования станут следующие результаты.

1.Ожидается, что удастся получить спектр наноструктур с требуемыми характеристиками. Ожидается, что будет проведена всесторонняя характеристика полученных наноструктур различным физико-химическими и биохимическими методами. Ожидается, что удастся получить такие структуры, которые будут обладать оптимальным соотношением таких характеристик, как 1) магнетизм (в т. ч. магнитомягкость/магнитожёсткость); 2) флуоресценция; 2) биоинерность покрытия; 3) возможность модификации покрытия как низкомолекулярными флуорофорами, так и белковыми молекулами; 4) наличие в композиции противоракового агента; 5) агрегативная и седиментационная стабильность; 6) биодеградируемость; 7) узкодисперсность.

2. Ожидается, что удастся разработать как эффективные формуляции наноструктур, так и эффективные системы и схемы мечения полученными наноструктурами клеток эукариот. Ожидается, что удастся получить структуры, способные эффективно и селективно уничтожать раковые клетки и продемонстрировать данную возможность в культуре клеток in vitro.

3. Ожидается, что удастся получить фундаментальные характеристики, определяющие поведение структур на основе нано - и микрочастиц в организме лабораторных животных с применением различных физических и биохимических методов. Ожидается, что разработанные ранее формуляции наноструктур, продемонстрировавшие высокую эффективность для мечения раковых клеток в культуре in vitro, будут успешно использованы для визуализации и/или селективного уничтожения раковых клеток in vivo.

Публикации по теме работы, перечень в Web of Science:

№ п/п	Название публикации	Авторы публикации	Название издания	Год издания
1	MPQ - cytometry: a magnetism - based method for quantification of nanoparticle - cell interactions	Shipunova, VO; Nikitin, MP; Nikitin, PI; Deyev, SM	NANOSCALE	2016
2	A comprehensive study of interactions between lectins and glycoproteins for the development of effective theranostic nanoagents	Shipunova, V. O.; Nikitin, M. P.; Zelepukin, I. V.; Nikitin, P. I.; Deyev, S. M.; Petrov, R. V.	DOKLADY BIOCHEMISTRY AND BIOPHYSICS	2015
3	Biocomputing based on particle disassembly	Nikitin, Maxim P.; Shipunova, Victoria O.; Deyev, Sergey M.; Nikitin, Petr I.	NATURE NANOTECHNOLOGY	2014
4	Polyethyleneimine - coated magnetic nanoparticles for cell labeling and modification	Shipunova, V. O.; Nikitin, M. P.; Lizunova, A. A.; Ermakova, M. A.; Deyev, S. M.; Petrov, R. V.	DOKLADY BIOCHEMISTRY AND BIOPHYSICS	2013
5	Lectin - based Nanoagents for Specific Cell Labelling and Optical Visualization	Shipunova, VO; Nikitin, MP; Nikitin, PI; Deyev, SM	2016 INTERNATIONAL CONFERENCE LASER OPTICS (LO)	2016
6	Complexes of magnetic nanoparticles and scFv antibodies for targeting and visualizing cancer cells	Shipunova, VO; Nikitin, MP; Mironova, KE; Deyev, SM; Nikitin, PI	2015 IEEE 15TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NANOTECHNOLOGY (IEEE - NANO)	2015
7	Development of Immunoassays Using Interferometric Real - Time Registration of Their Kinetics	Orlov, A. V.; Burenin, A. G.; Shipunova, V. O.; Lizunova, A. A.; Gorshkov, B. G.; Nikitin, P. I.	ACTA NATURAE	2014

Тезисы докладов:

	Название конференции: Name of conference:	Место и время проведения: Conference place and time of presentation:	Название доклада: Title of the report:
1	Объединённый научный форум. Международная научная конференция по биоорганической химии «XII чтения памяти академика Юрия Анатольевича Овчинникова». VIII Российский симпозиум «Белки и пептиды».	18-22 сентября, 2017 г., Москва, Россия	, , . Исследование мультифункциональных систем на основе наночастиц, контролируемо воздействующих на клетки эукариот, для создания эффективных агентов тераностики. – КМУ, стенд. , , . Разработка методов поверхностной модификации наночастиц с целью создания агентов для тераностики. – устный.
2	Moscow International Symposium on Magnetism – MISM 2017	1-5 июля 2017 г., Москва, Россия	V. O. Shipunova, S. M. plex study of Multifunctional Magnetic Nanostructures for the Development of Effective Theranostic Nanoagents.
3	The 42nd FEBS Congress	10-14 сентября 2017 г., Иерусалим, Израиль	V. Shipunova, M. Nikitin, S. Deyev. Self-assembling multifunctional nanostructures for the controlled delivery to cancer cells.
4	Биотехнология: состояние и перспективы развития	20-22 февраля 2017 г., Москва, Россия	Мультифункциональные наноструктуры на основе магнитных частиц и новые методы их детекции для контролируемого воздействия на клетки эукариот. Shipunova V. O., Deyev S. M. Magnetic particles based multifunctional nanostructures and new methods for their detection for the controlled delivery to eukaryotic cells.
5	XXIX Зимняя молодёжная научная школа Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии	7-10 февраля 2017 г., Москва, Россия	, , Деев подходы к поверхностной модификации наноструктур с целью их эффективного использования для биомедицинских применений.
6	Laser Optics 2016	27 июня -1 июля 2016 г., Санкт-Петербург, Россия	V. Shipunova, M. Nikitin, P. Nikitin, S. Deyev. Lectin-based Nanoagents for Specific Cell Labelling and Optical Visualization
7	XXVIII Зимняя молодёжная научная школа Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии	8-11 февраля 2016 г., Москва, Россия	, , Деев структуры на основе наночастиц для селективного мечения клеток in vitro и in vivo. , , Деев конструкции на основе магнитных наночастиц, выполняющие логические операции, для селективного мечения клеток.
8	58-я научная конференция Московского Физико-Технического Института	23-28 ноября 2015 Москва-Долгопрудный-Жуковский, Россия	, , . Изучение взаимодействия модифицированных лектинами наночастиц с клетками эукариот с целью разработки эффективных тераностических наноагентов
9	IEEE Nano 2015	27-30 июля 2015 Рим, Италия	V. O. Shipunova, M. P. Nikitin, P. I.Nikitin, S. M. plexes of magnetic nanoparticles and scFv antibodies for targeting and visualizing cancer cells.
10	БИОЛОГИЯ – НАУКА ХХI ВЕКА: 19-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых	20-25 апреля 2015 Пущино, Россия	, , Деев надмолекулярные комплексы на основе магнитных частиц для контролируемого воздействия на опухолевые клетки.
11	XXVII Зимняя молодёжная научная школа “Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии”	9-12 февраля 2015 Москва, Россия	, , Деев конструкции на основе магнитных частиц для контролируемой доставки к клеткам in vitro и in vivo.
12	Future Biotech – Современная биология и биотехнологии будущего	Звенигород, Россия, 26.01.2014 - 01.02.2014	Шипунова детекции экспрессии антигенов на поверхности клеток на основе нелинейных свойств магнитных наночастиц.
13	10th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers	Дрезден, Германия, 10.06.2014 - 14.06.2014	V. O. Shipunova, M. P. Nikitin, P. I.Nikitin, S. M. Deyev. Magnetic nanoparticles for imaging and quantitative analysis of the oncomarker HER2/neu expression on the cell surface.
14	БИОЛОГИЯ – НАУКА ХХI ВЕКА: 17-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых	Пущино, Россия, 22.04.2013 - 26.04.2013	, , Деев наночастицы для визуализации и количественного анализа экспрессии онкомаркера HER2/neu на поверхности опухолевых клеток.
15	XXV Зимняя молодёжная научная школа “Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии	Москва, Россия, 11.02.2013 - 15.02.2013	, , . Магнитные наночастицы, оснащенные адресными элементами, для доставки к клеткам-мишеням.