ИСТИНА

Исследование высокомолекулярных биополимеров (например, белков-рецепторов или ферментов) и количественный анализ их содержания и активности в различных тканях и органах являются необходимыми для изучения естественных биохимических процессов и патогенеза различных заболеваний, а также для исследования потенциальных лекарственных средств. В настоящее время основные используемые в этой области экспериментальные методики предполагают или изъятие образца ткани для последующего анализа ex vivo (иммуногистохимические исследования), или анализ «вторичных» показателей (например, содержание искомого биополимера или соединений, образующихся вследствие связанных с ним биохимических процессов, в крови). В первом случае, как правило, становится невозможной оценка динамики исследуемых показателей. Во втором случае возникают вопросы о достоверности выводов, сделанных на основании вторичных данных. Более специфические методы (например, использование антител или соединений-прекурсоров с включением радиоактивных изотопов для исследований in vivo), отличаются высокой сложностью и стоимостью реализации, а также применимы только для узкого спектра биополимеров. Кроме того, они в большинстве своем не позволяют проводить одновременное исследование нескольких биополимеров, что необходимо для исследования патогенеза состояний, связанных с изменениями соотношений экспрессии или активности различных биополимеров. Универсальным решением данной задачи в лабораторных условиях (с возможным последующим внедрением в клинической диагностике) может быть использование энергочувствительной компьютерной томографии (эКТ). Этот метод позволяет оценивать не только общую рентгеновскую плотность исследуемых тканей и органов, но и идентифицировать и визуализировать до 6 соединений, отличающихся по спектральным линиям входящих в их состав элементов. Таким образом, эКТ позволяет проводить одновременное прямое исследование in vivo групп биополимеров, что недостижимо с помощью других методов. Использование эКТ требует применения контрастирующих агентов (КА, т.к. элементы, входящие в состав естественных веществ биологического происхождения, обладают близкими спектральными линиями. КА должны удовлетворять ряду требований, а именно иметь высокое содержание элемента с атомным числом более 28, иметь известные и контролируемые фармакокинетические характеристики, обладать высокой аффинностью к целевым биополимерам, а также не требовать уникального процесса синтеза (что критично с учетом необходимости одновременной работы с несколькими КА для реализации всех возможностей эКТ). На данный момент подобные КА находятся на ранних стадиях разработки, причем КА, полностью удовлетворяющие всем вышеперечисленным требованиям, фактически отсутствуют. В настоящей работе предлагается использовать в качестве КА для эКТ композитные системы, представляющие собой комплексы наночастиц лантаноидов (Ln), нанесенные на наноструктурные носители на основе углерода (УНС) и/или SiO2, ковалентно связанные с «якорными» низкомолекулярными соединениями, обладающими высокой аффинностью к целевым биополимерам. Использование носителей позволит стабилизировать наночастицы Ln, упростить синтетические процессы, а также облегчить синтез КА с необходимыми фармакокинетическими параметрами. Использование Ln позволит синтезировать серии КА (отличающихся по входящему в состав композита Ln) с помощью единого синтетического процесса. В перспективе данная методика может быть также адаптирована в качестве метода контролируемой доставки низкомолекулярных лекарственных средств в ткани-мишени, что приведет к созданию принципиально новых методов фармакотерапии. Настоящий проект является междисциплинарным и предполагает проведение исследований в области химии (синтез и физико-химические исследования КА), физики (адаптация детекторов и алгоритмов обработки данных эКТ для идентицикации Ln в минимально возможных концентрациях) и биомедицины (разработка структуры необходимых КА, исследования фармакокинетики, проведение целевых исследований с использованием КА и эКТ). Проект может быть условно разделен на три части, а именно, (1) синтез и характеризацию композитов Ln-УНС/SiO2, (2) исследование фармакокинетики и оптимизация структуры композитов для достижения искомых фармакокинетических и рентгенологических характеристик и (3) синтез комплексов композитов Ln-УНС/SiO2 с низкомолекулярными «якорными» соединиями и проведение пилотных исследований с их применением.

The study of biopolymers (for example, receptors or enzymes) and the quantitative analysis of their content and activity in various tissues and organs are necessary for the study of biochemical processes and pathogenesis of various diseases, as well as for the study of potential drugs. Currently, the primary experimental methods used in this field assume either removal of a tissue sample for subsequent ex vivo analysis (immunohistochemical studies) either analysis of "secondary" indicators (for example, the content of the target biopolymer or compounds formed because of associated biochemical processes in the blood). First approach typically doesn’t allow to assess the dynamics of the parameters under study. Second approach raises questions regarding reliability of conclusions drawn from the secondary data. More specific methods (for example, the use of antibodies or precursor compounds including radioactive isotopes for studies in vivo) have some other disadvantages (i.e., high complexity and implementation costs) and can be applied only for a narrow spectrum of biopolymers. In addition, most of them do not allow simultaneous study of several biopolymers, which is necessary for the study of the pathogenesis of conditions associated with changes in the expression or activity ratios of various biopolymers. This problem can be addressed in experimental settings (with possible subsequent implementation in clinical diagnostics) can be the use of photon-counting computed tomography (PCCT). This method allows to assess not only the overall X-ray density of the tissues and organs under study, but also to identify and visualize up to 6 compounds that differ in the spectral lines of their constituent elements. Thus, PCCT allows simultaneous direct in vivo study of biopolymer systems that is unattainable with other methods. Effective use of PCCT requires the use of contrast agents (CA), since the elements that make up natural substances of biological origin have relatively similar spectral lines. CA must satisfy several requirements, namely, have a high content of an element with an atomic number of more than 28, have known and controllable pharmacokinetic characteristics, have a high affinity for the target biopolymers, and also do not require a unique synthesis process (which is critical given the need to work with several CAs simultaneously to realize all the PCCT capabilities). those that satisfy all of the above requirements are virtually absent. In this project we propose to develop and implement composite CAs constituted by lanthanide (Ln) nanoparticles deposited on nano-scaled matrix structures based on carbon (CNS) and / or SiO2, covalently bonded to low-molecular “anchor” compounds with high affinity to target biopolymers. The use of matrices will allow stabilizing Ln nanoparticles, simplifying synthetic processes, and facilitating development of CAs with the required pharmacokinetic parameters. The use of Ln will make it possible to synthesize series of CAs (differing in Ln included in the composite) using similar synthetic processes. In the future, this technique can also be adapted as a method of controlled delivery of low molecular weight drugs to the target tissue, which will lead to the creation of fundamentally new methods of pharmacotherapy. This project is interdisciplinary and involves research in the fields of chemistry (synthesis and physicochemical studies of CAs), physics (adaptation of detectors and algorithms for processing PCCT data to identify Ln in the lowest possible concentrations) and biomedicine (development of the structure of the required CAs, studies of pharmacokinetics, pilot experiments with newly produced CAs and PCCT). The project can be conditionally divided into three parts, namely, (1) synthesis and characterization of Ln-CNS / SiO2 composites, (2) study of pharmacokinetics and optimization of the structure of composites to achieve the desired pharmacokinetic and X-ray characteristics, and (3) synthesis of complexes of Ln- CNS / SiO2 with low molecular weight "anchor" compounds and pilot studies with their use.

В течение первого года выполнения работы по проекту планируется провести экспериментальную работу с углеродными наноматериалами (УНМ) различной морфологии и состава, получить металл-нанесенные композиты Ln-УНМ (Ln = La, Tm) с различным содержанием Ln от 5 до 30 масс. %, получить стабильные суспензии в воде, органических растворителях и плазме крови. В качестве УНМ будут наработаны достаточные количества малослойных графеновых фрагментов (МГФ), а также гетерозамещенные атомами N, P или B МГФ, получены их окисленные формы, а так же поверхностно-функционализированные другими группами (кислород- и азот-содержащими). Металлы Ln в виде оксидов будут нанесены на УНМ методом пропитки растворами нитратов Ln с последующим терморазложением в инертной атмосфере (размер частиц и степень равномерности их распределения по размерам сильно зависит от концентрации металлов в растворе и их содержания в конечном композите, что было показано нами ранее на примере композитов Co-УНМ [Черняк, Селяев, Суслова и др. // Кинетика и катализ 2016, 57(5), 645; Chernyak, Suslova et al // Appl. Surf. Sci. 2016, 372, 100]). Для стабилизации частиц Ln2O3 в ряде случаев предполагается дополнительно графитизировать их поверхность пиролитическим разложением метана. Параллельно с проведением экспериментальных синтетических работ по созданию композитных материалов на основе УНМ будут проведены пилотные исследования по синтезу композитов на основе SiO2. Для получения частиц Ln2O3-SiO2 со структурой типа core-shell будут использованы методы последовательного осаждения частиц Ln2O3 и SiO2. Кроме того будут получены смешаннооксидные Ln2O3-SiO2 системы. Полученные композиты будут изучены с помощью комплекса физико-химических исследований, включая ИК-спектроскопию, РФЭС, SБЭТ, термогравиметрию, элементный анализ. Методом ПЭМ ВР предполагается установить структурные особенности индивидуальных материалов и композитов на их основе, размер частиц металлов, интерметаллидов, оксидов, микродифракцией – их фазы. Методом РФА предполагается подтверждать фазовый состав объемных образцов. Термический анализ для композитов будет сделан с целью выяснения их термической стабильности, а также установления диапазонов возможных рабочих температур в условиях каталитического эксперимента. Метод РФЭС позволит оценить наличие функциональных групп на поверхности и природу взаимодействия углеродных структур с металлом или оксидом. Полученные контрастные агенты будут апробированы в условиях энергочувствительной КТ in vitro для оценки их рентгенографических характеристик, в частности, минимально регистрируемых концентраций в различных средах. Параллельно будут проведены пилотные исследования фармакокинетики и оценка токсикологического профиля композитов in vivo для уточнения их целевых физико-химических характеристик и оптимизации дальнейших синтетических работ.

На Химическом факультете МГУ имени М.В, Ломоносова детально разработаны подходы к синтезу наночастиц углерода различной морфологии и свойств. Вторым направлением можно считать успехи по ковалентной функционализации поверхности частиц УНМ. Например, были получены частицы МГФ ковалентно связанные мостиками C-O-Si-O-C . Разработаны многочисленные методики по модификации поверхности УНМ в гидротермальных условиях, ковалентной пришивкой к карбоксилированным структурам , обработкой УНМ аммиаком in situ или постфункциональной обработкой . Огромная работа проделана по получению металлнанесенных композитов, которые использовались в качестве катализаторов процессов восстановительной конверсии CO и CO2 . Показано, что с увеличением содержания металла размер частиц увеличивается, а добиться гомогенности становится сложнее (рис. 2 иллюстративного материала). Кроме того, нами получены композиты Tm/УНМ, в которых частицы Tm представляют собой кластеры, содержащие насколько атомов. Давно ведутся работы по получению аморфного SiO2 и активированного угля из золы рисовой шелухи . При этом направленно получен SiO2 с высокими значениями SБЭТ, с чистотой более 99,99 % в аморфном состоянии, что позволило нам внедрить этот продукт в качестве наполнителей зубных паст и лекарственных препаратов . У Сусловой Е.В. накоплен опыт по золь-гель процессу, предполагающий осаждении наночастиц (в том числе и SiO2 ) из водных и органических растворителей. Этим способом предполагается получать частицы со структурами типа core-shell. Коллективу доступна материально-приборная база Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, а члены коллектива обладают большими навыками работы как с самими приборами, так и интерпретацией данных физико-химических анализов.

Применение разработанной методики для исследования изменений многокомпонентной системы биополимеров в условиях экспериментальной модели патологического процесса и его фармакологической коррекции