Оптимизация свойств новых тераностических углеродных наноагентовНИР

Optimization of the properties of new theranostic carbon nanoagents

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 20 апреля 2017 г.-31 декабря 2017 г. Оптимизация свойств новых тераностических углеродных наноагентов - этап 2017 г.
Результаты этапа: В отчетном году проводились работы по подготовке/характеризации углеродных наночастиц (УНЧ) к проведению запланированных исследований, а также сами исследования суспензионных, адсорбционных и флуоресцентных свойств УНЧ в зависимости от молекулярных взаимодействий УНЧ с окружающей средой. В рамках выполнения Проекта проводилась разработка метода оптической визуализации УНЧ в биоткани с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС). В дополнение к запланированным на 2017 г. работам по созданию метода оптической визуализации УНЧ в биосистеме были не только получены базы экспериментальных данных для решения обратных задач флуоресцентной спектроскопии с помощью (ИНС), но и полностью решены задачи классификации и определения концентрации углеродных нанокомпозитов и их компонентов в биоткани. Были достигнуты следующие научные результаты: 1. Охарактеризованы и подготовлены к проведению запланированных исследований следующие углеродные наночастицы: детонационные наноалмазы (ДНА) с полифункциональной поверхностью (ДНА-пф) и с поверхностью, модифицированной следующими функциональными группами: СООН, ОН, Н, Cl; наноалмазы, легированные азотными вакансными центрами (НА-NV) и бором (НАЛБ); окислы графита - углеродные точки (УТ), синтезированные методом Хаммерса. Все образцы, использованные в исследованиях, проводимых в отчетном году, были проверены и охарактеризованы в порошкообразном виде с помощью просвечивающей электронной микроскопии, конфокальной спектроскопии КР и флуоресцентной спектроскопии. 2. Получены зависимости суспензионных, флуоресцентных и сорбционных свойств исходных и модифицированных УНЧ в суспензиях от характеристик наночастиц и окружающей среды. 2.1. В результате исследования суспензионных свойств УНЧ в зависимости от их концентрации, типа функциональных поверхностных групп ДНА, от полярности растворителей и концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ) в суспензии на данном этапе установлено следующее: а) Все исследованные наночастицы образуют стабильные суспензии в воде, этаноле и метаноле в диапазоне концентраций до 1-2 г/л. б) С увеличением концентрации НА от 0 до 1 г/л размеры наночастиц изменяются в пределах ошибки, а дзета-потенциалы наночастиц увеличиваются по модулю на 13-18%. в) Агрегация ДНА в суспензиях зависит от типа функциональных поверхностных групп НА. г) В этаноле и метаноле наблюдается незначительная агрегация ДНА. д) Присутствие ПАВ, в том числе, с концентрацией, большей концентрации мицеллообразования, оказывает существенное влияние на суспензионные свойства НА в воде. Результаты этих исследований описаны в публикациях: http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/1536383X.2017.1354291 https://elibrary.ru/item.asp?id=29429640 2.2. В результате исследования зависимостей эффективности и стабильности флуоресцентных свойств исходных и модифицированных УНЧ в суспензиях от концентрации наночастиц, типа их поверхностных групп, полярности растворителей, а также от присутствия в суспензиях ионов и молекул ДНК, обнаружено следующее: 1) В водных суспензиях при изменении концентрации НА и УТ от 0 до 5 г/л интенсивность флуоресценции УНЧ не достигает насыщения: флуоресценция растет с ростом концентрации частиц. 2) Интенсивность флуоресценции ДНА зависит от типа функциональных поверхностных групп, а именно, получен следующий ряд по уменьшению флуоресценции ДНА в зависимости от поверхностного покрова: ДНА-Н > ДНА-СООН > ДНА-пф > ДНА-ОН > ДНА-Cl 3) Флуоресцентные свойства ДНА-СООН и УТ (обнаружено ранее) существенно зависят от полярности растворителя: при одной и той же концентрации УНЧ интенсивнее всего флуоресцируют в наименее полярном растворителе – этаноле/изопропаноле, а в самом полярном растворителе – воде – интенсивность их флуоресценции наименьшая. Результаты этих исследований описаны в публикациях: http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/1536383X.2017.1354291 https://elibrary.ru/item.asp?id=29429640 4) В присутствии солей Cu(NO3)2, NaNO3, KNO3, Na2SO4 и CuSO4 в водных суспензиях ДНА-СООН флуоресценция наночастиц существенно увеличивается. Основное усиление флуоресценции ДНА обеспечивают анионы: нитрат-анионы усиливают флуоресценцию больше, чем сульфат-анионы. 5) В результате взаимодействия молекул ДНК с поверхностью ДНА-СООН 5, ДНА-СООН 10, НА-NV флуоресценция НА увеличивается на 1%, 49% и 15%, соответственно. Результаты этих исследований описаны в публикации: Vervald E.N., Laptinskiy K.A., Vlasov I.I., Shenderova O.A., Dolenko T.A. DNA-Nanodiamond Interaction Effect on Nanodiamond Fluorescence. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics (2018 г.) 2.3. Определена адсорбционная активность НА в суспензиях по отношению к ионам, в том числе, тяжелых металлов, и ДНК в зависимости от концентрации наночастиц и типа их поверхностных групп. 1) В результате исследования адсорбции солей NaNO3, KNO3, Cu(NO3)2, CuSO4 и Na2SO4 на поверхность ДНА-СООН установлено, что: а) Адсорбция катионов возрастает в ряду Cu2+>K+>Na+. б) Анионы гораздо активнее катионов адсорбируются на поверхность ДНА-СООН. в) Нитрат-анионы адсорбируются активнее сульфат-анионов. Дополнительно к запланируемым исследованиям был проведен анализ спектров ИК поглощения ДНА с адсорбируемыми ионами. Установлено, что при адсорбции нитрат-анионов превалирует химическая адсорбция, все остальные исследованные ионы взаимодействуют с поверхностью ДНА-СООН посредством физической адсорбции. Обнаружена корреляция между эффективностью адсорбции ионов на поверхность ДНА и изменением флуоресценции наночастиц: чем активнее ионы адсорбируются, тем интенсивнее флуоресценция детонационных наноалмазов в воде. 2) В результате изучения взаимодействий ДНК с поверхностью ДНА-СООН 10, ДНА-СООН 5 и НА-NV оценена активность взаимодействия ДНА с каждым из указанных НА. Установлено, что активнее всего с ДНК взаимодействует НА-NV. Обнаружена корреляция между эффективностью взаимодействия и изменением флуоресценции ДНА: чем активнее ДНК взаимодействуют с ДНА, тем интенсивнее флуоресценция ДНА в воде. Дополнительно к запланированным исследованиям проведен анализ спектров ИК провзаимодействовавших ДНК и ДНА. Установлено, что молекулы ДНК и наноалмазы взаимодействуют посредством физической адсорбции. Результаты этих исследований описаны в публикации: Vervald E.N., Laptinskiy K.A., Vlasov I.I., Shenderova O.A., Dolenko T.A. DNA-Nanodiamond Interaction Effect on Nanodiamond Fluorescence. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics (2018 г.) 2.4. С помощью лазерной спектроскопии КР исследованы межмолекулярные взаимодействия функциональных поверхностных групп НА с растворителем и биомакромолекулами, а также влияние молекулярных взаимодействий на оптические, сорбционные и суспензионные свойства наночастиц. На основании сравнительного анализа зависимостей количественных характеристик валентных полос ОН-групп водных суспензий исходных и модифицированных ДНА от их концентрации получен следующий ряд по степени ослабления ими водородных связей в воде: ДНА-Н > ДНА-СООН > ДНА-пф > ДНА-ОН > ДНА-Cl. Установлено, что: а) Наноалмазы ослабляют силу водородных связей в воде, причём, гидрофобные наноалмазы делают это значительно эффективнее гидрофильных. б) Растворённый в воде ПАВ экранирует влияние наноалмазов на объёмную воду: эффект проявляется для гидрофильных наноалмазов до мицеллообразования, для гидрофобных – при образовании мицелл. Результаты этих исследований описаны в публикации: Vervald A.M., Burikov S.A., Vlasov I.I., Shenderova O.A., Dolenko T.A. Interactions of Nanodiamonds and Surfactants in Aqueous Suspensions Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics (2018 г.) Установленные закономерности влияния различных функциональных поверхностных групп ДНА на водородные связи в суспензии позволили объяснить обнаруженные изменения флуоресцентных свойств наночастиц в зависимости от характеристик наночастиц и их окружения. 3. На основании сравнительного анализа исследованных свойств УНЧ и обнаруженных закономерностей на данном этапе выработаны предложения по целенаправленному модифицированию функционального покрова НА для оптимизации сорбционных, суспензионных и флуоресцентных свойств наночастиц в суспензиях и биологических системах. Из всех исследованных образцов на данный момент наиболее оптимальным с точки зрения применения в медицине является ДНА-СООН. 4. С помощью искусственных нейронных сетей решены задачи мониторинга выведения из организма нанокомпозитов на основе УТ и их компонентов. На данном этапе выполнения Проекта была не только получена база экспериментальных данных, как было запланировано, но и полностью решены две задачи мониторинга выведения из организма нанокомпозитов и их всевозможных компонентов. С помощью нейросетевых методов определялось, какие наночастицы – сами нанокомпозиты и/или его компоненты (задача классификации) - и в каком количестве (задача регрессии) находятся в человеческой урине. В качестве объекта исследования использовались не просто наночастицы, а нанокомпозиты на основе УТ, представляющие собой УТ, покрытые сополимером - полиэтиленгликолем (PEG) и полиэтиленимином (PEI), к которому прикреплена фолиевая кислота (ФК). Фолиевая кислота играет роль блокатора раковой экспрессии мембранного белка - рецепторов фолиевой кислоты альфа. Применение искусственных нейронных сетей для решения задачи классификации нанокомпозитов и их компонентов в урине обеспечивает процент правильного распознавания, усредненный по всем пяти классам, равный 72.3%. Результаты описаны в публикации: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-63940-6/_24 Наилучшая средняя абсолютная ошибка определения концентрации наночастиц в урине, полученная с помощью нейросетевого метода, составила 0.26 мг/л для нанокомпозита УТ+соп+ФК, 0.41 мг/л для УТ+соп, 0.45 мг/л для ФК. Это составляет 12.1%, 19.1% и 20.9% от максимального содержания наночастиц в урине, соответственно. Результаты описаны в публикации: http://dx.doi.org/10.21469/22233792.3.4.01 http://jmlda.org/papers/doc/2017/no4/Isaev2017Estimation.pdf 5. В отчетном году были опубликованы/приняты к печати 14 печатных работ по результатам выполнения Проекта, в том числе, 1 статья опубликована в журнале, индексируемом Web of Science/Scopus и РИНЦ, 2 статьи приняты к печати в журналах, индексируемых Web of Science и РИНЦ, 1 статья опубликована в трудах международной конференции, индексируемой Scopus и РИНЦ, 1 статья опубликована в журнале, индексируемом РИНЦ, 1 статья опубликована в трудах международной конференции, индексируемой РИНЦ, 8 тезисов докладов на международных конференциях. Полученные в ходе выполнения Проекта результаты были представлены на 7 международных конференциях в 10 докладах, из них 1 – приглашенный доклад, 3 – устных доклада, 6 – стендовых.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Оптимизация свойств новых тераностических углеродных наноагентов - этап 2018 г.
Результаты этапа: Были достигнуты следующие научные результаты: 1. К проведению запланированных исследований подготовлены следующие УНЧ: Серия 1: Детонационные наноалмазы (ДНА) с полифункциональной поверхностью (ДНА-пф) и с поверхностными функциональными группами СООН, ОН, Н. Серия 2: Наноалмазы линии RayND, полученные лазерной абляцией, с различной функционализацией поверхности. Серия 3: Наноалмазы, легированные азотными вакантными центрами (НА-NV) с размерами 16 нм и бором (НАЛБ). Образец 4: Наноалмазы, декорированные углеродными точками (ДНА+УТ), по рекомендации исполнителей Проекта с целью совместить интенсивные фотолюминесцентные свойства УТ с селективными адсорбционными свойствами ДНА. 1.1. Все образцы, использованные в исследованиях, проверены и охарактеризованы в порошкообразном виде с помощью просвечивающей электронной микроскопии, конфокальной спектроскопии КР и спектроскопии ИК поглощения. 1.2.-1.3. Исследованы суспензионные, сорбционные и фотолюминесцентные (ФЛ) свойства водных суспензий всех образцов и проведен сравнительный анализ этих свойств. Обнаружено, что НА, полученные лазерной абляцией, сильнее агрегируют в воде по сравнению с ДНА. Значения дзета-потенциалов всех УНЧ в воде свидетельствуют о возможности приготовления водных суспензий исследованных УНЧ с высокой стабильностью. Добавление ПАВ в суспензию оказывает существенное, но различное влияние на суспензионные свойства НА с гидрофильной и гидрофобной поверхностями. Анализ результатов фотолюминесцентной спектроскопии и спектроскопии КР водных суспензий ДНА-пф и RayND показал, что 1) интенсивность ФЛ не зависит от метода синтеза НА; 2) ФЛ НА зависит от способа очистки наночастиц; 3) интенсивность ФЛ наночастиц в воде зависит от степени взаимодействий их поверхностных функциональных групп с молекулами воды, а именно, от силы водородных связей в среде. Теоретически и экспериментально были рассчитаны численные значения изменения энергии водородных связей в водных суспензиях ДНА в результате взаимодействий различных функциональных поверхностных групп ДНА с молекулами воды. Результаты этих исследований описаны в публикации: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jrs.5524 В результате изучения адсорбционных свойств образцов Серий 1,2 и 4 в воде по отношению к ионам солей Cu(NO3)2, Pb(NO3)2, Cu(CH3COO)2 и Pb(CH3COO)2 и молекулам ДНК была определена адсорбционная активность НА в суспензиях по отношению к каждому адсорбату. Адсорбционная активность зависит от функционализации поверхности. Обнаружено, что анионы адсорбируются на поверхность НА гораздо активнее катионов. Эффективность адсорбции катионов металлов и нитрат-анионов во на поверхность ДНА выше, чем на поверхность НА линии RayND. Однако НА линии RayND эффективнее взаимодействуют с молекулами ДНК по сравнению с ДНА и ДНА+УТ. Теоретические расчеты показали, что комплементарные пары адсорбируются на поверхность НА-СООН посредством образования водородных связей, при этом разрыва водородных связей в комплементарной паре не происходит. Результаты этих исследований описаны в публикации: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.7b12618 2. Были получены и изучены нанокомплексы детонационных наноалмазов с лизоцимом (НА+лиз) и доксорубицином (НА+докс). 2.1. В результате исследования комплексов с помощью спектроскопии ИК поглощения установлено, что молекулы лизоцима и доксорубицина взаимодействуют с НА посредством физической адсорбции. При взаимодействии с поверхностью НА изменяется конформация лизоцима. 2.2. Были проведены исследования ФЛ биомакромолекул в процессе их адсорбции на поверхность ДНА. Обнаружено тушение ФЛ лизоцима и доксорубицина наноалмазами. В результате исследования свойств ФЛ наноалмазов в комплексах ДНА+лизоцим обнаружено, что при образовании комплекса происходит небольшое увеличение интегральной интенсивности ФЛ ДНА. Результаты этих исследований описаны в публикации: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/10685/106853E/Fluorescent-properties-of-nanodiamonds-in-result-of-interactions-of-nanodiamonds/10.1117/12.2306592.short 2.3. В результате экспериментов по сравнению ферментативной активности адсорбированного и свободного лизоцима по отношению к штамму E.coli 4S установлено, что лизоцим сохраняет ферментативную активность при адсорбции на поверхность ДНА как в один слой, так и менее чем в один слой. Таким образом, на данном этапе было показано, что комплексы НА с лизоцимом и доксорубицином, полученные посредством физической адсорбции, хорошо суспензируются в воде, НА сохраняют свои ФЛ свойства, а лизоцим сохраняет ферментативную активность в адсорбированном состоянии. 3. Были синтезированы, охарактеризованы и исследованы нанокомпозиты ДНА+SiО2+дексаметазон и УТ+сополимер+фолиевая кислота, а также были получены комплексы ДНА+декс посредством адсорбции. В результате экспериментов по высвобождению лекарственного препарата с поверхности нанокомплексов ДНА+SiО2+декс и ДНА+декс в зависимости от времени и от количества удерживаемого лекарства обнаружено, что по сравнению с комплексами НА+декс синтезированные ДНА+SiО2+декс способны переносить большее количество лекарства (на единицу веса) и обеспечивать при этом его пролонгированную отдачу. 4. Установлено, что покрытие УТ сополимером и ФК не привело к появлению токсичности нанокомпозитов. Напротив, эта процедура незначительно повысила биосовместимость и ФЛ наночастиц. В конфокальном флуоресцентном микроскопе были получены изображения клеток HeLa, инкубированных суспензией УТ+Соп+ФК. В микроскопе хорошо видна ФЛ нанокомпозитов в клетках, а также наблюдается локализация раковых клеток. Эти нанокомпозиты могут использоваться одновременно в качестве фотолюминесцентных маркеров и носителей лекарств. Результаты этих исследований описаны в публикации: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1549963418300716?via%3Dihub 5. На основании полученных результатов в 2017-2018 гг. выдвинута гипотеза о природе фотолюминесценции УНЧ. Согласно выдвинутой гипотезе, ФЛ НА обусловлена оксидизацией неалмазной фазы углерода на поверхности наночастиц, которая может быть усилена/ускорена определенным способом очистки поверхности, например, кипячением в хлорной кислоте. В результате анализа зависимости спектров ФЛ гуминовых кислот угольного происхождения и УТ от длины волны возбуждения сделано предположение о наличии в них схожих флуорофорных групп. Выдвинутая гипотеза требует дальнейшей проработки. Результаты этих исследований описаны в публикации: http://www.eproceedings.org/static/vol17_1/17_1_khundzhua1.pdf?SessionID=f414ba5b0520c878c90 6. С помощью спектроскопии ИК поглощения и теоретических расчетов по теории функционала плотности были выяснены механизмы адсорбции ионов и биомакромолекул на поверхность углеродных наночастиц. При адсорбции анионов на поверхность УНЧ превалирующую роль играет химическая адсорбция, а при адсорбции катионов - физическая адсорбция. Биомакромолекулы адсорбируются на поверхность НА посредством кулоновского взаимодействия, по большей мере, за счет образования водородных связей. 7. Была продолжена дальнейшая разработка метода оптической визуализации нанокомпозитов УТ+Соп+ФК в биоматериале с помощью искусственных нейронных сетей на примере решения задачи контроля выведения нанокомпозитов и их компонентов с уриной. В результате применения ВНС были получены точности определения концентрации наночастиц в урине: 3.4 мг/л для УТ+соп+ФК, 0.46 мг/л для УТ+соп, 4.1 мг/л для ФК. Напомним, что многослойный персептрон с 8 и 4 нейронами в скрытых слоях обеспечивал следующие ошибки определения концентрации наночастиц на экзаменационном: 0.26 мг/л для УТ+соп+ФК, 0.41 мг/л для УТ+соп, 0.45 мг/л для ФК. Как видно, применение ВНС обеспечило сопоставимый с классической нейронной сетью результат только для определения концентрации УТ+соп. Это доказывает возможность использования вейвлет-нейронных сетей для спектроскопии, однако для этого требуется комплексное исследование по определению оптимальной топологии и параметров сети. Результаты этих исследований описаны в публикации: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1549963418300716?via%3Dihub https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050918323226 http://repo.ssau.ru/handle/Informacionnye-tehnologii-i-nanotehnologii/Opticheskaya-vizualizaciya-i-kontrol-vyvedeniya-teranosticheskih-fluorescentnyh-nanokompozitov-iz-organizma-s-pomoshu-iskusstvennyh-neironnyh-setei-69618

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".