ИСТИНА

Создание и исследование новых контрастных агентов (КА) для КТ, МРТ и ЭКТ в виде наночастиц, превосходящих по своим рентгенологическим характеристикам традиционные молекулярные контрасты, сохраняют свое научное значение и актуальность. Реализация проекта 2022 позволила достичь значительных успехов в этой области. Были разработаны методы синтеза, изучены структуры и оценена эффективность наночастиц типа Ln2O3@X (X =C, SiO2), изучены их фармакокинетика, цитотоксичность и токсичность, разработаны и апробированы методики функционализации нанокомпозитов малыми молекулами для придания им специфической селективности, проведены пилотные эксперименты по визуализации КА (в том числе с применением двойного контрастирования) методами ЭКТ и МРТ, уточнена и оптимизирована методология ЭКТ-исследований. Во время выполнения этих работ были сформулированы новые научные проблемы и задачи, которые необходимо решить для успешного внедрения КА в форме наночастиц в биомедицинскую практику. В частности, было показано, что имеющиеся в литературе сведения об токсичности наночастиц (как правило, ограничивающиеся результатами оценки их цитотоксичности в заведомо низких концентрациях) не соответствуют условиям их применения в исследованиях методами КТ и ЭКТ. Было подтверждено, что для успешного внедрения подобных КА необходимо создание специальных форм, оптимизированных для внутривенного или внутрибрюшинного введения. При выполнении практических исследований определены возможные направления для дальнейшей оптимизации методологии ЭКТ-исследований и анализа получаемых данных, которые могут позволить снизить необходимые для контрастного усиления концентрации КА. Настоящий проект подразумевает решение этих задач, а именно: 1. Создание и исследование новых форм КА, адаптированных для внутривенного и внутрибрюшинного введения путем увеличения гидрофильности их поверхности, ковалентного связывания с биосовместимыми полимерами (полиэтиленгликоль, поливинилимидазол) и внедрения синтетических методик, сужающих распределение получаемых частиц по размерам и формам. 2. Разработку подходов для уменьшения необходимых концентраций КА. Для этого будут проведены исследования по (1) доработке состава и структуры самих КА и апробации сложных КА, содержащих несколько тяжелых элементов, (2) разработке новых селективных КА и (3) оптимизации методики проведения ЭКТ-исследований и алгоритмов обработки данных, в том числе путем применения адаптивных методов (нейросетей). Дополнительно предполагается изучить изменения регистрируемых спектров поглощения соединений элементов с энергией K-края < 30 кэВ в зависимости от их концентрации и плотности. Эти данные позволят оценить возможность визуализации аномалий в распределении биологических элементов (например, областей с аномально высоким содержанием Fe, что может являться признаком кровоизлияний). 3. Расширенное исследование различных форм токсичности различных видов КА вида Ln2O3@X в концентрациях и условиях, соответствующих их планируемому применению, для уточнения их механизмов и определения допустимых для практических исследований схем контрастирования. Задачей проекта также будет разработка нового типа селективных КА на основе йодированных производных метиленового синего, являющегося за счет высокой селективности к меланину перспективным средством для ЭКТ-диагностики метастазов меланомы (в том числе костных метастазов без выраженного изменения структуры костной ткани, только ограниченно диагностируемых с помощью классических рентгенологических методов). Полученные соединения будут исследованы в модельных условиях in vitro и in vivo для оценки возможности и выработки методологии их применения. Проект сохранит свой междисциплинарный характер и будет реализован коллективом специалистов в области физики, химии, фармакологии и рентгенологии с использованием наиболее современных методов синтеза и физико-химических, аналитических и биомедицинских исследований.

The development and assessment of novel contrast agents (CAs) for CT, MRI and PCCT studies in the form of nanoparticles that surpass traditional molecular contrasts in their radiological characteristics remains significant and relevant goal of biomedical science. The original project allowed to achieve considerable progress in this area. New synthesis methods were developed, and the resulting CA structures were studied. The effectiveness of Ln2O3@X (X =C, SiO2) nanoparticles was evaluated, their pharmacokinetics, cytotoxicity and toxicity were studied, methods of functionalization of nanocomposites with selective molecules were developed and tested, pilot PCCT and MRI imaging studies (including studies with double contrast enhancement) were conducted. The methodology of PCCT studies has been refined and optimized. This also led to formulation of new scientific problems and tasks that must be solved for the successful implementation of nanoparticle-based CAs into biomedical practice. Specifically, it was shown that the published data on the toxicity of nanoparticles (usually limited to the cytotoxicity studies in deliberately low concentrations) does not correspond to the conditions of their use in CT and PCCT imaging. It was confirmed that the successful implementation of such CAs requires creation of their special forms optimized for intravenous or intraperitoneal administration. The imaging studies conducted in the context of the project also defined possible directions for further optimization of the methodology of PCCT studies and analysis of their data obtained, potentially allowing to reduce the CA concentrations required for contrast enhancement. This project is focused on these new tasks, namely: 1. Creation and evaluation of new CA forms adapted for intravenous and intraperitoneal administration by increasing the hydrophilicity of their surface, cross-linking of biocompatible polymers (polyethylene glycol, polyvinylimidazole) and the implementation of new synthetic techniques narrowing the distribution of the resulting particles in size and shape. 2. Development of new approaches to reduce the required CA concentrations. This will be done in 3 directions, namely (1) refining the CA composition and structure and testing complex CAs containing several heavy elements, (2) developing new selective CAs and (3) optimizing the methodology of PCCT studies and data processing algorithms, including implementation of adaptive methods (neural networks). Additionally, it is proposed to study changes in the experimental attenuation spectra of compounds of elements with a K-edge energies below 30 keV depending on their concentration and density. These data will allow to evaluate the possibility of visualizing anomalies in the distribution of biological elements (for example, areas with an abnormally high Fe content, indicating potential hemorrhages). 3. An expanded study of various types of toxicity of Ln2O3@X species in concentrations and conditions corresponding to their planned use, aimed on clarification of their mechanisms and determination of contrast schemes acceptable for practical studies. The project will also include a new task, namely the development of a new type of selective CAs based on iodized derivatives of methylene blue, which is a promising tool for the PCCT diagnosis of melanoma metastases (including bone metastases without pronounced changes in the structure of bone tissue, only limited diagnoses using classical radiological methods) due to its high selectivity to melanin,. The resulting compounds will be studied using in vitro and in vivo model conditions to assess the feasibility and develop a methodology for their application. The project will retain its interdisciplinary nature and will be implemented by a team of specialists in the field of physics, chemistry, pharmacology and radiology using the most modern methods of synthesis and physico-chemical, analytical and biomedical research.

Проект посвящен дальнейшей разработке контрастных агентов (КА) для энергочувствительной компьютерной томографии (ЭКТ) – нового метода визуализации строения объекта на основе анализа данных о рентгеновских спектрах поглощения его структурами. В рамках проекта будут получены новые формы КА на основе наночастиц Ln, оптимизированные для биомедицинского применения. Впервые будут подробно изучены механизмы их метаболизации и токсичности в условиях, соответствующих практическим визуализационным исследованиям. Будут разработаны новые методы проведения ЭКТ-исследований и обработки их данных, что позволит снизить необходимые концентрации и дозы КА. Дополнительно будут разработаны новые виды селективных КА на основе йодмодифицированных производных метиленового синего, являющиеся перспективными средствами для ЭКТ-диагностики пигментных новообразований (меланомы и ее метастазов). Проект будет выполнен междисциплинарным коллективом с применением широкого спектра современных методов синтеза, физико-химического анализа и биомедицинских исследований in vitro и in vivo. Структура и строение полученных КА будут охарактеризованы методами ПЭМ, СЭМ; электронная структура – РФЭС и ЭПР, состав – РФА, ИК-спектроскопией, РФЭС, 1H ЯМР и др. Для оценки токсичности будут использованы клеточные культуры. Исследования методом ЭКТ будут проведены с помощью энергочувствительных компьютерных томографов с детекторами MedPix 3RX/WidePix. Все эти методы исследования соответствуют мировому уровню, утвердившемуся в этой области. В результате реализации проекта будут созданы новые контрастные соединения и получены принципиально новые данные о свойствах КА в форме наночастиц, что позволит сократить существующий сейчас разрыв между их лабораторными исследованиями и их потенциальным применением в клинической практике. В перспективе результаты работ в рамках проекта позволят существенно увеличить эффективность и безопасность визуализационных диагностических исследований, используемых в различных областях медицины. Разработанные в ходе проекта методы проведения ЭКТ-исследований и обработки их данных позволят значительно ускорить внедрение этой технологии в экспериментальную и клиническую практику. Это значительно повысит результативность проектов по созданию и внедрению отечественных гибридных пиксельных детекторов рентгеновского излучения, реализуемых Объединенным институтом ядерных исследований и другими научными учреждениями.

Разработаны контрастные агенты (КА) - наночастицы Ln2O3 или других Ln с мин. размером 1-2 нм, стабилизированных на поверхности углеродной или SiO2 матрицы. В качестве углеродных структур использованы малослойные графитовые фрагменты (МГФ), окисленные МГФ, а также их гетерозамещенные атомами N, P, и Si аналоги. В зависимости от содержания Ln2O3 в составе КА, размер частиц Ln2O3 увеличивался от 1-2 нм (массовое содержание Ln2O3 10-15 %) до 10-15 нм (20-60 масс. %). На основе Ln2O3/МГФ получены наночастицы со структурой типа ядро-оболочка Ln2O3@C. При взаимодействии Ln2O3@С-СOOH с SOCl2 получены Ln2O3@С-СOCl и далее сложные эфиры Ln2O3@С-СOR (R = All (OC3H5), каптоприл). Для Ln2O3/МГФ, Ln2O3@C, Ln2O3-SiO2 и Ln2O3@SiO2 определены коэффициенты поглощения рентгеновского излучения в фантомных исследованиях. Углерод в Ln2O3/МГФ не влияет на поглощение; SiO2 в составе Ln2O3-SiO2 изменяет значения µ. Для Gd2O3/МГФ, Gd2O3@C и Gd2O3@SiO2 и окисленных HNO3 частиц Gd2O3@C проведено исследование релаксивности r методом МРТ. r зависит от структуры и наличия поверхностных групп. Наилучшие свойства T1-КА установлены для Gd2O3@SiO2. Для КА Gd2O3@C, Gd2O3@SiO2 и Gd2O3@C-СOAll (All = C3H5O) исследована цитотоксичность методом МТТ-теста.Только Gd2O3@C-СOAll показал цитотоксический эффект на клеточной линии НЕК293Т. Для других КА цитотоксичности выявлено не было. Разработана схема визуализационных исследований органов брюшной полости с использованием BaSO4/La2O3@SiO2 и Gd2O3@SiO2 и показана возможность визуализации стенок желудка и кишечника. Созданы прототипы двухкомпонентных имплантов, в которых и силиконовая оболочка, и желатиновый или полиакриламидный наполнители контрастированы соединениями Ln. Метод ЭКТ позволяет раздельно визуализировать оболочку и наполнитель даже при близких значениях их КТ-чисел. Метод ЭКТ использован для исследования адсорбционной емкости МГФ, N-МГФ, P-МГФ, углеродных нанотрубок активированного угля (АУ), аморфного SiO2 по отношению к ионам Gd3+.

На первом году выполнения проекта планируются работы, направленные на дальнейшую оптимизацию состава, структур и методологии применения КА с учетом результатов, полученных в 2022-2024 г. Работы будут включать в себя (1) синтез новых контрастных агентов (КА), (2) апробацию новых методов модификации их поверхности; (3) исследование фармакокинетики и токсичности на клеточных культурах и in vivo; (4) исследования зависимости коэффициентов поглощения рентгеновского излучения в условиях ЭКТ от их состава и структур; (5) исследования влияния состава и методики синтеза на распределение размеров и форм наночастиц. Также будет проведен первый этап исследований йодированных производных метиленового синего как потенциальных селективных ЭКТ-контрастов для визуализации метастазов меланомы. Далее для каждой задачи представлены методики, способы синтеза и подходящие методы физико-химического анализа. Будут апробированы новые подходы к получению форм КА, пригодных для внутривенного и внутрибрюшинного введения. Согласно результатам 2022-2024 гг., основным ограничением при использовании нанокомпозитных КА типа Ln2O3@C и Ln2O3@SiO2 in vivo является их высокая склонность к агломерации и оседанию суспензий. Для решения этой проблемы планируется два направления синтетических работ, заключающиеся в (1) получении КА на основе Ln2O3@C и Ln2O3@SiO2, инкапсулированные в оболочки из полиэтиленгликоля (для внутривенного введения) и поливинилимидазола (для внутрибрюшинного введения) и (2) поверхностной модификации частиц Ln2O3@C и Ln2O3@SiO2 различными гидрофильными поверхностными группами. Состав и строение всех наночастиц будут подтверждены методами ИК-спектроскопии, ЭПР, РФЭС, ПЭМ и СЭМ. Для получения ПЭГ-оболочек будет применен стандартный подход, заключающийся в обработке дисперсий наночастиц водным раствором ПЭГ [Камзин // Физ. Тв. тела 2024, 66(3), 460]. Для получения поливинилимидазола (PVIm) будут использованы стандартные методики радикальной полимеризации 1-N-винилимидазола [Ozyalcın // Synthetic Metals 1997, 87(2), 123]. Поверхность КА Ln2O3@C будет предварительно модифицирована аллиловыми фрагментами, согласно [Suslova // Gels 2024, 10, 807]. Это позволит получать наночастицы Ln2O3@C, ковалентно пришитые в полимерную матрицу. Состав и структура продуктов будут охарактеризованы методами РФЭС, ПЭМ, ИК-спектроскопии. Молекулярная масса полученных полимеров будет оценена методом светорассеяния по определению размеров глобул и их плотности. Для КА Ln2O3@C-ПЭГ, Ln2O3@SiO2-ПЭГ, Ln2O3@C-PVIm, Ln2O3@SiO2-PVIm и синтезированного в 2024 г. Ln2O3@C-каптоприл будет проведена оценка цитотоксичности методом МТТ-теста. Для этого будут проведены эксперименты с использованием клеточных линий НЕК293Т и A549, обладающих высокой чувствительностью к суспензиям наночастиц. Для уточнения специфических характеристик и механизмов токсичности будут оценены как КА с Ln = Gd, так и КА с Ln = La, Yb, а также компоненты КА, не содержащие Ln. В случае положительных результатов, будут проведены исследования фармакокинетики, метаболизма и токсичности КА in vivo согласно протоколам, представленным в разделе “Описание экспериментов с участием лабораторных животных”. Для перспективных соединений будут проведены визуализационные исследования методами ЭКТ и МРТ. Будут получены йодированные производные метиленового синего (МС). Для этого планируется провести реакцию между МС и раствором NaI/NaIO3, согласно методике [Sobal // Anticancer Res. 2008, 28, 3691]. Предполагается, что, в зависимости от соотношения метиленового синего и NaI, будут получены замещенные производные МС с содержанием йода 1, 2 или 3 атома на молекулу МС. Состав и индивидуальность полученных препаратов будет подтверждена методами ИК-спектроскопии и 1H ЯМР. Для водных растворов этих КА предполагается получить оценить коэффициентов рентгеновского поглощения и определить минимальные концентрации, идентифицируемые методом ЭКТ в присутствии образцов соединений кальция Будут разработаны фантомы на основе костной ткани и полиакриламида (ПАМ), содержащего в своем составе соединения йода, в т.ч. йодированный МС. Для этого радикальную полимеризация мономеров акриловой кислоты и акриламида предполагается осуществить в водном растворе йодированного МС. Подобные фантомы, имитирующие контрастированные костные метастазы будут использованы для уточнения минимально определяемых методом ЭКТ концентраций КА в условиях, максимально приближенных к диагностическим. Для оценки селективности йод-модифицированного МС будут проведены исследования сорбционной емкости сорбентов, имитирующих структуру меланина, относительно йодированного МС [Шмакова // Мед. радиология и рад. безопасность 2002, 46(3), 5]. В качестве таких имитирующих структур предложено использовать малослойные графитовые фрагменты, межслоевое расстояние в которых равно 3,4 А и соответствует таковому в структуре меланина. Будут проведены исследования зависимости энергоспецифичных коэффициентов поглощения рентгеновского излучения от концентрации и плотности КА. Ранее мы показали, что увеличение плотности КА приводит к изменению его экспериментального спектра поглощения со сдвигом локальных максимумов (соответствующих к-краю поглощения) вправо относительно теоретических значений. Данный феномен предположительно связан с особенностями используемых в ЭКТ гибридных пиксельных детекторов и потенциально может быть использован для идентификации и визуализации соединений с элементами с Z < 28, в частности для визуализации зон с повышенным содержанием Fe относительно Ca. Исследование будет проведено на фантомах, содержащих наборы КА энергиями к-края ~7-25 кэВ и различными плотностями. Для определения влияния материала сенсора будут проведены сравнительные исследования на ЭКТ микротомографе MARS Bioimaging (детекторы MediPix 3RX с сенсорами CZT) и лабораторном ЭКТ-микротомографе «Калан» (детекторы WidePix c сенсорами Si). В результате предполагается опубликовать минимум 4 статьи в рецензируемых международных и российских изданиях: Журнал физической химии (импакт фактор 1,080, Q3). Статья Журнал прикладной химии (импакт фактор 0.869, Q3). Статья Химико-фармацевтический журнал (импакт фактор 0.8, Q3). Статья Applied Surface Science (импакт фактор 6.3, Q1). Статья Члены коллектива будут участвовать в различных семинарах, симпозиумах и конференциях по тематике проекта. Конференции, в которых предполагается участие: 1. Пермь, Россия. Участие в IX Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов», Пермь, Россия, 6-10 сентября 2025 года. 2. Санкт-Петербург, Россия. Участие в конференции «МОБИ-ХимФарма», Санкт-Петербург, Россия, 22-24 апреля 2025 года. 3. Туапсе, Россия. Участие в симпозиуме «Современная химическая физика». Туапсе, Россия, сентябрь 2025 года. На втором году выполнения проекта предполагается провести исследования, направленные на получение сложных контрастов, т.е. КА, включающих несколько элементов с Z > 28 (например, Ln и I). Предполагается, что такие КА будут иметь высокую эффективность в условиях ЭКТ за счет специфического спектра поглощения, формируемого комбинацией к-линий, что позволить визуализировать их в более низких концентрациях. Предварительно будут исследованы коэффициенты поглощения рентгеновского излучения для смесей NaI и растворимых солей Ln в различном соотношении и концентрациях. По их результатам будут разработаны методики синтеза комбинированных КА. В частности, предполагается получить йодированный PVIm или КА Ln2O3@C-PVIm по реакции взаимодействия PVIm с I2 в кислой среде [Ozyalcın // Synthetic Metals 1997, 87(2), 123]. Полученные образцы будут охарактеризованы методами РФЭС, ИК-спектроскопии и СЭМ/EDX. Будут проведены исследования методом ЭКТ для определения зависимости минимальных визуализируемых концентраций от состава и концентраций КА. Для наиболее перспективных сложных КА будут проведены исследования цитотоксичности, токсичности, фармакокинетики и метаболизма, а также визуализационные исследования in vivo. Планируется изучить цитотоксичность, токсичность и фармакокинетику йодированных производных метиленового синего, признанных наиболее перспективными по результатам первого года работ. Также планируется провести аналитические и ЭКТ-исследования сорбции йод-производных МС в структуре меланина. В случае положительных результатов, планируется провести визуализационные исследования in vivo с использованием лабораторных животных с привитой меланомой. Планируется продолжить работу по оптимизации алгоритмов идентификации и визуализации контрастных агентов, в том числе с использованием адаптивных методов обработки данных (нейросетей). В частности, планируется разработать упрощенную модель преобразования теоретических спектров поглощения к спектрам экспериментального вида. Для этого будет найдено ядро свертки и решена задача, обратная свертке. Будет проведен математический анализ и математическое моделирование обнаруженных в ходе работ 2022-2024 гг. нелинейных зависимостей коэффициентов поглощения рентгеновского излучения от физической формы КА (суспензии наночастиц различных размеров, растворы). Результаты работ в этом направлении будут применены как для дальнейшей оптимизации структур КА, разрабатываемых для биомедицинских исследований, так и для других задач, предполагающих применение наночастиц для поглощения рентгеновского излучения. Полученные результаты будут опубликованы в виде минимум 4 статей рецензируемых журналах доложены на международных и российских конференциях и симпозиумах. Functional Materials Letters (импакт фактор 1.2, Q3). Статья Journal of Instrumentation (IF 1.415, Q2). Статья Nanomaterials MDPI (импакт фактор 4.4, Q1). Статья Talanta (импакт фактор 5.6). Статья