КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-73-00177

НазваниеСистемы пролонгированного высвобождения лекарств с функцией "обратной связи" на основе нанокластерных полиоксометаллатов

РуководительГржегоржевский Кирилл Валентинович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словагибридные материалы, органо-неорганические полимеры, нанокластеры, полиоксометаллаты, люминесценция, доставка лекарств, химическая модификация, линкеры

Код ГРНТИ31.15.37


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В основе предлагаемого к реализации проекта лежит концепция создания гибридных «умных» материалов, функционирующих за счет тонко настроенной молекулярной и надмолекулярной структуры. Ключевая идея данного проекта заключается в разработке фундаментальных подходов к получению модифицированных молекулами люминофоров гибридных биосовместимых полимерных матриц (полиаллиламин (ПАА), хитозан - природный биоразлагаемый полимер) и гелей, включающих в качестве неорганического компонента нанокластерные Кеплератные полиоксометаллаты (ПОМ) – Мо132 и Мо72Fe30. Выбранные кластеры имеют гидрофильную поверхность, которая может быть гибко функционализирована посредством электростатических, ван-дер-Ваальсовых взаимодействий и водородных связей, в следствие чего ПОМ обладают способностью нести «полезную нагрузку» в виде биоактивных молекул (БМ). Кроме того, благодаря отсутствию токсического воздействия на живой организм для Мо72Fe30 и низкой токсичности Мо132, Кеплератные нанокластеры являются оптимальными кандидатами из семейства ПОМ для использования в составе живых систем. Гибридные полимерные матрицы на основе ПОМ, в случае успешной реализации проекта, станут в полной мере инновационным решением в области пролонгированного высвобождения препаратов и изучения динамики рилизинга (высвобождения) различных БМ в организме (in vivo). Создание систем пролонгированной доставки лекарственных препаратов является актуальным направлением в области химического дизайна и биотехнологии, позволяя минимизировать токсическое воздействие препарата, избежать частых инъекций и исключить риск внезапного прекращения терапии, что в случае таких заболеваний, как СПИД, может иметь необратимые последствия. Предлагаемый нами принцип создания систем доставки лекарств с возможностью мониторинга высвобождения БМ основан на обнаруженном нами эффекте многократного тушения люминесценции молекул красителя – родамина-Б (РдБ) при взаимодействии с ПОМ, вызванного процессами переноса заряда и фёрстеровским переносом энергии, что делает данные кластеры своего рода «универсальными тушителями» для целого рада люминофоров. Таким образом, будет создана гибридная полимерная матрица и гель на ее основе, в которых содержаться ковалентно связанные с углеводородной цепью полимера молекулы люминофоров – молекулы индикаторы (ксантеновые красители, производные родамина-Б и глютаминовой кислоты), ассоциированные с Кеплератным ПОМ. На поверхности ПОМ, либо в его внутренней полости будет содержаться БМ, для которой необходимо обеспечить пролонгированное высвобождение. В условиях физиологического рН=7.2, как и в целом, в слабощелочной области, происходит постепенная деструкция ПОМ, что приводит к высвобождению БМ из гибридного материала вместе с низкомолекулярными продуктами деструкции ПОМ, которые обладают низкой (в случае Мо132) токсичностью, либо вообще не обладают токсичностью (в случае Мо72Fe30). После деструкции ПОМ происходит разгорание флуоресценции люминофора, которое можно зарегистрировать с помощью простого оптического детектора или, в ряде случаев, свечение можно обнаружить визуально. Вышеописанная концепция обладает в полной мере научной новизной по отношению к методам получения гибридных материалов на основе ПОМ, включающих новые люминесцентные линкеры. Кроме того, ни один из традиционных подходов пролонгированного рилизинга не позволяет оценить в режиме он-лайн, в частности, через кожный покров, сколько осталось невысвобожденного препарата и оптимизировать процесс доставки лекарства. Эффективность разрабатываемых систем пролонгированной доставки БМ будет проверена экспериментально. В рамках этой задачи планируется предварительное изучение процессов ассоциации Кеплератных ПОМ с БМ: гормоны, антибиотики (в перспективе, иммуносупрессоры. Полученные на данном этапе исследований ассоциаты «БМ-ПОМ» будут включены в состав гибридного материала и исследованы в условиях, максимально приближенных к реальным физиологическим средам организма человека (рН=7.2-7.4, 37 град. Ц., солевой фон и др.), для проведения оценки их эффективности и, как следствие, оптимизации надмолекулярной структуры материала. Разработка методов химического связывания красителей ксантенового ряда с биосовместимой матрицей будет осуществляться методами пептидной химии. В рамках создания органо-неорганических функциональных материалов нами будут также разработаны подходы модификации поверхности ПОМ с помощью кремний-органических соединений, в частности, - триалкоксиаминопропилсилана, что позволит получить совершенно новый тип органо-неорганического геля, в котором нанокластеры ковалентно связаны с молекулой люминофора и, как следствие, с матрицей полимера, что должно способствовать повышению избирательности при возникновении люминесцентного отклика материала на высвобождении БМ при деструкции ПОМ. Таким образом, предлагаемый к реализации проект направлен на комплексное решение целого спектра задач, сопряженных как с поиском новых синтетических подходов получения «умных» гибридных материалов на основе неорганических наноразмерных кластеров, так и с дизайном надмолекулярной структуры материала для создания эффективных рилизинг-систем доставки биоактивных молекул с функцией «обратной связи» (мониторинга) для применения в сфере персонифицированной медицины.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будут достигнуты как фундаментальные результаты, связанные с новыми методиками и подходами получения органо-неорганических «умных» материалов на основе нанокластерных ПОМ, так и результаты, имеющие возможность практического использования в области биотехнологий. Будут созданы подходы к контролируемой модификации биосовместимых полимеров (ПАА, хитозан) молекулами люминофоров ксантенового ряда и их производных, и к получению на их основе гибридных систем, включающих Кеплератные нанокластеры (Мо132 и Мо72Fe30), с возможностью формирования трехмерной сетчатой структуры – гели. Принцип функционирования данных систем является в полной мере оригинальным и позволит распространить методику получения подобных гибридных материалов на весь класс ПОМ, что открывает широкие возможности для гибкой настройки параметров «умных» материалов нового типа, который предложен в исследовании. В контексте мирового уровня исследований ожидаемые результаты позволят создать конкурентно-способные материалы для биомедицинских приложений, а также могут стимулировать начало большого цикла исследований по созданию «умных» материалов на основе ПОМ. Так, в частности, уже сейчас существуют работы, показывающие возможность использования индивидуальных нанокластерных ПОМ в качестве основы для МРТ-контраста [1], систем электрофоретической доставки лекарств [2] и в качестве компонентов, приводящих к ускорению кристаллизации белковых молекул [3,4]. Однако создание материала, где ПОМ является компонентом сложной супрамолекулярной структуры, выполняющей последовательно свои функции на подобие молекулярных машин, не только является нерешенной научной задачей и обладает фундаментальной актуальностью, но и благодаря возможности использования таких супрамолекулярных структур в биомедицине – важной прикладной задачей. В продолжении вышеуказанных результатов будет исследована ассоциация Кеплератных ПОМ с рядом биоактивных молекул (БМ) – гормоны (содержащие аминогруппы - тиреотропин-рилизинг-гормон, серотонин, дофамин и др.) и антибиотические препараты (в частности, аминогликозиды, тетрациклины, сульфаниламиды и др.), в перспективе также возможно изучение ассоциации ПОМ с иммунодепрессантами (циклоспорин, метотрексат). Полученные данные несут не только индивидуальную научную ценность, заполняя серьезный пробел в области изучения взаимодействия БМ с нанокластерными ПОМ, размер которых сопоставим с рядом ферментов, но и позволят в совокупности с предложенными подходами по формированию гибридных материалов создать эффективные системы пролонгированного высвобождения БМ нового поколения (с обратной связью) и, в перспективе, сенсорные системы молекулярного распознавания. Полученные в предлагаемом проекте новые рилизинг-системы для пролонгированного высвобождения БМ с возможностью он-лайн мониторинга остаточной концентрации БМ в системе станут во многом прорывными с точки зрения потенциала использования в реальных биотехнологиях. Круг задач, которые способны решать подобные системы весьма широк: долговременная доставка гармональных препаратов, иммуномодуляторов и других БМ. Такие системы незаменимы при лечении хронических заболеваний эндокринной, нервной системы, при проведении транспланталогических операций (где необходимо введение иммунодипрессантов), при лечении тяжелых бактериальных инфекций – что позволяет обеспечить постоянный уровень препарата в организме, уменьшая риск возникновения резистивности бактерий к высоким дозам антибиотика, связанного с единовременным приемом больших количеств препарата. Возможность мониторинга остаточной концентрации БМ в системе также позволяет предположить перспективы использования разработки для изучения динамики высвобождения препаратов в различных тканях организма с целью оптимизации путей введения препарата. Так же стоит отметить низкую стоимость предлагаемых решений для конечного пользователя, связанной с экономической доступностью всех компонентов системы на рынке. Все вышесказанное имеет не только научную значимость, но и служит решению задач по развитию персонифицированной медицины и несет важную социальную нагрузку. В рамках работы по созданию органо-неорганических гелей будет разработана методика функционализации поверхности самих ПОМ молекулами кремнийорганических соединений, что позволит получать высокоупорядоченные гибридные материалы, которые также способны к ковалентному связывания с люминофорами и биосовместимыми полимерами (ПАА, хитозан). Это относительно новое направлении в химии гигантских ПОМ является еще малоизученным, но создание молекул, в которых органическая молекула ковалентно связана с ПОМ является весьма перспективной областью в дизайне современных функциональных материалов [5–8]. В частности, работы по ковалентной модификации таких больших кластеров, как Кеплератные ПОМ, на данный момент отсутствуют в литературе. Важным результатом проекта станет проведение экспериментов по изучению эффективности создаваемых рилизинг-систем в условиях, максимально приближенных к параметрам физиологических сред организма (кислотность, температура, солевой фон и др.)., что позволит, в случае успешной реализации проекта, сделать шаг в сторону практического использования разрабатываемых средств пролонгированного высвобождения БМ и перейти к экспериментам in vivo, в будущем. Дополнительно важно отметить, что в ходе реализации проекта будет сформирован необходимый конкурентно-способный уровень компетенций в области дизайна биотехнологических материалов, что позволит автору проекта выйти на высокий уровень публикативной активности и послужит развитию научного направления, что учитывая возможность привлечения студентов и аспирантов университета, делает подобные перспективы вполне реализуемыми. [1] J. Elistratova, B. Akhmadeev, A. Gubaidullin, V. Korenev, M. Sokolov, I. Nizameev, A. Stepanov, I. Ismaev, M. Kadirov, A. Voloshina, A. Mustafina, Nanoscale hydrophilic colloids with high relaxivity and low cytotoxicity based on Gd(iii) complexes with Keplerate polyanions, New J. Chem. 41 (2017) 5271–5275. doi:10.1039/C7NJ01237C. [2] A.A. Ostroushko, I.D. Gagarin, M.O. Tonkushina, K. V. Grzhegorzhevskii, I.G. Danilova, I.F. Gette, G.A. Kim, Iontophoretic transport of associates based on porous Keplerate-type cluster polyoxometalate Mo72Fe30 and containing biologically active substances, Russ. J. Phys. Chem. A. 91 (2017) 1811–1815. doi:10.1134/S0036024417090230. [3] A. Bijelic, A. Rompel, The use of polyoxometalates in protein crystallography – An attempt to widen a well-known bottleneck, Coord. Chem. Rev. 299 (2015) 22–38. doi:10.1016/j.ccr.2015.03.018. [4] A. Bijelic, A. Rompel, Polyoxometalates: more than a phasing tool in protein crystallography, ChemTexts. 4 (2018) 10. doi:10.1007/s40828-018-0064-1. [5] A. Blazevic, A. Rompel, The Anderson-Evans polyoxometalate: From inorganic building blocks via hybrid organic-inorganic structures to tomorrows “Bio-POM,” Coord. Chem. Rev. 307 (2016) 42–64. doi:10.1016/j.ccr.2015.07.001. [6] S. Landsmann, C. Lizandara-Pueyo, S. Polarz, A new class of surfactants with multinuclear, inorganic head groups_Supporting information, J. Am. Chem. Soc. 132 (2010) 5315–5321. doi:10.1021/ja1011178. [7] S. Schönweiz, S.A. Rommel, J. Kübel, M. Micheel, B. Dietzek, S. Rau, C. Streb, Covalent Photosensitizer-Polyoxometalate-Catalyst Dyads for Visible-Light-Driven Hydrogen Evolution, Chem. - A Eur. J. 22 (2016) 12002–12005. doi:10.1002/chem.201602850. [8] J. Zhang, Y. Huang, G. Li, Y. Wei, Recent advances in alkoxylation chemistry of polyoxometalates: From synthetic strategies, structural overviews to functional applications q, (2017). doi:10.1016/j.ccr.2017.10.025.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Нами предложена концепция создания систем пролонгированного высвобождения биоактивных (лекарственных) молекул (СПВ-БМ) с функцией обратной связи. Такие системы позволят в будущем персонифицировать процесс фармакокинетики БМ под конкретного человека, благодаря возможности мониторинга остаточной концентрации БМ в связанном состоянии и подбора соответствующего типа СПВ, имеющего необходимую скорость высвобождения БМ. Кроме того, предложенные СПВ позволят проводить диагностику рилизинга БМ в конкретном организме с применением модельных соединений. В ходе реализации первого года проекта были проведены эксперименты по созданию отдельных компонентов таких СПВ с целью объединения их в единой структуре на последующих этапах работы. В качестве такой структуры нами выбраны гидрогели на основе биосовместимых полимеров – полиаллиламин (ПАА), хитозан и полиакриламид (ПААм). Последний вид полимера, как показали наши исследования, может быть использован для получения гидрогелей в условиях полимеризации in situ, которая имеет ряд преимуществ. В частности, станет возможным получить СПВ в однореакторном синтезе (в режиме one-pot), что упростит технологический процесс. Одним из главных результатов первого года является создание термодинамической и структурной модели, описывающей процесс взаимодействия органического красителя, родамина-Б (РдБ), с ключевым компонентом СПВ – нанокластерным полиоксометаллатом (ПОМ) Мо132 в водной среде. Деструкция последнего при физиологическом значении рН вызывает высвобождение связанного с ним БМ. РдБ играет роль индикатора высвобождения БМ из СПВ благодаря обнаруженному нами эффекту тушения флуоресценции красителя на поверхности ПОМ. Нам удалось определить, как сосуществуют мономерные и димерные формы красителя на поверхности ПОМ Мо132 и какого их влияние на фотофизические характеристики системы. В частности, мы показали, что термодинамически процесс формирования т.н. H-димеров существенно менее выгоден на поверхности ПОМ, в отличие от их образования в растворе. Это позволило нам сформулировать подходы к управлению процессом агрегации красителей при ассоциации с ПОМ. Кроме того, нами впервые обнаружен темплатный эффект ПОМ Мо132, приводящий к формированию флуоресцирующих J-агрегатов при взаимодействии РдБ с ПОМ, которые имеют специфический люминесцентный отклик. Как показали наши исследования, при увеличении латерального давления в сорбционном слое молекул ПАВ, в который интегрированы ансамбли из молекул РдБ, на поверхности ПОМ происходит переключение нефлуоресцирующих Н-димеров в J-агрегаты. Таким образом, нам удалось выявить фундаментальную связь между процессом ассоциации красителей с нанокластером Мо132 и возникающим флуоресцентным откликом системы, который ответственен за обратную связь в создаваемых СПВ. Результаты исследования опубликованы в Chemistry – A European Journal (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/chem.201905781). В рамках стратегии по повышению чистоты аналитического сигнала от СПВ-БМ нами предложены подходы по ковалентному связыванию ПОМ, в частности, Мо132, с молекулами РдБ и опосредованно с макромолекулами ПАА и хитозана через кремнийорганический линкер (3-аминопропилтриметоксисилан - АПТМС). Возможность исключить взаимодействия между молекулой РдБ, связанной с конкретным ПОМ, и соседними нанокластерами за счет создания стерических затруднений позволит добиться необходимой линейности аналитического сигнала (флуоресцентного отклика) СПВ-БМ при деструкции ПОМ. С этой целью нами была разработана оригинальная методика модификации поверхности Мо132 молекулами АПТМС в органическом растворителе. Согласно данным ИК и КР спектроскопии после взаимодействия с кремнийорганикой структура нанокластера сохраняется. При этом удалось выделить спектральные признаки, колебания в ИК-спектре, которые селективно относятся к молекулам АПТМС, ковалентно закрепленных на поверхности ПОМ (в частности, полоса 1385 см-1, которую можно отнести к деформационным колебаниям CH2– групп и к скелетным колебаниям связей С-С в АПТМС). Проведенный анализ морфологии образцов Мо132-АПТМС, нанесенных на медную подложку, показал, что такая модификация поверхности приводит к образованию дендритных структур, которые не характерны для исходного нанокластера. Для Мо132 характерно сосуществование кристаллической и аморфной фазы, представленной глобулярными образованиями. Элементное картирование методом EDX подтвердило гомогенный характер распределения углерода, кремния и молибдена по образцу. При этом существование фазы кремния, не содержащей молибден не обнаружено. В совокупности с данными атомно эмиссионной спектроскопии нам удалось установить, что на один ПОМ Мо132 приходится 12 молекул АПТМС (изначально добавленных в большем избытке во время синтеза), что свидетельствует об образовании соединения стехиометрического состава, где реакционными центрами при взаимодействии с алкоксисиланами могут выступать пентагональные бипирамиды МоО7 и сочленные с ними через общие ребра октаэдры МоО6. Результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии также подтвердили наличие кремния в одном валентном состоянии и расщепление сигналов молибдена, вызванное, вероятно, образованием связи Mo-O-Si. На данный момент проводятся дополнительные исследования о влиянии органических катионов и кислотности среды на характер модификации поверхности ПОМ молекулами АПТМС, что сделает процесс синтеза таких производных более управляемым. Создание производной ПОМ и АПТМС позволило ввести на поверхность нанокластера аминогруппу, которая способна принимать участие в процессах образования амидных связей и оснований Шиффа, которые положены в основу получаемых СПВ-БМ. В пару к ПОМ-АПТМС нами были синтезированы NHS-эфиры РдБ и флуоресцеина (ФЛ), которые могут быть использованы как для прямой модификации ПАА и хитозана, так и в качестве промежуточного соединения для синтеза родамин (или флуоресцеин) – глутаминового линкера, который должен будет ковалентно связать макромолекулы полимеров с красителем и ПОМ в единую систему. Полученный NHS-РдБ прошел аттестацию полным набором стандартных методик (ЯМР, ИК, элементный анализ). Для NHS-ФЛ процесс аттестации на стадии выполнения. С использованием синтезированного NHS-РдБ нами была успешно проведена ковалентная модификация ПАА. Сам ПАА был получен из коммерчески более доступного ПАА гидрохлорида (ПАХ), что также потребовало отработки методики с привлечением ионообменных смол. Проведенная диализная очистка ПАА-РдБ от свободных молекул NHS, NHS-РдБ и РдБ показала, что модификация прошла успешно и более 90% РдБ привито в структуре ПАА. В качестве стартовых экспериментов для оптимизации конечных методик создания СПВ-БМ нами проведены исследования по получению гидрогелей на основе ПАХ, NHS-РдБ и Мо132, где в качестве сшивающего агента выступал глутаровый диальдегид (ГДА). Сформированный гель, в котором компоненты удерживались за счет электростатических взаимодействий, проявил способность к рилизингу молекул РдБ, связанных с ПОМ нековалентно, при деструкции нанокластера в слабощелочной среде. Это подтверждает работоспособность предложенной нами концепции по созданию СПВ-БМ и, вместе с тем, требует проведения экспериментов с участием ассоциатов Мо132 и реальных БМ (в частности, для этих целей нами выбраны: 3,4-дигидрокси-DL-фенилаланин и стрептомицина сульфат). Как можно видеть, работа СПВ-БМ прежде всего связана с кинетикой деструкции нанокластера. Нами изучено влияние состава газовой атмосферы (воздух/аргон) и условий фотоактивации (облучение/хранение в темноте) на деструкцию Мо132 в водной среде. Благодаря оригинальной установке были определены кинетические константы стадий деструкции ПОМ и сформулированы факторы, приводящие к замедлению деструкции нанокластера (в частности, понижение концентрации кислорода, введение мягкого восстановителя – изопропанол, введение фотосенсибилизатора – родамин-Б) или к ее ускорению (постоянный приток кислорода, непрерывное облучение). Полученные данные позволят нам смоделировать свойства и время работы создаваемых СПВ-БМ, а также найти способы настройки скорости деструкции ПОМ. В заключении, стоит отметить, что полученные нами результаты о возможных нежелательных взаимодействиях между ПОМ, катионными полиэлектролитами (которыми являются ПАА и хитозан) и катионными красителями (РдБ) привели нас к идее усовершенствования предложенных методик путем использования ПААм в качестве матрицы-носителя и флуоресцеина (анионного ксантенового красителя) в качестве альтернативного источника флуоресцентного сигнала (отклика). Включение акриламидного мономера в цепочку «Краситель(РдБ/ФЛ)-глутаминовый линкер-ассоциат ПОМ с БМ» позволит создавать гидрогель посредством одновременной полимеризации всех компонентов in situ в присутствии биосовместимого фотоинициатора. Таким образом, в ходе реализации первого года проекта удалось достигнуть запланированных ключевых результатов по созданию подходов к получению составных частей СПВ-БМ, которые должны быть сведены воедино на втором году проекта (http://link.springer.com/10.1007/s11172-020-2836-1). Кроме того, на основе выполненных исследований были внесены необходимые коррективы в концепцию создания СПВ-БМ, что крайне важно не только для успешного достижения цели проекта, но и будет способствовать потенциальному применению таких систем на практике. Результаты исследований опубликованы в рецензируемых международных журналах, в том числе первого квартиля (ссылки в тексте), а также были представлены на крупных международных и всероссийских конференциях: Mendeleev–2019: 11th International Conference on Chemistry for Young Scientists // http://mendeleev.spbu.ru/wp-content/uploads/2020/01/Mendeleev_2019_Book_of___abstracts.pdf V Школа-конференция «Неорганические соединения и функциональные материалы» (ICFM-2019) // http://www.niic.nsc.ru/images/ICFM-2019/ICFM-2019_Book-of-abstracts.pdf 3-rd International Conference «Modern Synthetic Methodologies for Creating Drugs and Functional Materials» (MOSM2019) // https://mosm.urfu.ru/fileadmin/user_upload/site_20991/konf/sbornik281119.pdf

 

Публикации

1. - Молодой ученый УрФУ получил грант на создание самостоятельно дозирующей лекарство капсулы Рамблер, - (год публикации - ).

2. - Молодой ученый УрФУ разрабатывает самостоятельно дозирующую лекарство капсулу Новости Сибирской Науки, - (год публикации - ).

3. Гржегоржевский К.В., Абушаева А. Р., Чезганов Д. С., Остроушко А. А. Модификация кеплератного ПОМ Мо132 молекулами кремнийорганики Сборник тезисов докладов V Школы-конференции «Неорганические соединения и функциональные материалы» (ICFM-2019).Новосибирск : ИНХ СО РАН., С.18 (год публикации - 2019).

4. Гржегоржевский К.В., Остроушко А.А., Фокин А.В., Белова К.Г. Novel NOx-donor for biomedical applications based on the Keplerate Mo72Fe30 Mendeleev–2019: 11th International Conference on Chemistry for Young Scientists., P.61 (год публикации - 2019).

5. Гржегоржевский К.В., Шевцев Н.С., Фазылова В.В., Ким Г.А., Остроушко А.А. Structural and thermodynamic model of cationic dye adsorption on the nanocluster polyoxometalate surface 3-rd International Conference «Modern Synthetic Methodologies for Creating Drugs and Functional Materials» (MOSM2019)., P. OR-17 (год публикации - 2019).

6. Гржегоржевский Кирилл, Фазылова Виктория, Шевцев Никита, Михайлов Сергей, Ким Григорий, Остроушко Александр Fundamental aspects of xanthene dye aggregation on the surfaces of nanocluster polyoxometalates: H‐ to J‐aggregate switching Chemistry – A European Journal, - (год публикации - 2020).

7. К.В. Гржегоржевский, Н.С. Шевцев, А.Р. Абушаева, Д.С. Чезганов, А.А. Остроушко Prerequisites and prospects for the development of novel systems based on the Keplerate type polyoxomolybdates for the controlled release of drugs and fluorescent molecules Russian Chemical Bulletin, Vol. 69, No. 4, pp. 804—814 (год публикации - 2020).

8. Шевцев Н. С., Гржегоржевский К. В., Фазылова В. В., Остроушко А. А. Кинетика деструкции ПОМ и фотоперенос заряда в Red/Ox системе на основе Кеплерата Мо132 Сборник тезисов докладов V Школы-конференции «Неорганические соединения и функциональные материалы» (ICFM-2019), Новосибирск: ИНХ СО РАН, С. 75 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках реализации проекта по созданию систем пролонгированного рилизинга биоактивных молекул (БМ) с функцией обратной связи были разработаны препаративные подходы к получению гибридных полимерных гидрогелей и конъюгатов на основе Кеплератных нанокластерных полиоксометаллатов (ПОМ) Мо132 и Mo72Fe30, в том числе, терминированных аминогруппами. Полученные результаты можно разделить на три блока: синтез органических компонентов полимерных гидрогелей и ассоциатов ПОМ-БМ, функционализации поверхности ПОМ молекулами кремнийорганики (3-аминопропилтриметоксисилан, АПТМС) и создание гидрогелей для рилизинга БМ. В рамках первого блока были разработаны подходы к синтезу родамин-глутаминового линкера, несущего карбоксильную и винильную функцию, благодаря ковалентному связыванию с акриламидом (АА). По аналогичной методике были получены конъюгаты родамина-Б (РдБ) и АА, которые необходимы для ковалентного встраивания РдБ в структуру геля. Кроме того, проведена модификация молекулами РдБ полиэлектролита – полиаллиламина (ПАА) в водной среде через in situ образование NHS-эфиров. Полученный полимер ПАА-РдБ имел степень модификации 300:1=ПАА(звено):РдБ. При этом, краситель находился в бесцветной форме лактама, которая разрушается в кислой среде с восстановлением окраски. Важной особенностью полученного полимера является сильный температурный гистерезис перехода между лейко и окрашенной формой, что может найти приложении в сенсорике. Для прогнозирования величины полезной загрузки гидрогелей была изучена ассоциация Мо132 с молекулами прогормона DL-DOPA и антибиотика тетрациклина. Обе БМ способны образовывать с ПОМ ассоциаты в растворе переменного состава: 1:8 для ПОМ:DL-DOPA и 1:2/1:8 для ПОМ:Тетрациклин. Работы второго блока были посвящены разработке методики контролируемой функционализации поверхности ПОМ молекулами АПТМС для введения аминогрупп, которые могут быть подвергнуты как последующему декорированию в рамках концепции постмодификации молекулами красителя, так и использованы для ковалентного встраивания ПОМ в структуру геля. Кроме того, аминогруппа увеличивает потенциал конъюгатов ПОМ-АПТМС для участия в различных координационных взаимодействиях. Разработанная методика позволила, варьируя кислотность метанольного раствора, концентрацию органических катионов, скорость смешения реагентов и природу растворителя, добиться точного контроля количества привитых молекул АПТМС, а также подтвердить их локализации на димолибденовых мостиках {Mo2} в структуре Мо132 и на полиэдрах железа в ПОМ Mo72Fe30. Высокая специфичность молекул АПТМС именно к фрагментам {Mo2} доказана методами ИК и КР спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). С помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показано влияние степени модификации поверхности Мо132 молекулами АПТМС на морфологию твердой фазы: обнаружено формирование новых наноразмерных объектов плоских стержней и лент (толщиной порядка 10 нм), рост которых можно контролировать, меняя природу растворителя. Подобные структуры наблюдаются для семейства гигантских ПОМ впервые. Одним из ключевых результатов проведенных исследований является предложенная модель механизма модификации поверхности нанокластерных ПОМ молекулами кремнийорганики, где особое значение придается процессу динамического обмена лигандов (метокси/гидрокси групп, аквагрупп) на поверхности Кеплератов. Третий блок работ по созданию гидрогелей был посвящен разработке и оптимизации методики получения гибридных акриалмид/бисакриламидных систем, включающих ассоциаты ПОМ-БМ. Процесс гелеобразования проходил в рамках подхода in situ фотополимеризации за счет биосовместимого инициатора – рибофлавина (витамин Б2). В ходе проведенных исследований было обнаружено, что ПОМ способен ингибировать процесс радикальной полимеризации, что приводит к уменьшению его стабильности при формировании геля. Для предотвращения этого сценария был реализован метод по введению защитных оболочек для ПОМ различной природы: водорастворимые неионогенные полимеры (ПВС, ПВП), хитозан, органические катионы (ТБАБ) и олигомер «Акриалмид-РдБ». Параллельно задаче по стабилизации ПОМ был разработан подход к эффективной иммобилизации РдБ в структуре геля, так как полимеризация мономера РдБ-АА не приводила к его полному встраиванию в структуру макромолекул, в частности, из-за его ассоциации с ПОМ, который локально ингибировал процесс образования свободных радикалов, необходимых для ковалентного связывания РдБ-АА с другими мономерами акриламида. Выход был найден путем синтеза олигомера из акриламида и РдБ-АА, который был затем введен в систему акриалмид/бисакриламид, содержащую ассоциаты ПОМ-БМ. В результате удалось достичь практически 100-процентного закрепления красителя в структуре геля, что важно для функционирования реальных систем по рилизингу БМ. Для оценки степени сшивки гидрогеля в процессе синтеза была предложена методика оценки полноты полимеризации на основе корреляционной зависимости характеристической частоты в ИК-спектрах. Проведенные модельные эксперименты по рилизингу БМ в условиях физиологического рН из созданных гидрогелей показали перспективность реализованных подходов для реального применения в области персонифицированной медицины и изучения фармакокинетики лекарственных средств. Важно отметить, что гидрогели на основе катионных полиэлектролитов (хитозан, ПАА) из-за сильного сродства функциональных групп к поверхности ПОМ не могли быть использованы для проведения экспериментов по рилизингу в том виде, в котором они были запланированы при написании проекта. Катионные полиэлектролиты способны втеснять с поверхности ПОМ ассоциированные с ним БМ, таким образом нарушается рН-зависимый рилизинг, обусловленный деградацией нанокластера. Однако, на основе разработанных протоколов синтеза гидрогелей «ПОМ-полиэлектролит» возможно создание систем рилизинга, в которых рН-зависимое высвобождение БМ реализуется за счет кинетики набухания гидрогеля, которая, в свою очередь, определяется разложением ПОМ. В целом, достигнутые в проекте результаты позволяют уже сейчас создать систему рилизинга БМ, а также открывают новые области для дизайна систем высвобождения БМ и для решения целого спектра материаловедческих задач на основе конъюгатов органических молекул с нанокластерными ПОМ, терминированными аминогруппами.

 

Публикации

1. Гржегоржевский К.В, Шевцев Н.С., Алехнович В.В. ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ГИБРИДНЫЕ ГЕЛИ НА ОСНОВЕ КЕПЛЕРАТНЫХ ПОМ: ПРОЛОНГИРОВАННЫЙ РИЛИЗИНГ БИОАКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ IV Международная конференция «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (MOSM2020), BOOK OF ABSTRACTS: 4th International Conference «Modern Synthetic Methodologies for Creating Drugs and Functional Materials » (MOSM2020),Yekaterinburg, 16-20 November, 2020. - P. OR-4. - 2020 (год публикации - 2020).

2. Гржегоржевский К.В. , Туктакиева К. Э. КОВАЛЕНТНАЯ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ ПОЛИАЛЛИЛАМИНА МОЛЕКУЛАМИ РОДАМИНА-Б И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ СВЯЗЫВАНИЕ С КЕПЛЕРАТОМ Мо132 Международная Конференции «Химия и технология функциональных материалов», 17 Декабря 2020, г. Иваново, Международная Конференции «Химия и технология функциональных материалов», 17 Декабря 2020, г. Иваново. – С. 15. (год публикации - 2020).

3. Гржегоржевский К.В., Абушаева А.Р. Модификация Кеплерата Мо132 молекулами кремнийорганики: центры связывания, состав и морфология пленок ШЕСТОЙ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ НАУЧНЫЙ ФОРУМ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ "НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ". Москва. 23-27 ноября 2020 Г., Сборник материалов. ТОМ I – М: ЦЕНТР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ (АНО ЦНТР), 2020 г. (год публикации - 2020).

4. Гржегоржевский К.В., Адамова Л.В., Остроушко А.А. The cooperative effect of the sorption of volatile molecules into metal–oxide frameworks as a function of the dielectric constant Dalton Transactions, -V. 50. - 7. - P. 2403-2413 (год публикации - 2021).

5. Гржегоржевский К.В., Шевцев Н.С., Алехнович В.В., Деникаев А.Д. ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ ГИДРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КЕПЛЕРАТНЫХ ПОЛИОКСОМЕТАЛЛАТОВ ДЛЯ ЗАДАЧ РИЛИЗИНГА БИОАКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ Сборник материалов конференции VIII Всероссийская школа-конференция молодых ученых «ОРГАНИЧЕСКИЕ И ГИБРИДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ», - (год публикации - 2021).

6. Денкиаев А.Д., Гржегоржевский К.В. Контролируемая ковалентная модификация поверхности Mo132 кремнийорганическими молекулами Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021», Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, Е.И. Зимакова. [Электронный ресурс] – М.: МАКС Пресс, 2021. – 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM); 12 см. – 2000 экз. (год публикации - 2021).


Возможность практического использования результатов
Полученные в рамках реализации проекта результаты можно разделить на несколько блоков, которые смогут найти свое применение для развития как фундаментальных научных направлений, так и для практического использования внутри ключевых треков развития современных технологий, экономического и социального благополучия граждан РФ. Подходы к производству гидрогелей для доставки биоактивных молекул (БМ) различной природы, способных ассоциировать с ПОМ, могут быть использованы для пролонгированного рилизинга на поверхности кожных покровов или внутри организма (имплант) гормонов, цитостатиков, иммуносупрессоров, антибиотиков и, вероятно, даже белковых препаратов. Биосовместимые акриламидные гели с флуоресцентным компонентом не будут прорастать клетками тканей организма и обеспечат возможность индивидуального контроля фармакокинетики БМ. Благодаря тому, что гели получаются в условиях фотополимеризации, где в качестве инициатора радикального процесса выступает витамин Б2, можно говорить об отсутствии токсического эффекта, который могут вызвать традиционные активаторы, такие как персульфат аммония. Сам по себе нанокластерный ПОМ имеет низкую токсичность и может быть использован без возникновения нежелательных эффектов на организм пациента. Методика получения гидрогелей на основе полиэлектролитов (хитозан, ПАА) может стать основой для развития научного направления по созданию гидрогелей, степень набухания которых может быть лимитирована присутствием в структуре геля ПОМ, рН-зависимая деструкция которого, в свою очередь, позволит реализовать пролонгированное набухание такого гидрогеля и, как следствие, рилизинг БМ. В частности, достигнутые в проекте результаты по модификации полимерных матрицы молекулами красителя родамина-Б (РдБ), таких как ПАА, оказались интересными с точки зрения возможного приложения в сенсорики. Благодаря обнаруженному эффекту сильного температурного гистерезиса (дельта=65-70 Град.Ц) для перехода красителя в структуре полимера из лейко в окрашенную форму, возможно развитие направления по созданию рН-зависимых или температурно-зависимых оптодов. Отдельно стоит отметить важность результатов исследований по модификации гигантских кеплератных ПОМ молекулами кремнийорганики (аминопропилтриметоксисилан – АПТМС). Нанокластеры Мо132 и Mo72Fe30 показали высокую селективность реакционных центров при взаимодействии с АПТМС: димолибденовые мостики и полиэдры железа способны образовывать связи Mo-O-Si или Fe-O-Si благодаря процессу гидролиза молекул АПТМС на поверхности ПОМ, который, в свою очередь, активируется динамическим обменом лигандов (метокси групп на гидроксигруппы и аквалиганды). Таким образом, будучи терминированы аминогруппами, кеплератные ПОМ могут выступать в качестве прецизионных наноразмерных (3 нм диаметре) темплатов для ковалентной сборки на их поверхности надмолекулярных ансамблей заданного состава и геометрии. В качестве функциональных молекул, которые могут быть привиты на поверхность гигантских ПОМ могут выступать молекулы красителей (фотосенсибилизаторы), хиральные молекулы, молекулы ПАВ и др. Такие ансамбли могут найти применение в фотокатализе, в том числе для проведения стереоспецифических реакций в молекулярных карманах (скаффолдах) на поверхности ПОМ, в фотореакциях генерации водорода и в фотозависимых каскадах переноса электрона (фотовольтаика, искусственный фотосинтез). Благодаря открытой методики функционализации гигантских ПОМ молекулами АПТМС, которая ранее была доступна только для простых ПОМ, возможно развитие нового крупного направления как в химии полиоксометаллатных соединений, так и в химии надмолекулярных структур. В заключении можно отметить, что достигнутые результаты проекта позволят продвинуться в технологических аспектах процессов получения гидрогелевых рилизинг систем, а с точки зрения фундаментальной науки открывают новые подходы к функциональному дизайну материалов на надмолекулярном уровне с использованием наноразмерных темплатов.