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 19-79-30062

НазваниеТехнология создания биоэлектронных интерфейсов для считывания сигналов и управления нейронными клетками

РуководительМаксимов Георгий Владимирович, Доктор биологических наук

Прежний руководитель Новак Павел , дата замены: 13.08.2021

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2022 

КонкурсКонкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-704 - Микро- и наноэлектромеханические устройства

Ключевые словаБиоэлектронные интерфейсы, нейрон, сканирующая ион-проводящая микроскопия, электрофизиология, клеточная мембрана, ионные каналы, сенсор

Код ГРНТИ59.00.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Основной задачей современной нейробиологии является исследование взаимосвязи между функциональными взаимодействиями нейронов в норме и при патологии. Понимание роли биоэлектрогенеза его молекулярных основ в процессах обучения, памяти, поведения, восприятия и сознания представляет собой одну из основных задач современных биологических наук. Считается, что все эти процессы формируются из различных сигналов нейронных цепей, и для того, чтобы их полностью понять, мы должны иметь возможность отслеживать реальные изменения мембранных потенциалов в различных областях нейрона в течение длительного периода времени. За последнее десятилетие был изучен ряд новых технологий, однако ни один из них не полностью отвечает всем требованиям, упомянутым выше. Эта интенсивно исследуемая область, на переднем крае биофизики, нейробиологии, нанотехнологий, материаловедения и электроники, очень нуждается в инновационных решениях. Проблема обмена информацией между электронными устройствами и нейронами мало исследована, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последнее десятилетие. Одной из основных задач является создание высокоомного долговременного контакта между внешними электродами устройства и мембраной нейронов, но с низким входным сопротивлением, что позволит зарегистрировать как субпороговые, так и надпороговых потенциалы без затухания сигнала. Запись внутриклеточных биоэлектрических сигналов является центральной задачей для понимания фундаментального поведения клеток и клеточных сетей, например, в нервных и сердечных системах [Nature Nanotech. 7, 143–145 (2012); Nature Nanotech. 8, 83–94 (2013)]. В настоящее время имеющиеся электрофизиологические технологии позволяют проводить только внеклеточные записи больших популяций нейронов и не подходят для одновременной внутриклеточной записи нейронной активности множества отдельных нейронов в сети. Кроме того, из-за их механической нестабильности внутриклеточные стеклянные электроды не могут использоваться для мониторинга долговременных электрофизиологических коррелятов пластичности и обучения. Идеальная многоканальная система оценки функционального состояния нервной клетки должна суммировать информацию, ряда электрофизиологических параметров, от индивидуальных нейронов. К данным параметрам относятся: потенциалы действия, субпороговые возбуждающие и ингибиторно-постсинаптические потенциалы. Более того, должна быть возможна модуляция активности отдельных нейронов в нейросети в данной многоканальной системе. На данный момент известные методики регистрации нейронной активности включают: (а) внутриклеточные записи и стимуляцию стеклянными острыми или патч-электродами, (б) внеклеточные записи и стимуляцию с помощью субстрат- интегрированных микроэлектродных массивов , (в) технологии оптической визуализации и стимуляции, используя внешние флуоресцентные индикаторы или генетически кодированные молекулярные зонды, и (г) другие методы, такие как функциональная магнитно-резонансная томография, электроэнцефалография, электрокортикография и магнитоэнцефалография, предназначенные для регистрации активности очень крупномасштабных нейронных популяций, которые не подходят для разрешения порядка одного нейрона. В данном проекте мы предлагаем использовать новейшие технологические разработки в 3D-печати терминалов на основе проводящих полимеров с использованием стеклянных нанокапилляров в сочетании с недавно разработанной сенсорной технологией на основе полевых транзисторов. Мы рассмотрим альтернативные формы и химическую функционализацию проводящих полимерных структур для улучшения контакта между терминалами и нейронными клетками и изучим возможности печати проводящих полимерных структур вокруг живых культур клеток в физиологических условиях. Это позволит сделать шаг в разработке биоэлектронных интерфейсов вокруг существующих нейронных сетей в качестве альтернативы традиционному подходу, где ожидается, что нейронные сети будут расти вокруг сборных электродных массивов.

Ожидаемые результаты
Цель проекта – разработка технологии создания биоэлектронных интерфейсов для регистрации электрических параметров нейрона для управления его функцией. Разработка биоэлектронных интерфейсов является актуальной задачей для изучения активности нейронных клеток как с целью фундаментальных, так и прикладных исследований в биомедицине. Разработка современных лекарственных препаратов, действующих на центральную нервную систему, требует создания актуальных in vitro и in vivo моделей для точного определения механизма действия препарата и диагностики его эффективности. Для достижения поставленной цели в ходе выполнения проекта необходимо решить несколько основных задач. В ходе первого этапа (2019 г.) будет разработан прототип системы для создания трехмерных наноструктур используя метод нанопозиционирования нанокапилляра, основанный на принципах сканирующей ион-проводящей микроскопии. Данный прототип позволит более полно осуществлять электрические контакты с нейронами для создания биоэлектрических интерфейсов. Также, в рамках первого года выполнения проекта будет создан действующая функциональная модель усилителя биопотенциала по технологии нанесения одно -или многослойных структур из полупроводниковых, нанокомпозитных и металлических материалов на диэлектрических подложках. На основе данной модели будет создан прототип наноразмерного транзистора, который позволит проводить считывание мембранного потенциала с единичных клеток и ляжет в основу системы считывания разрабатываемых биоэлектрических интерфейсов. Кроме того, будет разработан ряд уникальных методов анализа и проведены исследования, результаты которых лягут в основу научных публикаций в журналах. В ходе первого года выполнения проекта предполагается подготовить 10 публикаций, индексируемых Web of Science и Scopus. Разработанным уникальным техническим решениям будет предоставлена соответствующая правовая защита. На ключевые элементы прототипа системы для трехмерной печати наноразмерных структур и прототип наноразмерного транзистора будут получены патенты на изобретение. На разработанное программное обеспечение будут получены соответствующие свидетельства. В ходе второго этапа (2020 г.) будет разработана технология создания трехмерных наноструктур совместимых с функционированием нейронов. Технология позволит подводить контакты к единичным нейронным клеткам для стимуляции и регистрации сигнала: потенциала действия или подпорогового потенциала. Для локального контроля действия нейротрансмиторов и внутриклеточного определения метаболитов будут разработаны опытные образцы нанокапиллярных биосенсоров. Кроме того, будут подготовлены новые методики для характеризации разработанных бисенсоров и проведены их испытания на нейронах и аксонах. Результаты второго этапа будут опубликованы в 10 публикациях в журналах, индексируемых Web of Science или Scopus после получения соответствующей патентной защиты. В ходе третьего этапа будет разработан прототип биоэлектронного интерфейса для управления и считывания сигналов нейронных клеток и будет разработана соответствующая система считывания и обработки сигналов. Разработанная технология нанесения трехмерных структур позволит подвести электрические контакты к единичным нейронным клеткам. Интеграция наноразмерных транзисторов и нанокапиллярных биосенсоров позволит производить многофакторный мониторинг параметров нейронных клеток и их реакцию на воздействие внешних факторов. Кроме того, разработанный биоэлектронный интерфейс позволит сконструировать модель для изучения передачи сигнала в нейронной сети in vitro. Результаты третьего этапа будут опубликованы в 10 публикациях в журналах, индексируемых Web of Science или Scopus после получения соответствующей патентной защиты. В ходе четвертого этапа предполагается интегрировать биоэлектронные интерфейсы in vivo. Для осуществления данной задачи будет создана уникальная установка, которая позволит наносить трехмерные наноструктуры к нейронам in vivo и будет разработана уникальная система, которая позволит считывать данные с биоэлектронных интерфейсов, сформированных внутри организма лабораторного животного. Результаты четвертого этапа будут опубликованы в 10 публикациях в журналах, индексируемых Web of Science или Scopus после получения соответствующей патентной защиты. Успешное решение задач настоящего проекта и выполнение поставленной в нем цели будет иметь большой народнохозяйственный эффект – появятся новые высокоэффективные методы in vitro и in vivo диагностики деятельности как единичных нейронов, так и биологических нейронных сетей, что позволит развить принципиально новые персонифицированные методики лечения различных заболеваний центральной нервной системы. Результаты настоящего исследования могут быть успешно применены в прикладной медицине, биологических исследованиях, биоинженерии и нанотехнологиях. Потребителями результатов настоящего проекта станет ряд ведущих исследовательских центров не только в России, но и во всем мире. Готовый продукт интересен для крупных фармацевтических и медицинских корпораций, ведущих собственные медико-биологические и биоинженерные разработки. В связи с уникальностью научно-исследовательских работ, сложностью инженерно-конструкторских решений в готовом изделии, результатам настоящего проекта будет дана надежная правовая защита, которая позволит гарантировать приоритет российских исследователей в столь актуальной области. Приоритет российской науки над общемировой позволит в дальнейшем осуществлять промышленное производство, в том числе на экспорт, именно силами российских производителей, что однозначно повлечет за собой развитие точного приборостроения и связанных с ним отраслей в масштабах РФ. Кроме того, появление отечественной технологии, лежащей на стыке нанотехнологий и живых систем, приведет к развитию исследований и росту общего технологического уровня именно на территории РФ, даст толчок к появлению целого ряда импортозамещающей продукции российского производства, т.е. произойдет сокращение технологического разрыва, в том числе и в смежных областях.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основной задачей проекта является разработка технологии создания биоэлектронных интерфейсов для регистрации электрических параметров нейрона для управления его функцией. Для достижения поставленной цели в рамках первого года выполнения проекта создана функциональная модель усилителя биопотенциала по технологии нанесения одно -или многослойных структур из полупроводниковых, нанокомпозитных и металлических материалов на диэлектрических подложках. На основе данной модели будет создан прототип наноразмерного транзистора, который позволит проводить считывание мембранного потенциала с единичных клеток и ляжет в основу системы считывания разрабатываемых биоэлектрических интерфейсов. Для реализации плана проекта были проведены следующие исследования на нейронах и аксонах - Разработаны биологические модели для тестирования возможности измерения изменений мембранного потенциала с помощью Нанотранзисторов. Моделями могут служить миелиновые нервы лягушки (Rana temporaria), идентифицированные нейроны различных ганглиев пиявки, (Hirudo medicinalis или Macrobdella Decora) и культура нейронов гиппокампа мышей. Для данных модельных объектов исследования предлагается использовать микроспектроскопию КР, лазерную интерференционную микроскопию и сканирующую ион-проводящую микроскопию. - Исследованы изменения состояния цитоплазмы нейрона в норме и при действии медиаторов (ацетилхолин, АТФ, серотонин). Установлено, что в состоянии покоя, , максимальные изменения ОРХ наблюдали в примембранной области нейрона, а при активации АХР как в примембранной области так и в цитоплазме. Активация АХР приводит к уменьшению высоты фазового профиля (распределения ОРХ) нейрона за счет выхода везикул с серотонином в локальных областях мембраны клетки с максимальными изменениями мембранного потенциала. Проведены тестовых испытания по измерению функциональных свойств клеток с помощью Нанотранзистора и разработанных наноразмерных биосенсоров. С помощью сканирующей ион-проводящей микроскопия исследовали измерения жесткости нейрона. Разработана методология оценки различий жесткости различных участков клетки, которые не тестируются при обычных способах топографии. Установлено, что нейроны как позвоночных, так и беспозвоночных имеют значения жесткости более мягкие, чем опухолевые клетки. Установлено, что при активации АХР наблюдается существенное обратимое снижение жесткости нейрона. Действие ацетилхолина может быть связано с экзоцитозом везикул, который стимулируется повышением концентрации внутриклеточного кальция, изменением состояния плазматической мембраны или с перестройками цитоскелета. Разработана методика исследования функциональных особенностей разработанных тестовых биологических систем. Установлено, что частота Retzius-клетки сегментарного ганглия пиявки составляет от 0,25 до 0,28 Гц, а при ТС кожи (изменение температуры от 20 до 350С) за первые 1,5 – 2,5 минуты возрастает до 0,6 Гц. На фоне увеличения частоты наблюдалась так же деполяризация мембраны нейрона. Обнаружено, что изменения частоты Rz-клеток наблюдаются не только при изменении температуры участка боковой стенки тела животного, но и участков головной и хвостовой присосок. Исследованы изменения морфологии, состава и конформации липидов миелина при действии медиаторов на рецепторы нейронов. Разработан метод количественного описания молекулярной упорядоченности молекул в липидного бислоя миелина. Установлено, что различия в распределении молекул каротиноидов и фосфолипидов связаны с морфологией миелина и волокна. Молекулы каротиноидов расположены преимущественно перпендикулярно к поверхности липидного бислоя миелина, а фосфолипидов – под углом 45о. Предполагается, что микродоменная организация интернодального миелина обусловлена наличием участков, обладающих более высокой степенью насыщенности жирнокислотных остатков и упорядоченности фосфолипидов миелина, и обеспечивает оптимальное функционирование и распределение ионных каналов. Исследованы изменения вязкости плазматической мембраны, внутриклеточного Са2+ и рН при действии АХ на рецепторы изолированного нейрона и нейрона, с сохраненными контактами с другими нейронами и глиальной клеткой. При термостимуляции кожи выявлено обратимое уменьшение количества мембраносвязанного кальция нейролемы, снижение потенциала внутренней мембраны () и содержания (уровень) НАДН митохондрий Rz-клетки. 5-НТ вызывает различные по направленности, но обратимые изменения содержания мембраносвязанного Са2+ на мембране Р- и R-клеток, выраженность которых зависит от его межклеточной концентрации. Наличие корреляции между состоянием мембранных липидов (вязкость плазматической мембраны) Р- и R-клеток и их Са2+-связывающей способностью при действии данного НМ, вероятно, отражает зависимость синаптической передачи сигнала от Р- к R-клетке от экзоцитоза серотонина.

 

Публикации

1. Алова А., Ерофеев А.С.,Горелкин П.В.,Бибикова Т.,Корчев Ю.Е., Мажуга А.Г., Булычев А. Prolonged oxygen depletion in microwounded cells of Chara corallina detected with novel oxygen nanosensors Journal of Experimental Botany, doi:10.1093/jxb/erz433 (год публикации - 2019).

2. Ванеев А. Н., Лопатухина Е.В., Алова А.В., Ерофеев А.С., Горелкин П.В., Красновская О.О., Колмогоров В.С., Корчев Ю.Е., Мажуга А.Г., Эдвардс К., Новак П. Novel rapid method for evaluating of anticancer drugs effect on tumor cells FEBS OPEN BIO, Том: 9 Стр.: 169-170, P-12-016 (год публикации - 2019).

3. Горелкин П.В., Ерофеев А.С., Шевчук А., Мажуга А.Г., Эдвардс К., Максимов Г.В., Пархоменко Ю.Н.,Корчев Ю.Е., Новак П. Scanning Ion Conductance Microscope as a new tool for bionanotechnology FEBS OPEN BIO, Том: 9 Стр.: 169-169, P-12-014 (год публикации - 2019).

4. Ерофеев А.С., Горелкин П.В., Шевчук А.И., Эдвардс К., Мажуга А.Г, Максимов Г.В., Пархоменко Ю.Н., Новак П. Novel electrochemical nanoprobes for single cell analysis FEBS OPEN BIO, Том: 9 Стр.: 169-169 Приложение: 1 Аннотация к встрече: P-12-015 (год публикации - 2019).

5. Казакова Т.А., Юсипович А.И., Пирутин С.К., Максимов Г.В. The change in the frequency of rhythmic excitation of the Retzius-cell during thermal stimulation of the skin leeches BULLETIN OF EXPERIMENTAL BIOLOGY AND MEDICINE, Том: 168 Номер: 9 Год: 2019 Страницы: 351-354 (год публикации - 2019).

6. Казакова Т.Е., Ерофеев А.С., Горелкин П.В., Максимов Г.В., Новак П. Neurotransmitter vesicles redistribution during the activation of the neuron acetylcholine receptor FEBS OPEN BIO, Том: 9, Стр.: 127-128,P-06-018 (год публикации - 2019).

7. Колмогоров В.С., Алова А.В., Юдина А., Гаранина А.С., Ерофеев А.С., Горелкин П.В., Клячко Н.Л.,Киреев И.В., Мажуга А.Г., Эдвардс К., Корчев Ю.Е., Новак П. Drug-induced alterations in cancer cell compartments studied by local stiffness measurement via scanning ion-conductance microscopy FEBS open bio, Том: 9 Номер: Suppl. 1, стр 168-169, P-12-013 (год публикации - 2019).

8. Колмогоров В.С., Алова А.В., Юдина А.С., Гаранина А.С., Ерофеев А.С., Горелкин П.В., Клячко Н.Л., Киреев И.И., Мажуга А.Г.,Эдвардс К., Корчев Ю.Е., Новак П. Изучение влияния терапевтических агентов на различные компартменты опухолевых клеток методом локального измерения механических свойств с применением сканирующей ион-проводящей микроскопии Acta Naturae спецвыпуск, Т. 1, № 2. — С. 246–246. (год публикации - 2019).

9. Максимов Г.В., Кутузов Н.П., Шутова В.В., Орлов С.Н. Microdomain Organization of Intermodal Myelin Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology, July 2019, Volume 13, Issue 3, pp 260–267 (год публикации - 2019).

10. Федотова Ю.А, Харченко А.А., Федотов А.К., Чичков М.В., Малинкович М.Д., Конаков А.О., Воробьева С.А., Касюк Ю.В., Гуменник В.Э., Кула М., Митура-Новак М., Максименко А.А., Пржевозник Ж., Капуста Ч. Влияние магнитных частиц Co-CoO на свойства электропереноса в однослойном графене Физика твердого тела, - (год публикации - 2020).

11. Чанг Я.,Такахаши Я., Хонг С.П., Лиу Ф.,Беднарска Д., Гофф Ф.С., Новак П., Шевчук А.,Гопал С.,Бароззи И., Магнани Л.,Сакай Х.,Сугуру High-resolution label-free 3D mapping of extracellular pH of single living cells NATURE COMMUNICATIONS, 10, Article number: 5610 (2019) (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках реализации второго этапа работ был собран и протестирован модуль для поддержания жизнедеятельности клеток. Были выбраны параметры для работы модуля. Была показана необходимость реализовать программное отключение нагрева и потока жидкости на время сканирования и обратное включение на время простоя. Была выполнена успешная адаптации конструкции прототипа Системы для измерений в среде, оптимальной для функционирования живых нейронных клеток, включающей в себя применение как технологического подхода с использованием системы циркуляции и поддержания температуры, так и биологического для сохранения нормальных морфологических и функциональных свойств. Был разработан протокол обратной связи для изготовления трехмерных структур включающий в себя процесс подведения к поверхности и принцип обратной связи current appears. Был проведен подбор оптимальных материалов и условий для создания трехмерных наноструктур, интегрированных в образец с живыми нейронными клетками, включающей в себя состав прекурсора трехмерных структур, методики изготовления и материала для субстрата. В ходе данного этапа мы рассмотрели различные методы для определения трансмиттеров в живых системах и наиболее актуальной и перспективной платформой для изготовления сенсорных устройств выступает нанокапилляр, поскольку у нанокапилляра возможно изменение физического размера, например, изменение размера электрохимически активной поверхности, а также изменение длины продольной части. Доступная модификация пипеток различными способами для определения большого спектра метаболитов также относится к преимуществам использования. Было показано, что с помощью наносенсора возможно определение АФК и дофамина, была определена чувствительность по каждому из определяемых аналитов. Был описан метод измерения дисперсии показателя преломления микроскопических объёмов жидкостей с помощью автоматизированного интерференционного микроскопа МИА-1Д и измерительной кюветы с микролункой. Приведено описание алгоритма обработки получаемых изображений с целью вычисления показателя преломления. Приведены результаты измерения дисперсии показателя преломления бычьего сывороточного альбумина. Показано, что предложенный метод позволяет измерять показатель преломления жидкостей микроскопических объёмов с точностью до 4–5 знака после запятой.

 

Публикации

1. Беднярска Д., Новак П., Корчев Ю.Е., Рорсман П., Тарасов А.И., Шевчук А. Release of insulin granules by simultaneous, high-speed correlative SICM-FCM Journal of Microscopy, - (год публикации - 2020).

2. Беднярска Д., Пельчен-Мэтьюс А., Новак П., Бурден Д.Д., Саммерс П.А.,, Куимова М.К.,Корчев Ю.Е.,Марш М., Шевчук А. Rapid formation of human immunodeficiency virus-like particles Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2020, 117(35), стр. 21637-21646 (год публикации - 2020).

3. Власов А.В., Маляр Н.Л., Баженов С.В., Никельшпарг Е.И., Браже Н.А., Власова А.Д., Осипов С.Д., Сударев В.В., Рыжикау Ю.Л., Богородский А.О., Зиновьев Е.В., Рогачев А.В., Манухов И.В., Борщевский В.И., Куклин А.И., Покорный Я., Raman Scattering: From Structural Biology to Medical Applications Crystals, 2020, 10(1), 38 (год публикации - 2020).

4. Горелкин П.В., Ерофеев А.С., Шевчук А., Новак П., Эдвардс К., Корчев Ю.Е. Scanning Ion Conductance Microscopy for Single Cell Analysis Microscopy and Microanalysis, 26 (Suppl 2), 2020 (год публикации - 2020).

5. Казакова Т.А., Юсипович А.И., Максимов Г.В. Investigation of changes in membrane potential and rhythmic activity of the Retzius neuron upon stimulation of the sensory P-neuron Herald of the Bauman Moscow State Technical University, том 6, номер 93( 2020)стр. 137 - 144 (год публикации - 2020).

6. Казакова Т.А., Юсипович А.И., Пирутин С.К., Максимов Г.В. Changes in the Frequency of Rhythmic Excitation of Retzius Cells during Thermal Stimulation of Leech Skin Bulletin of Experimental Biology and Medicine, 168, pages 378–380(2020) (год публикации - 2020).

7. Кленерман Д., Корчев Ю.Е.,Новак П., Шевчук А. Noncontact Nanoscale Imaging of Cells Annual Review of Analytical Chemistry, - (год публикации - 2021).

8. Мамаева С.Н., Кононова И.В., Ружанский М.В., Никифоров П.В., Николаева Н.А.,Павлов А.Н.,Федорова Н.Ф.,Янджинг Х., Семенова М.Н., Барашкова Л.С., Фролова Д.В., Максимов Г.В. Using Scanning Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy to Study the Formation of Nanoparticles on Red Blood Cell Surface in Cervical Cancer Patients INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOMEDICINE, 10(1) (2020) 70-75 (год публикации - 2020).

9. Першина А.Г., Брикунова О.В., Демин А.М., Абакумов М.А., Ванеев А.Н., Науменко В.А., Ерофеев А.С., Горелкин П.В., Низамов Т.Р., Муслимов А.Р., Тимин А.С., Малкеева Д., Киселева Е., Вторушин С.В., Ларионова И.В., Мажуга А.Г.,Огородова Л.М. Variation in tumor pH affects pH-triggered delivery of peptide-modified magnetic nanoparticles Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, volume 32 (год публикации - 2020).

10. Плескова С.Н., Крюков Р.Н., Бобык С.З., Боряков А.В., Горелкин П.В., Ерофеев А.С. Conditioning adhesive contacts between the neutrophils and the endotheliocytes by Staphylococcus aureus Journal of Molecular Recognition, Volume 33, Issue 9, Номер статьи e2846 (год публикации - 2020).

11. Святловска П., Санчес-Алонсо Д.-Л.,Мэнсфилд К.,Скаини Д., Корчев Ю.Е., Новак П., Горелик Ю. Short-term angiotensin II treatment regulates cardiac nanomechanics: Via microtubule modifications Nanoscale, 2020,12, 16315-16329 (год публикации - 2020).

12. Слатинская О.В., Раденович Ч.Н., Шутова В.В., Максимов Г.В. ИЗМЕНЕНИЕ КОНФОРМАЦИИ КАРОТИНОИДОВ СЕМЯН ГИБРИДОВ КУКУРУЗЫ ПРИ ДЕЙСТВИИ УЛЬТРАФИОЛЕТА И α-ЧАСТИЦ РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, Том: 60, Номер: 4 (2020) Стр. 371-377 (год публикации - 2020).

13. Турутин А.В., Темиров А.А., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н.,Ерофеев А.С., Корчев Ю.Е. Nanosized Field-effect Transistor Based on Germanium for Next Generation Biosensors in Scanning Ion-conductance Microscopy Microscopy and Microanalysis, Microsc. Microanal. 26 (Suppl 2), 2020 (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения 3-го этапа проекта была разработана основа для создания Биоинтерфейса, включающую подложку, обладающую оптимальными адгезивными свойствами, нейроны, среду, обеспечивающую жизнедеятельность нейронных клеток, и механические элементы, обеспечивающие подвод детекторов от системы считывания. Необходимым требованием для основы Биоинтерфейса является подложка с достаточной электрической проводимостью для возможности дальнейшей печати трехмерных структур на поверхности Биоинтерфейса, а также с необходимыми адгезививными свойствами для обеспечения жизнедеятельности разработанных in vitro моделей. Была выполнена трехмерная печать с применением боросиликатных нанокапилляров, изготовленных из боросиликатных заготовок (OD: 1.0 mm; ID: 0.5 mm; Sutter Instruments, США) с использованием лазерного пуллера P-2000 (Sutter Instruments, США). Типичный радиус изготовленных нанокапилляров составил 50-100 нм. Для нанесение трехмерных структур нанокапилляр заполнялся раствором 0.1 M H2SO4 и 0.1 М пиррола (Sigma Aldrich, США). Далее, нанокапилляр подводился к поверхности проводящего элемента изготовленной подложки на скорости нагружения 5 мкм/с и при постоянном потенциале 100 мВ. Затем, при контакте с поверхностью на подложку подавалось постоянное электрическое сопротивление 400 мВ, что приводило к полимеризации пиррола. После начала полимеризации нанокапилляр перемещался за счет латерального движения пьезоактюаторов СИПМ с постоянной скоростью 30-50 мкм/с в необходимом направлении. В ходе выполнения данного этапа проекта произведена интеграция Наносенсоров в конструкцию прототипа Биоинтерфейса путем изготовления проводящих дорожек (Рисунок 4 и 5) из нихрома для обеспечения возможности контакта Наносенсоров в конструкцию прототипа Биоинтерфейса. В ходе выполнения проекта нами также была разработана автоматизированная система подвода зонда к поверхности объекта, позволяющая также с высокой точностью выполнять операции по ручному позиционированию нанокапилляра. Разработанный модуль значительно упрощает работу по печати наноструктур на поверхности образца. рамках проекта в качестве системы для сбора и обработки данных с Биоинтерфейса и Наносенсоров был разработан прототип биоэлектронного интерфейса, который представляет собой устройство, для одновременного считывания данных с нескольких аналоговых каналов, что позволяет измерять электронные импульсы одновременно у нескольких нейронов. Разработка позволяет использовать данное устройство, как высокоточное и высокоэффективное устройство считывания и обработки сигналов. Обмен данными между прототипом биоинтерфейса и ПК осуществляется посредством шины USB 2.0 Hi-Speed, что обеспечивает высокую скорость и надежность передаваемых данных. В рамках проекта было разработано программное обеспечение (NanoSenseDAQ.exe), позволяющее считывать, обрабатывать и анализировать цифровые данные, отправляемые прототипом модуля сбора данных. Программное обеспечение позволяет выбирать блок считывания данных, количество анализируемых каналов, и автоматически масштабировать получаемые сигналы в правильные единицы и значенияю. Был проведен анализ влияния размерного фактора, вплоть до единиц нанометра, на электрофизические характеристики усилителя потенциала. Полученные результаты систематизируют знания о влияния размерного фактора на электрофизические параметры двухканальных пипеток с полупроводниковым слоем на их окончание. Были проведены исследования влияния условий культивирования нервной клетки на характеристики модели усилителя (транзистора).Требованием к условиям культивирования нервной клетки является отсутствие влияния на вольтамперные характеристики модели усилителя (транзистора) при рабочем диапазоне концентраций. В ходе работы было обнаружено, что значительное влияние на модель разработанного транзистора вносит pH исследуемого раствора. Так, обнаружено, что рН раствора влияет на величину тока, измеряемой модели усилителя. Таким образом, измерения с применением данного сенсора необходимо проводить в среде с буфером. Были разработаны рекомендации по выбору in vitro моделей для тестирования Биоинтерфеса с интегрированными Наносенсорами.Установлено, что нейроны плохо садятся и растут на подложках ITO и Nb без предварительной обработки подложек поли-орнитином. Если на подложках ITO еще можно попробовать вырастить единичные клетки, то на подложках Nb это невозможно. В любом случае работа с нейрональной сетью на подложках ITO и Nb невозможна. Доказано, что обработка подложек полиорнитином позволяет посадить и вырастить на этих подложках нейроны, и получить нейрональную сеть. Однако было показано, что проводящие свойства подложек меняются. Подобраны условия формирования нейрональных структур из фрагментов мозжечка крысы, что может быть использовано в дальнейшем, как модель взаимодействия отдельных участков мозга животных. Установлено, что жесткость мембраны нейронов связана с типом подложек, на которых эти нейроны растут. Это наблюдается несмотря на то, что нейроны непосредственно со сплавом не контактируют, а контактируют во всех случаях только с поли-орнитином.Так, в ходе работы решено использовать матрицу с проводящими элементами для минимизации контакта культивируемых клеток с металлическими участками подложки с дальнейшим подведением проводящих полипирроловых проводящих контактов. Были проведены исследования по влиянию различных воздействий (механическое, химическое и др.) на трансформацию сигнала между соединенными нейронными клетками в сети. По результатам эксперимента обнаружено значительное повышение внутриклеточного уровня кальция как в единичной клетки, так и в нейрональной сети. Были разработаны приложения Биоинтерфейса для регистрации in vitro функционирования различных нервных клеток. В качестве объекта для сравнения была выбрана возбудимая зеленая водоросль – аналог аксона кальмара в растительном мире. Для данной водоросли хорошо изучена реакция на механических стресс. При микроповреждении клеточной стенки происходит образование локальной щелочной зоны в месте повреждения. Данный феномен был изучен с помощью сурьмянного электрода. Это дало хорошее основание для сравнения свойств наноэлектродов, разработанных в ходе реализации проекта, и широко используемах электродов из сурьмы. Калибровочные кривые для двух типов рН датчиков похожи между собой. Апробация работы рН-наносенсоров была проведена на возбудимых клетках Chara corallina при механическом повреждении клеточной стенки стеклянной микропипеткой. Регистрируемые сдвиги рН характеризуются схожей динамикой, что подтверждает возможность использования данного наносенсора для внеклеточных измерений в растворе с пониженной ионной силой.

 

Публикации

1. Аллахвердиев Е.С., Максимов Г.В., Родненков О.В., Лунева О.Г., Цораев Г.В., Иванов А.Д., Юсипович А.Л., Мартынюк Т.В. Effect of Dinitrosyl Iron Complex on Albumin Conformation BIOCHEMISTRY-MOSCOW, Том 86 Выпуск 5 Страница 533-539 (год публикации - 2021).

2. Гук Д.А., Красновская О.О., Моисеева А,А., Тафеенко В.А., Ульяновский Н.В,, Косяков Д.С., Пергушов В.И., Иельникоа М.Я., Дук Н.В., Сквортцов Д.А., Лопатухина Е.В., Ванеев А.Н., Горелкин П.В., Ерофеев А.С., Мажуга А.Г., Белоглазкина Е.К. New Fe–Cu bimetallic coordination compounds based on ω-ferrocene carboxylic acids and 2-thioimidazol-4-ones: structural, mechanistic and biological studies INORGANIC CHEMISTRY FRONTIERS, Том 8 Выпуск 21 Страница 4730-4750 (год публикации - 2021).

3. Кубасов И.В., Кислюк А.М., Турутин А.В., Шпортенко А., Темиров А.А., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Е. Cell stretcher based on single-crystal bimorph piezoelectric actuators Microscopy and Microanalysis, Том 26, Страницы 2772 - 2773 (год публикации - 2020).

4. Мамаева С.Н., Кононова И.В., Алексеев В.А., Николаева Н.А., Павлов А.Н., Семенова М.Н., Максимов Г.В. Determination of blood parameters using scanning electron microscopy as a prototype model for evaluating the effectiveness of radiation therapy for cervical cancer INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOMEDICINE, Том 11 Выпуск 1 Страница 32-38 (год публикации - 2021).

5. Мачулкин А.Э., Успенская А.А., Жук Н.Ю., Нименко Е.А., Бер А.П., Петров С.А., Полшаков В.И., Шафиков Р.Р., Скворцов, Плотникова Е.А., Панкратов А.А., Смирнова Г.В., Борисова Ю.А., Покровский В.С., Колмогоров В.С., Ванеев А.Н., Худяков А.Д., Ерофеев А.С. Synthesis, Characterization, and Preclinical Evaluation of a Small- Molecule Prostate-Specific Membrane Antigen-Targeted Monomethyl Auristatin E Conjugate Journal of Medicinal Chemistry, 2021, 64, 23, 17123–17145 (год публикации - 2021).

6. Мачулкин А.Э., Успенская А.А., Жук Н.Ю., Нименко Е.А., Бер А.П., Петров С.А., Шафиков Р.Р., Скворцов, Смирнова Г.В., Борисова Ю.А., Покровский В.С., Колмогоров В.С., Ванеев А.Н., Иваненков Я.А., Худяков А.Д., Ерофеев А.С. и др. PSMA-targeted small-molecule docetaxel conjugate: Synthesis and preclinical evaluation European Journal of Medicinal Chemistry, том 227, Номер статьи 113936 (год публикации - 2021).

7. Новотворцев В.К., Кукушкин М.Е., Тафеенко В.А., Скворцов Д.А., Калинина М.А., Тимошенко Р.В., Чмелюк Н.С., Васильева Л.А., Тарасевич Б.Н., Горелкин П.В., Ерофеев А.С., Мажуга А.Г. Dispirooxindoles based on 2-selenoxo-imidazolidin-4-ones: Synthesis, cytotoxicity and ros generation ability INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES, Том 22, Выпуск 5, Страницы 1 - 261 Номер статьи 2613 (год публикации - 2021).

8. Слатинская О.В., Браже Н.А., Орлов С.Н., Максимов Г.В. The Role of Extracellular Ca2+ in Regulating the Distribution and Conformation of Hemoglobin in Erythrocytes Biochemistry (Moscow) Supplement Series B: Biomedical Chemistry, Том 15, Выпуск 3, Страницы 230 - 238 (год публикации - 2021).

9. Тишкевич Д.И., Воробьева А,И., Шиманович Д., Канюхов Е., Козловский А., Здоровец М.В., Винник Д.А., Турутин А.В., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Донг М., Сайед М.И., Зубарь Т., Труханов А.В. Magnetic Properties of the Densely Packed Ultra-Long Ni Nanowires Encapsulated in Alumina Membrane NANOMATERIALS, Том11 Выпуск7 (год публикации - 2021).

10. Тодоренко Д.А., Хао Д.,Слатинская О.В., Алахвердиев Е.С., Хабатова В.В., Иванов А.Д., Раденович С.Н., Маторин Д.Н., Алвасель С., Максимов Г.В., Алахвердиев С.И. Effect of thiamethoxam on photosynthetic pigments and primary photosynthetic reactions in two maize genotypes (Zea mays) FUNCTIONAL PLANT BIOLOGY, Том 48 Выпуск 10 Страница 994-1004 (год публикации - 2021).

11. Черткова Р.В., Брянцева Т.В., Браже Н.А., Кудряшова К.С., Ревин В.В., Некрасов А.Н., Юсипович А.И., Браже А.Р., Рубин А.В., Долгих Д.А., Кирпичников М.П., Максимов Г.В. Amino acid substitutions in the non-ordered w-loop 70–85 affect electron transfer function and secondary structure of mitochondrial cytochrome c CRYSTALS, Том 11 Выпуск 8 Номер статьи 973 (год публикации - 2021).

12. Юсипович А.И., Паршина Е.Ю., Байжуманов А.А., Пирутин С.К., Иванов А.Д., Минаев В.Л., Левин Г.Г., Максимов Г.В. Use of a Laser Interference Microscope for Estimating Fluctuations and the Equivalent Elastic Constant of Cell Membranes INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES, Volume 64, pp 877-885 (год публикации - 2021).