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 20-13-00142

НазваниеНовые синтетические органо-неорганические системы на основе направленно функционализированных бипиридинов/ азолоазинов и их комплексов с переменновалентными металлами в составе безреагентных средств для определения клинически значимых аналитов

РуководительРусинов Владимир Леонидович, Доктор химических наук

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

Годы выполнения при поддержке РНФ 2020 - 2022 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-101 - Синтез, строение и реакционная способность органических соединений

Ключевые словаПортативная диагностическая платформа, электрокатализаторы/медиаторы небиологической природы, наноматериалы, 2,2’-бипиридины, металлокомплексы, азолоазины, холестерин, глюкоза, антиоксидантная емкость, бесферментные сенсоры, иммуносенсоры, микрофлюидика, полимеры с молекулярными отпечатками, инфекционные агенты, онкомаркеры

Код ГРНТИ31.21.27; 31.21.17; 31.19.29


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен решение проблемы комплексной досимптоматической диагностики социально-значимых заболеваний (сахарного диабета, сердечно-сосудистых, инфекционных и онкологических болезней) посредством развития бесферментных электрохимических методов и сенсоров на основе неорганических и органических катализаторов/медиаторов и создания прототипа портативной диагностической платформы для комплексного персонализированного определения уровня глюкозы, холестерина и антиоксидантной емкости биологических жидкостей, а также экспресс-детектирования инфекционных агентов и онкологических маркеров. Актуальность выбранного направления обусловлена острой необходимостью развития методов диагностики социально-значимых заболеваний. Очевидно, что возникновение одного из этих патологических состояний предрасполагает к развитию другого. Достоверно известны биомаркеры: повышение уровня глюкозы и холестерина в крови, а также общий окислительный стресс (уменьшение антиоксидантной емкости организма). Отклонение от нормы уровня одного из этих факторов и/или их совокупности влечет за собой многократное увеличение рисков развития вышеописанных патологий. Эффективная диагностика невозможна без достоверной аналитической информации о совокупности уровней этих клинических показателей. Экспресс-определение уровня холестерина и глюкозы, как и определение антиоксидантной емкости, сегодня является преимущественно лабораторной процедурой, а современные портативные глюкометры представляют собой ферментативные электрохимические биосенсоры. Использование ферментативных методов и сенсоров имеет ряд недостатков, связанных с их низкой стабильностью и склонностью к денатурациипри изменении условий внешней среды (рН, температура и др), сложностью иммобилизации на поверхность трансдьюсера и ограниченным сроком хранения. Поэтому сегодня наиболее перспективно применение сенсоров на основе чувствительных и селективных соединений небиологической природы: металл-органических комплексов и неорганических солей переходных металлов, наночастиц металлов, сложных оксидов в качестве электрокатализаторов в сочетании с полимерами с молекулярными отпечатками. На сегодняшний день перспективными электрокатализаторами являются новые синтетические полимеры, содержащие фрагменты 2,2’-бипиридинов и их аннелированных и азааналогов, допированных катионами металлов. Синтез и исследование физико-химических свойств таких соединений позволит получить эффективные и надежные катализаторы/медиаторы небиологической природы, которые наряду с наноматериалами станут основой для создания портативной диагностической платформы на основе микрофлюидных технологий для комплексного определения антиоксидантной емкости, уровня холестерина и глюкозы в исследуемый пробах. Успешная реализация проекта позволит заложить основу для дальнейших исследований в области определения других важнейших параметров биологических жидкостей в модульном портативном измерительном устройстве. Особенно актуальной задача экспресс-диагностики становится в случае обнаружения бактериальных или вирусных агентов, а также маркеров онкологических заболеваний. Бактерии и вирусы, помимо непрерывной адаптации к действию фармацевтических препаратов, способны чрезвычайно быстро распространяться в окружающей среде и организме человека. Это неизбежно приводит к развитию массовых инфекционных заболеваний, в том числе абсолютно новых, неизвестных человечеству ранее, тем самым еще более затрудняя задачу ранней диагностики и лечения. В ряде случае обнаружение даже единичных инфекционных агентов может свидетельствовать о реальной угрозе заражения, а незначительное повышение уровня онкомаркеров в крови пациента – о ранних стадиях развития раковой опухоли. Современные диагностические лаборатории используют в своей практике инструментальные биохимические методы анализа, такие как иммуноферментный анализ (ИФА), метод анализа, основанный на полимеразной цепной реакции (ПЦР анализ), серологические методы, а также методы бактериального посева с подсчетом колоний. Все эти диагностические процедуры требуют больших временных, материало- и трудозатрат, а также являются сугубо лабораторными, тогда как задачами зачастую являются быстрое выявление источника заражения «на месте» (on-site) или постановка точного диагноза непосредственно «у постели больного» (Point-of-care testing, POCT). Существенно приблизиться к решению вышеуказанных задач позволит создание портативных средств для экспресс-диагностики, ориентированных на персонализированное использование вне лечебного учреждения. Исследование особенностей процессов иммунохимического взаимодействия в условиях проточной электрохимической микроячейки с использованием в качестве метки азолоазинов - соединений, обладающих сконденсированностью структур в физиологических условиях среды и имеющих высокое сродство с биологическими макромолекулами (в частности, с белками), позволит успешно использовать их с целью разработки новых методов бесферментного электрохимического иммуноанализа и иммуночипов на их основе для количественного определения инфекционных агентов и онкомаркеров. Уникальное сочетание специфичности иммунореакции и детектирование прямого аналитического сигнала от направленно-функционального фрагмента гетероциклической метки азолоазинового ряда, конъюгированной непосредственно с белковой структурой, приведет к существенному увеличению экспрессности, чувствительности и точности анализа, а применение современных портативных электрохимических детекторов позволит создать миниатюрное диагностическое устройство - иммуночип, способный эффективно работать как в стационарных медицинских лабораториях, так и в небольших лечебно-профилактических учреждениях и фельшердско-акушерских пунктах. Уверенность в достижении поставленной цели обусловлена высокой квалификацией руководителя проекта и коллектива исполнителей, имеющих большой методологический и практический опыт как в области органического синтеза, так и в использовании современных методов аналитической химии, включая электрохимические методы синтеза и анализа (см. список публикаций).

Ожидаемые результаты
Научная новизна поставленной задачи заключается в направленном органическом синтезе новых полимер-модифицированных производных олигоазинов и направленно бифункционализированных азолоазинов/азолопиримидинов, исследовании их физико-химических, в особенности электрохимических свойств, с целью создания на их основе новых бесферментных методов биоанализа, прототипа персонализированного микрофлюидного аналитического устройства для комплексного определения уровня общего холестерина, глюкозы и антиоксидантного статуса организма человека, а также микрофлюидной электрохимической микроячейки для экспресс-определения инфекционных агентов и маркеров онкологических заболеваний. В рамках проекта планируется решение двух основных задач: 1. Синтез и исследование свойств комплексов с электроактивных катионов металлов (Ni2+, Co2+ и др.) и синтетических полимеров содержащих фрагменты 2,2’-бипиридина или его аннелированных или азаналогов с целью создания на их основе новых бесферментных методов, сенсоров и прототипа персонализированной комплексной диагностической платформы для определения уровня холестерина, глюкозы и антиокисдантной емкости биологических жидкостей. 2. Исследование особенностей протекания иммунохимических реакций в условиях проточной микрофлюидной электрохимической ячейки с использованием в качестве меток новых, направленно бифункционализированных гетероциклических соединений азолопиримидинового и азолотриазинового ряда, конъюгированных напрямую с белковыми структурами, и создание на их основе методов бесферментного электрохимического иммуноанализа и тонкослойных иммуночипов для дифференциальной диагностики инфекционных и онкологических заболеваний на ранних стадиях. В рамках проекта будут получены новые знания как фундаментального, так и прикладного характера, а именно - Будет осуществлен направленный органический синтез комплексов 2,2’-бипиридина или его аннелированных или азаналогов с электроактивными катионами металлов (Ni2+, Co2+ и др.). - Будут сконструированы мономерные фрагменты синтетических полимеров, изучены особенности (электро)химической полимеризации синтезированных структур и допирования их катионами металлов (Ni2+, Co2+ и т.д.); - Будут разработаны оригинальные подходы к синтезу бифункционализированных производных азолоазинов и азолопиримидинов; - Будут исследованы физико-химические свойства синтезированных веществ, в том числе характер электропревращений и электрокаталитическая активность. Будут установлены закономерности «природа вещества – электрокаталитические свойства», будет выбран аналитический сигнал, способ регистрации и рабочие условия его формирования; - Будут исследованы процессы каталитического окисления холестерина и глюкозы с использованием синтезированных соединений и неорганических катализаторов (наночастиц переходных металлов и их оксидов, солей металлов) в том числе в условиях проточной тонкослойной электрохимической ячейки. Будут выбраны наиболее эффективные катализаторы и способы регистрации аналитического сигнала (вольтамперометрия в различных режимах, амперометрия и др.) - Будет разработан дизайн микроканала с внедренными электродами (трансдьюсерами), выполняющих роль проточной электрохимической микроячейки в микрофлюидном устройстве. Будет осуществлен выбор материала, размеров, формы микроячейки и способа и скорости протекания раствора через нее для получения устойчивого электрохимического сигнала. - Будут изучены особенности процессов иммобилизации (электрографтинг, электрополимеризация, сополимеризация, допирование) синтезированных органических соединений на поверхности трансдьюсера в микроячейке, особенности электрохимического катализа в микроячейке (влияние скорости и характера потока, профиля концентрации в микроканале, температуры, давления, концентрации раствора на скорость реакции и формирование аналитического сигнала); - Будет исследована кинетика взаимодействия модельных антиоксидантов с медиатором (классический медиатор – гексацианоферрат калия в растворе, или комплекс 2,2’-бипиридина или его аннелированных или азаналогов с электроактивными катионами металлов (Ni2+, Co2+ и др.), иммобилизованный на подложке), будут определены константы взаимодействия; - Будут исследованы модельные растворы холестерина, глюкозы с использованием полимеров с молекулярными отпечатками и антиоксидантной емкости плазмы (сыворотки) крови в условиях микрофлюидной системы с непрерывным потоком - Будет изготовлен прототип портативной микрофлюидной платформы для бесферментного электрохимического определения глюкозы, холестерина и антиоксидантной емкости в одной капле биологической жидкости. Будут произведены анализ реальных проб, верификация полученных результатов (внутренний и внешний лабораторный контроль). - Будут разработаны методы гетерогенного электрохимического иммуноанализа и прототипы микрофлюидных иммуночипов с использованием в качестве меток синтезированных гетероциклических структур для качественного и количественного детектирования инфекционных агентов (на примере E. coli и антигена вируса кори) и онкомаркеров (на модели карциоэмбрионального антигена). - Будут проведены исследования эффективности разработанных методов иммуноанализа и иммуночипов с использованием модельных систем и реальных проб. Будет проведена сравнительная оценка аналитических характеристик разработанных методов между собой и по отношению к стандартно используемым биохимическим методам анализа – ИФА, ПЦР, бактериальный посев (внутренний и внешний лабораторный контроль). Таким образом, уникальное сочетание бесферментных методов обнаружения биоаналитов, эффективности и надежности новых катализаторов/медиаторов небиологической природы, улучшения электрической проводимости трансдьюсера с портативностью, полуавтоматическим принципом работы микрофлюидной ячейки и операционными возможностями электрохимических методов анализа позволит создать уникальное аналитическое устройство с превосходными аналитическими характеристиками, не имеющее аналогов в мире, для комплексной экспресс диагностики в домашних условиях. Успешная реализация проекта позволит сделать важный шаг на пути к медицине будущего - персонализированной медицине.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Предложены оригинальные подходы синтезу новых, направленно-функционализированных производных гетероциклических соединений – бипиридинов и азолоазинов – перспективных материалов для применения в конструкциях бесферментных микрофлюидных систем для бесферментного иммуноанализа и электрокаталитического определения клинически значимых аналитов в биологических жидкостях. Были получены хелатные комплексы синтезированных модифицированных бипиридинов с ионами металлов (Pd2+, Ni2+, Ag+, Co2+, Cu2+), исследована электрохимическая и электрокаталитическая активность полученных соединений. В ходе проведенных экспериментов установлена электрокаталитическая активность комплексов синтезированных бипиридинов с никелем и серебром в реакциях окисления глюкозы и мочевины. Предложены и экспериментально апробированы способы иммобилизации электрокатализаторов на поверхности магнитных наночастиц и с применением электрополимеризованных материалов. Проведены исследования электрохимических свойств направленно-функционализированных производных азолоазинов. Установлено, что все синтезированные соединения проявляют выраженную электрохимическую активность, обусловленную как процессами электрохимических превращений нитрогруппы, так и вероятным электрохимическим осаждением за счет электровосстановления непредельных алифатических заместителей. Экспериментально определено, что положение заместителя в молекуле не оказывает существенного влияния на характер окислительно-восстановительных превращений. Однако это может сыграть важную роль в дальнейшем как в обеспечении селективности взаимодействия с белковой мишенью, так и в случае иммобилизации на поверхности рабочего электрода. Синтезированные соединения являются перспективными для применения в электрохимическом биоанализе и могут быть использованы в качестве сигналообразующих меток, кросс-линкеров для иммобилизации биорецептора и самостоятельным компонентом рецепторного слоя. Полученные результаты в дальнейшем будут использованы при разработке прототипа микрофлюидной системы для бесферментного иммуноанализа и электрокаталитического определения клинически значимых аналитов в биологических жидкостях.

 

Публикации

1. Иванова А.В, Герасимова Е.Л., Газизуллина Е.Р. Study of Antioxidant Properties of Agents from the Perspective of Their Action Mechanisms. Review. Molecules, Volume 25, Issue 18, Номер статьи 4251 (год публикации - 2020).

2. Криночкин А.П., Копчук Д.С., Ким Г.А., Шевырин В.А., Ковалев И.С., Садиева Л.К., Сантра С., Зырянов Г.В., Русинов В.Л., Чупахин О.Н. Neutral Lanthanide Complexes of 3-Aryl-6-(quinolin-2-yl) picolinic Acids: Synthesis and Photophysical Studies ChemistrySelect, 2020, Vol. 5, Is. 29, P. 9210-9213. (год публикации - 2020).

3. Савчук М.И., Ковалев И.С., Русинов В.Л., Копчук Д.С., Криночкин А.П., Зырянов Г.В., Чупахин О.Н., Чарушин В.Н. Rapid metal free construction of 3-positioned 2-pyridyl substituent in indoles Mendeleev Communications, 2020,Vol. 30, P. 712–713 (год публикации - 2020).

4. Савчук М.И., Старновская Е.С., Штайц Я.К., Криночкин А.П., Копчук Д.С., Сантра С., Рахман М., Зырянов Г.В., Русинов В.Л., Чупахин О.Н. Direct synthesis of 5‑arylethynyl-1,2,4‑triazines via direct CH-functionalization ChimicaTechnoActa, 2020. Vol. 7, P. 104–108 (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Предложены оригинальные подходы синтезу новых, направленно-функционализированных производных гетероциклических соединений – бипиридинов и азолоазинов – перспективных материалов для применения в конструкциях бесферментных микрофлюидных систем для бесферментного иммуноанализа, электрокаталитического определения клинически значимых аналитов и антиоксидантной емкости в биологических жидкостях. Впервые продемонстрирована возможность иммобилизации комплекса ионов меди с бипиридинами на поверхности электрода путем его электрохимической полимеризации, показано влияние насыщенного спейсера между тиофеновой группой и бипиридиновым фрагментом, и продемонстрирована возможность электроктрохимического окисления холестерина с использованием полимерного комплекса в качестве электрокатализатора. Впервые была проведена модификация магнитных наночастиц комплексами ионов меди с бипиридинами на поверхности электродов, которые впервые использованы в качестве электрокатализаторов электрохимического окисления глюкозы в щелочной и нейтральной водных средах, соответственно. Разработан прототип устройства проточной электрохимической микроячейки, изготовленное методом 3D-печати, потенциально применимое для определения глюкозы и холестерина в биологических жидкостях. Показана возможность применения комплексов ионов железа с синтезированными бипиридинами как модели для определения антиоксидантной емкости. Определены константы взаимодействия модельных антиоксидантов с полученными комплексами. Предложен способ эффективной иммобилизации производных азолоазинов, содержащих в своей структуре непредельные алифатические заместители, на поверхности рабочего стеклоуглеродного электрода посредством химической функционализации углеродных нанотрубок с использованием тиол-еновой и тиол-иновой реакций. Полученные таким образом модифицированные частицы стабильны и электрохимически активны, поэтому могут стать основой для дальнейшей иммобилизации рецепторов биологической природы. Проведено экспериментальное электрохимическое изучение процессов взаимодействия модифицированных нанотрубок производными азолоазинов с очищенным вирусным белком. Показана избирательность связывания производных азолоазинов с гемагглютинином и возможность применения исследуемых соединений в качестве самостоятельных элементов распознавания. Предложен метод гетерогенного (иммуно)анализа и конструкция тонкослойной проточной микроячейки с использованием производных азолоазинов в качестве кросс-линкеров и самостоятельных элементов распознавания для экспресс-определения бактериальных, вирусных агентов и онкомаркеров.

 

Публикации

1. - Измерение концентрации глюкозы в крови станет проще и дешевле Новости Уральского федерального университета, "Исследования поддержал Российский научный фонд (проект № 20-13-00142)" (год публикации - ).

2. А.В. Охохонин, К.О. Токмакова, Т.С.Свалова, А.И.Матерн, А.Н.Козицина Electrocatalytic oxidation of glucose in a neutral medium on an electrode modifi ed by carboxylated multi-walled carbon nanotubes and by silver and palladium Russian Chemical Bulletin, International Edition, том 70, №6, стр 1191—1198 (год публикации - 2021).

3. Девятова М.И., Охохонин А.В., Матерн А.И., Козицина А.Н. Бесферментное электрохимическое окисление глюкозы в нейтральной среде с использованием органических комплексов палладия (II) в качестве электрокатализаторов V Международная научно-практическая конференция «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (MOSM 2021), с. 134 (год публикации - 2021).

4. Изможерова Ю.В., Охохонин А.В., Козицина А.Н. Электрохимические и электрокаталитичекие свойства комплексов никеля (II) и меди (II) с производными бипиридина и триазина по отношению к глюкозе V Международная научно-практическая конференция «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (MOSM 2021), с. 204 (год публикации - 2021).

5. Криночкин A.П., Копчук Д.С., Савчук М.И, Штайц Я.К., Старновская Е.С., Горбунов Е.Б., Рыбакова С.С., Кудряшова Е.А., Зырянов Г.В., Чупахин О.Н. The synthesis of aminophenyl-substituted 2,2′-bipyridine ligands by “1,2,4-triazine” methodology AIP Publishing, AIP Conf. Proc., 2021, Vol. 2388, P. 030016-1-030016-4 (год публикации - 2021).

6. Охохонин А.В., Козицина А.Н. Применение органических комплексов и солей металлов в качестве электрокатализаторов и магнитных молекулярно-импринтированных полимерных наночастиц в микрофлюидной проточной ячейке V Международная научно-практическая конференция «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (MOSM 2021), с. 65 (год публикации - 2021).

7. Р.А. Дрокин, Д.В. Тюфяков, Е.К. Воинков, П.А. Слепухин, Е.Н. Уломский, Я.Л. Есаулкова, А.С. Волобуева, К.С. Ланцева, М.А. Мисюрина, В.В. Зарубаев, В.Л. Русинов Методы синтеза и противовирусная активность новых 4-алкил-3-нитро-1,4-дигидроазоло[5,1-с][1,2,4]триазин-4-олов Химия гетероциклических соединений, 57(4), 473-478 (год публикации - 2021).

8. Т.С.Свалова, М.В.Медведева, Р.А.Зайдуллина, А.Н.Козицина SMALL ORGANIC MOLECULES FOR SELECTIVE ELECTROCHEMICAL DETERMINATION OF NITROAROMATIC COMPOUNDS издательство Уральского Федерального университета, с.64 (год публикации - 2021).