КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 21-73-20067

НазваниеГибридные супрамолекулярные рецепторы как универсальная платформа медицинской диагностики: синтез и применение для самосборки бионаноматериалов для электрохимических биосенсоров

РуководительСтойков Иван Иванович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2024 г. 

Конкурс№51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования «Центр исследования полимеров» ИСПМ РАН.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые словаДНК, дендримероподобные соединения, электрохимические сенсоры, супрамолекулярная химия, самосборка, тиакаликсарены

Код ГРНТИ31.21.27


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Предлагаемый Проект посвящен развитию и практической реализации концепции гибридных супрамолекулярных рецепторов с применением систем на основе функционализированных циклофанов (тиакаликс[4]аренов с заместителями, содержащими катионные центры связывания) для самосборки биочувствительного слоя биосенсоров. Уникальные свойства супрамолекулярных систем и наноструктурированных материалов на основе ДНК (способность к связыванию низко- и высокомолекулярных субстратов, хиральность) позволяют использовать их в составе сенсоров и биосенсоров, как катализаторов ряда важных процессов, а также для адресной доставки лекарственных средств. Помимо других подходов к управлению рецепторными и агрегационными свойствами материалов на основе полинуклеотидов, регулирование их характеристик и контроль функций могут осуществляться путем конструирования гибридных структур, сочетающих фрагменты макроциклов и ДНК. Гибридные супрамолекулярные рецепторы – это ассоциаты природных (биомакромолекулы) и синтетических (макроциклы, дендримеры) рецепторных структур, способные к молекулярному распознаванию и последующему селективному взаимодействию с определенными аналитами. Гибридные супрамолекулярные рецепторы сочетают эффективность и селективность связывания и чувствительность распознавания субстратов, характерные для полинуклеотидов, с дополнительными функциями самосборки и распознавания, определяемыми природой заместителей в синтетических компонентах (макроциклах). Циклофаны благодаря способности к молекулярному распознаванию различных субстратов и к супрамолекулярной самосборке и самоорганизации представляются наиболее перспективными макроциклическими соединениями в составе таких гибридных рецепторов. В связи с этим конструирование полиэлектролитных комплексов циклофан-ДНК открывает возможности для разработки теоретических и практических основ создания новых эффективных рецепторов и электрохимических сенсоров и биосенсоров биомедицинского назначения. Проект соответствует приоритетному направлению «Индустрия наносистем» и относится к направлению из стратегии научно-технологического развития России «Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии». Фундаментальная цель проекта – развитие теоретических и прикладных подходов к синтезу новых функционализированных производных циклофанов, способных к направленному взаимодействию с биополимерами, прежде всего, ДНК, выявление закономерностей самосборки полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены и материалов на их основе с целью радикального улучшения операционных и аналитических характеристик биосенсоров. Достижение указанных целей базируется на контроле самосборки бионаноматериалов на основе полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены для обеспечения условий селективного транспорта и накопления аналитов на границе биочувствительного слоя и электрода – преобразователя сигнала биосенсора. Вариации структуры и конфигурации циклофанов на стадии их синтеза обеспечат требуемую структуру и морфологию поверхности наночастиц биоматериалов. Их связь с преобразователем сигнала и необходимые условия переноса электрона будут обеспечены включением в рецепторные структуры редокс-активных компонентов, выполняющих функции медиаторов электронного переноса. Будут проведены комплексные исследования взаимодействия циклофан – ДНК в водных средах на примере модельных полинуклеотидов с целью выявления связей между структурой циклофана, особенностями сборки гибридных рецепторов и их поведением в условиях функционирования в составе биосенсора. Далее установленные закономерности будут расширены в соответствии с особенностями реализации функций распознавания и связывания аналитов на границе раздела фаз жидкость-поверхность биосенсора. В качестве модельных аналитов, востребованных в медицинской диагностике и фармацевтике, будут рассмотрены лекарственные препараты-цитостатики антрациклинового и фенотиазинового рядов, а также некоторые метаболиты – мочевая кислота, аскорбиновая кислота, дофамин и его структурные аналоги. Также будут рассмотрены возможности реализации самосборки супрамолекулярных ассоциатов с участием аптамеров на лекарственные препараты и микотоксины. Планируется осуществить поиск, оптимизацию структуры и синтез циклофанов, содержащих несколько аммониевых групп, как взаимно комплементарных компонентов полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены с последующим их использованием в самосборке отдельных ассоциатов. Продукты самосборки будут охарактеризованы комплексом современных физических методов анализа (ЯМР, УФ, ИК, флуоресцентной спектроскопией, ДСР, АСМ микроскопией, масс-спектрометрией). Помимо них, поведение циклофанов и их полиэлектролитных комплексов с полинуклеотидами будет исследовано на границе электрод – раствор с привлечением электрохимических и гибридных методов анализа, включая спектроскопию электрохимического импеданса, дифференциально-импульсную вольтамперометрию, измерение поверхностного плазмонного резонанса, пьезокварцевое микровзвешивание и их электрохимические варианты. Будут изучены структурные закономерности самосборки циклофанов и ДНК и их влияние на процессы массопереноса в поверхностном слое сенсора и биосенсора. Полученные данные будут применены для оптимизации условий сборки ассоциатов макроциклов и ДНК в водной среде, контроля и оптимизации состава поверхностного слоя биосенсоров, а также для выбора условий реализации окислительно-восстановительных реакций аналитов с участием медиаторов электронного переноса, нековалентно включаемых в состав ассоциатов или ковалентно связанных на поверхности электрода. Будут апробированы выявленные закономерности получения и «настройки» полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены при создании ДНК-сенсоров на основе нативной ДНК и ДНК-аптамеров для регистрации в зависимости от природы аналита, особенностей механизма их связывания с ДНК или накопления в слое супрамолекулярного ассоциата. Ожидается, что контроль эффективности молекулярного распознавания, направленное воздействие на стадии массопереноса аналита в слое супрамолекулярных ассоциатов на поверхности сенсора и биосенсора, а также многообразие возможностей включения медиаторов электронного переноса методами физической адсорбции в слое или ковалентной модификации циклофанов позволят добиться высокочувствительного и селективного определения вышеперечисленных аналитов с вольтамперометрической и импедиметрической регистрацией сигнала. Помимо задач повышения чувствительности определения аналитов биомедицинского назначения, будут рассмотрены факторы влияния на отклик матрицы потенциальных объектов анализа (биологические жидкости, лекарственные формы) и определены условия, позволяющие упростить или исключить пробоподготовку без потерь селективности анализа. Актуальность Проекта обусловлена большими возможностями функциональных бионаноматериалов на основе систем ДНК-каликсарены в медицине и фармацевтике, необходимостью существенного улучшения характеристик существующих биомедицинских сенсоров и созданием новых в интересах диагностики широкого круга заболеваний, а также потребностью в универсальных решениях в части конструирования электрохимических ДНК-сенсоров для определения низкомолекулярных соединений, оптимизации их конструкции и масштабирования производства. Предложенный подход к применению циклофанов для конструирования полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены обеспечивает гибкую настройку пространственного строения ассоциатов и раскрывает широкие возможности для направленного изменения массопереноса аналитов в поверхностном слое биосенсора, включая обеспечение цепи переноса электрона и наилучшие условия измерения сигнала по сравнению с альтернативными решениями, основанными на ковалентной сшивке белков и ДНК и их включении в полислойные структуры с участием ПАВ и полиэлектролитов. Принципиальная достижимость поставленных целей следует из анализа современных научных публикаций, посвященных самосборке нуклеиновых кислот с циклофанами, компактизации ДНК под действием катионных производных циклофанов. Также описаны отдельные примеры использования циклофанов для кристаллизации белков и нековалентной иммобилизации ферментов на поверхности биосенсора. Заявителями разработаны подходы к исследованию условий самосборки супрамолекулярных ассоциатов на поверхности электродов и контроля процессов самоассоциации электрохимическими методами. Новизна проекта связана с тем, что в нем впервые будет осуществлен целенаправленный процесс сопряженной ассоциации и последовательной наносборки полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены, обеспечивающий их согласованное взаимодействие при превращении низкомолекулярных аналитов, способных к взаимодействиям с ДНК и отличающихся электрохимической активностью. Синтез циклофанов с различными функциональными группами, числом заместителей, заданной геометрией макроциклического обода и расположением функциональных групп позволит в широких пределах варьировать условия их взаимодействия с биополимерами, установить закономерности ассоциации и в результате обеспечить высокую чувствительность и избирательность электрохимических биосенсоров. Все процессы ассоциации и самосборки будут контролироваться исключительно нековалентными многоточечными взаимодействиями с участием аммониевых групп для реализации последующих этапов самосборки и тонкой настройки ассоциатов в зависимости от конкретных аналитических задач.

Ожидаемые результаты
Выполнение Проекта позволит создать новый, не имеющий на сегодняшний день аналогов, класс биоматериалов – гибридных супрамолекулярных рецепторов. В таких гибридных материалах эффективность связывания целевых аналитов будет определяться структурой полинуклеотида, а селективность - нековалентно связанными дендримероподобными полифункционализированными тиакаликс[4]аренами. Научная значимость Проекта заключается в создании задела для формирования нового направления супрамолекулярной химии – применения биомиметического подхода для создания гибридных супрамолекулярных рецепторов. В настоящее время полиэлектролитные комплексы циклофанов с ДНК применяют для компактизации биополимера. Нами впервые предложено применить циклофаны для создания новых гибридных структур - супрамолекулярных рецепторов ДНК-тиакаликсарены. Запланированные результаты соответствуют уровню передовых исследований в области бионаноматериалов, супрамолекулярной химии полинуклеотидов и циклофанов. Среди основных трендов развития супрамолекулярной химии ДНК (ДНК-оригами, ДНК как темплат для наноматериалов, ДНК-химеры) представленный Проект является наиболее перспективным для внедрения разработок в экономике и социальной сфере в силу доступности ДНК и реагентов для синтеза циклофанов, применяемых в Проекте. Запланированные результаты являются научно и социально значимыми. С позиции фундаментальной науки будет сделан принципиально важный шаг в супрамолекулярной химии, электроаналитической химии и химии биополимеров. Будут разработаны новые методы синтеза дендримероподобных полифункциональных производных циклофанов - тиакаликс[4]аренов, замещённых аммониевыми фрагментами и аминогруппами. Полученные дендримероподобные полифункциональные и полидентатные производные циклофанов будут далее использованы для сборки бионаноматериалов из полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены. Будут установлены фундаментальные закономерности «структура-свойство» самосборки дендримероподобных полифункциональных производных тиакаликсарена с ДНК. Будет выявлено влияние циклофанов на размеры, морфологию полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены, возможность их включения в цепь переноса электрона для формирования сигнала биосенсора, а также на аналитические характеристики биосенсоров в отношении субстратов, значимых для медицинской диагностики. Будет разработан концептуально новый подход – применение циклофанов для сборки бионаноматериалов для биосенсоров из комплементарных с точки зрения супрамолекулярной химии ассоциатов биополимер-циклофан (в зависимости от природы функциональных групп, геометрии их пространственного расположения, количества, структуры линкеров циклофана). Будет установлено влияние полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены (структуры и функционального состава циклофанов, используемых при создании ассоциатов циклофан-биополимер) на размеры, морфологию получаемых супрамолекулярных систем, а также на свойства биосенсоров на их основе. Выявленные закономерности будут использованы при конструировании гибридных супрамолекулярных рецепторов. Планируется оптимизация их состава и способа получения для улучшения аналитических характеристик биосенсоров на их основе. Будут разработаны новые способы высокочувствительного определения лекарственных препаратов-цитостатиков антрациклинового и фенотиазинового рядов, а также некоторых метаболитов – мочевой кислоты, аскорбиновой кислоты, дофамина и его структурных аналогов. Будут изучены возможности реализации самосборки полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены с участием аптамеров на лекарственные препараты и микотоксины. Будут установлены закономерности, связывающие особенности структуры продукта самосборки ДНК с циклофанами, и эффективность электронного обмена на поверхности электрода, а также условия достижения высокой селективности сигнала, в том числе, при анализе реальных объектов, потенциально содержащих мешающие компоненты матрицы – биологические жидкости и продукты питания. Полученные результаты откроют новые возможности для конструирования бионаноматериалов и электрохимических биосенсоров, включая реализацию задач обеспечения внелабораторного мониторинга здоровья населения. Поставленная цель, а именно разработка универсального подхода к конструированию биоматериалов для электрохимических биосенсоров путем получения гибридных супрамолекулярных рецепторов, является принципиально новой, не представленной ранее в литературе. Значимость исследований данной проблемы объясняется развитием новых, не имеющих аналогов возможностей конструирования мультикомпонентных материалов в интересах биоспецифического распознавания и создания соответствующих биосенсоров с улучшенными аналитическими и операционными характеристиками. Таким образом, предложенное фундаментальное исследование обладает прикладной значимостью. Установленные закономерности позволят разработать конкурентоспособные биосенсоры медицинского назначения, превосходящие по возможностям имеющиеся на сегодняшний день аналоги. Запланированные результаты соответствуют мировому уровню развития химии циклофанов, супрамолекулярной химии, материаловедения и аналитической химии. По завершении Проекта будут установлены фундаментальные закономерности самосборки полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены, будут выявлены структурные факторы, определяющие морфологию и структуру продуктов их самосборки, будет определено их влияние на аналитические характеристики биосенсоров на их основе. Полученные результаты и установленные фундаментальные закономерности заложат основу для создания супрамолекулярных систем для высокоселективных биосенсоров и самосборки бионаноматериалов. Социальная значимость Проекта заключается в создании доступных ДНК-сенсоров с улучшенными характеристиками чувствительности для решения задач молекулярной диагностики здоровья и контроля качества среды обитания человека. Научная значимость заключается в совершенствовании представлений о свойствах бионаноматериалов и формировании новых подходов на стыке супрамолекулярной химии, молекулярной биологии, аналитической химии и материаловедения для решения одной из ключевых задач современной медицины - создания средств мониторинга здоровья населения.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Поставленные в Проекте цели на 2021 год полностью достигнуты. В ходе выполнения проекта получены результаты по всем основным его направлениям. Впервые разработаны и реализованы эффективные методики синтеза полугенераций дендримеров и дендримеров первой генерации на основе тиакаликсарена для трёх его конфигураций (конус, частичный конус и 1,3-альтернат). Разработанная методика позволяет получать дендримеры первой генерации на основе тиакаликсарена с высокими выходами (96-99%). Использование различных конфигураций макроцикла обеспечивает возможность синтеза дендримеров как классической симметричной, так и асимметричной структуры. Структура всех полученных соединений надёжно подтверждена комплексом физических методов (ЯМР, ИК спектроскопия, масс-спектрометрия). Среди дендримеров асимметричной структуры обнаружено амфифильное соединение, что не характерно для классических дендримеров. Показано, что с целью придания амфифильности целесообразно использовать тиакаликсареновый макроцикл в конфигурации конус. Установлено, что синтезированные дендримеры с макроциклическим ядром образуют самоассоциаты нанометрового размера в метаноле только при высоких концентрациях (1 мМ). Показано, что полидисперсность систем снижена для соединений с ядром, находящимся в конфигурации 1,3-альтернат, причём наиболее монодисперсные системы образуются для дендримеров с терминальными третичными аминогруппами. В водной среде стабильных самоассоциатов не образуется, что подтверждается данными электронной микроскопии. Показано, что на изображениях ПЭМ аммонийных производных присутствуют аморфные частицы с высокой полидисперсностью. Впервые установлена способность к связыванию ДНК из молок лосося полиамидоаммонийными дендримерами с ядром на основе тиакаликс[4]арена. Показано, что на способность к связыванию не влияет конфигурация макроцикла, однако пространственная структура ядра важна для стабилизации биополимера в растворе. Впервые установлено, что асимметричный амфифильный дендример (ядро в конфигурации конус) способен предохранять ДНК от разрушения в водном растворе даже при комнатной температуре. Высказано предположение, что это обусловлено изоляцией ДНК от водной среды благодаря наличию в дендримере гидрофобной макроциклической платформы. Также показано, что синтезированные ПАМАМ дендримеры на основе тиакаликсарена (с терминальными первичными аминогруппами) способны связывать ряд белков (лизоцим, бычий сывороточный альбумин и гемоглобин). Проведено сравнительное исследование характеристик электронного переноса с использованием электродов, модифицированных углеродными наноматериалами и агрегатами ДНК и октааминированных тиакаликсаренов. Перенос агрегатов из раствора на поверхность меняет условия электронного переноса в зависимости от природы углеродных наноматериалов, соотношения и абсолютных концентраций компонентов покрытия и редокс-активного зонда. В случае феррицианид-ионов изменение сигналов связано с изменением площади доступной поверхности электрода. Парадоксально введение отрицательно заряженных компонентов слоя улучшает условия массопереноса, а увеличение концентрации катионного компонента – его уменьшает. Полученные закономерности обусловлены влиянием стехиометрии взаимодействия макроцикл – ДНК на разделение заряда в слое и эффективность электронного переноса. В случае применения углеродных нанотрубок концентрационные зависимости токов пика от концентрации тиакаликсарена и ДНК отражают стехиометрию их связывания в устойчивый агрегат на поверхности электрода. Рассчитаны параметры электронного переноса, подтвердившие обратимый характер процесса и отсутствие влияние агрегатов ДНК - макроцикл на эффективность переноса электрона. Метиленовый зеленый показывает отклик на модифицированных электродах, определяющийся преимущественно электростатическими взаимодействиями в слое. Конкурентное связывание с ДНК и вытеснение красителя молекулами октааминированного тиакаликсарена приводят к снижению сигнала, нейтрализация положительного заряда хитозана в слое – к его увеличению. Не обнаружено аккумуляции метиленового зеленого в слое или адсорбционного характера его пиков на вольтамперограммах. Гидрохинон как нейтральный редокс-зонд меняет свои пики окисления-восстановления вне зависимости от заряда агрегата и его распределения в слое. ДНК в составе комплекса сохраняет доступность для небольших молекул и вступает в реакцию интеркалирования с модельным антрациклиновым препаратом (доксорубицин). Чувствительность его определения позволяет в перспективе использовать биосенсор для оценки фармакокинетики препарата и назначении индивидуальной дозы больному. Также установлена возможность диагностики повреждения ДНК при ее термической обработке по токам пика метиленового зеленого и гидрохинона. Нарушение структуры нативной ДНК при ее термической обработке подтверждено снижением чувствительности сигналов к доксорубицину по сравнению с аналогичными экспериментами с нативной ДНК. Разработанные подходы могут найти применение в совершенствовании методик определения противораковых препаратов – интеркаляторов ДНК.

 

Публикации

1. Куликова Т.Н., Падня П.Л., Шиабиев И.Э., Рогов А.М., Стойков И.И., Евтюгин Г.А. Electrochemical Sensing of Interactions between DNA and Charged Macrocycles Chemosensors, номер 347, том 9, выпуск 12 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/chemosensors9120347

2. Мостовая О.А., Падня П.Л., Шиабиев И.Э., Мухаметзянов Т.А., Стойков И.И. PAMAM-calix-dendrimers: Synthesis and Thiacalixarene Conformation Effect on DNA Binding International Journal of Molecular Sciences, номер 11901, том 22, выпуск 21 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/ijms222111901

3. - Древовидный полимер модифицировали для создания новых ДНК-вакцин ТАСС, 16.11.2021 (год публикации - )

4. - УЛУЧШЕННЫЙ ДРЕВОВИДНЫЙ ПОЛИМЕР ПОМОЖЕТ В СОЗДАНИИ НОВЫХ ДНК-ВАКЦИН, ЛЕКАРСТВ И СЕНСОРОВ «НАУЧНАЯ РОССИЯ», 21.11.2021 (год публикации - )

5. - Улучшенный древовидный полимер поможет в создании новых ДНК-вакцин, лекарств и сенсоров Мультимедийный портал ПОИСК, 16.11.2021 (год публикации - )

6. - Химики нашли способ стабилизировать ДНК для создания вакцин и лекарств ГАЗЕТА.RU, 17.11.2021 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Поставленные в Проекте цели на 2022 год полностью достигнуты. В ходе выполнения проекта получены результаты по всем основным его направлениям. Разработанные ранее эффективные методики синтеза полугенераций дендримеров и дендримеров первой генерации на основе тиакаликсарена успешно распространены на синтез полуторной и второй генераций полиамидоаминных дендримеров для трёх конфигураций макроцикла (конус, частичный конус и 1,3-альтернат). Впервые с высокими выходами (85-90%) синтезированы дендримеры второй генерации на основе тиакаликсарена с терминальными первичными аминогруппами и аммонийными фрагментами, а также получен мономерный аналог дендримеров. Методика синтеза дендримеров первой генерации с терминальными третичными аминогруппами посредством аминолиза полуторной генерации дендримеров на основе тиакаликсарена диаминами оптимизирована для синтеза аналогичных соединений второй генерации, позволившая с высокими выходами (79-93%) получить целевые соединения. Структура всех полученных соединений надёжно подтверждена комплексом физических методов (ЯМР, ИК спектроскопия, масс-спектрометрия). Методом ТГ/ДСК изучена термическая стабильность дендримеров первой и второй генераций с терминальными первичными и третичными аминогруппами. Показано увеличение термической стабильности дендримеров при замене первичных аминогрупп на третичные. Для дендримеров с терминальными первичными аминогруппами влияния величины генерации на их термическую стабильность не выявлено. Обнаружены и объяснены флуоресцентные свойства ПАМАМ дендримеров первой и второй генерации, не являющихся традиционными флуорофорами. Установлено, что дендримеры первой генерации с терминальными гидроксильными группами образуют самоассоциаты нанометрового размера (11 нм) в водных растворах только при высоких концентрациях (1 мМ) в случае нахождения макроциклического ядра в конфигурации конус. Аналогичные тенденции в более широком концентрационном диапазоне сохраняются и для дендримеров с терминальными первичными аминогруппами, однако их размеры оказываются крупнее (более 200 нм). Полидисперсность всех систем и размеры образуемых частиц максимальны для соединений с ядром, находящимся в конфигурации 1,3-альтернат, что обусловлено гидрофобными взаимодействиями между липофильными макроциклическими фрагментами. Показано, что на изображениях ПЭМ аминных и аммонийных производных присутствуют аморфные частицы с высокой полидисперсностью, а в присутствии биополимеров (ДНК из молок лосося и лизоцим) полидисперсность систем значительно снижается и формируются сферические частицы размером до 200 нм, сросшиеся друг с другом. Впервые выявлена способность дендримеров первой и второй генераций с терминальными первичными аминогруппами к связыванию катехоламинов (адреналина, норадреналина и дофамина) и проведена количественная оценка этих взаимодействий (определены константы связывания методом флуоресцентной спектроскопии). Методом двумерной спектроскопии ЯМР определена структура комплексов дендример/катехоламин и выявлена взаимосвязь между структурой катехоламина и эффективностью связывания с дендримерами. Методом динамического светорассеяния установлено, что ассоциаты катехоламинов с синтезированными макроциклами имеют субмикронный размер, зависящий от конфигурации ядра и достигающий минимального значения для систем с дендримерами с ядром в конфигурации конус. Спектральными методами показано, что синтезированные ПАМАМ дендримеры первой генерации на основе тиакаликсарена (с терминальными первичными аминогруппами) способны связывать ряд белков (лизоцим, бычий сывороточный альбумин и гемоглобин) с сохранением конформации белковых молекул. Впервые установлена способность к связыванию ДНК из молок лосося полиамидоаммонийными дендримерами второй генерации с ядром на основе тиакаликс[4]арена. Показано, что на способность к связыванию не влияет конфигурация макроцикла, а также генерация дендримера: характер взаимодействия не отличается от установленного ранее для дендримеров первой генерации. Высокомолекулярная ДНК из тимуса телёнка также связывается полиамидоаммонийными дендримерами на основе тиакаликсарена, однако полидисперсность систем оказывается выше, чем в случае ДНК из молок лосося. Данное взаимодействие сопровождается образованием коллоидно-гелевых структур. Проведено исследование процессов адсорбции и агрегации дендримеров второго поколения на основе тиакаликсаренов с терминальными аминогруппами на стеклоуглеродных электродах, модифицированных углеродной чернью. Установлено разнонаправленное влияние осаждения дендримеров на сигналы анионного (феррицианид-ионы), нейтрального (гидрохинон) и катионного (метиленовый зеленый) индикаторов, связанное с экранированием отрицательного заряда фосфатных групп остова ДНК и изменением в проницаемости поверхностного слоя для молекул индикаторов. Проведена количественная характеристика зависимости токов пика индикаторов от состава покрытия и конфигурации макроцикла. Установлено изменение характера сигналов в области высоких и низких концентраций компонентов покрытия, что связано с увеличением количества сорбированных реагентов и автоагрегацией комплексов макроцикл-ДНК с частичным освобождением поверхности электрода для электронного обмена. Определены оптимальный состав покрытия и природы индикатора для регистрации взаимодействий ДНК – интеркалятор (на примере идарубицина), а также для дискриминации нативной и термически денатурированной ДНК в составе слоя. Полученные результаты могут найти применение для формирования чувствительного слоя ДНК-сенсора, предназначенного для контроля ДНК-повреждающих факторов и мониторинга лекарственных препаратов – интеркаляторов ДНК.

 

Публикации

1. Мостовая О.А., Шиабиев И.Э., Пысин Д.А., Становая А.И., Абашкин В.М., Щербин Д.Г., Падня П.Л., Стойков И.И. PAMAM-Calix-Dendrimers: Second Generation Synthesis, Fluorescent Properties and Catecholamines Binding Pharmaceutics, номер 2748, том 14, выпуск 12 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14122748

2. Шиабиев И.Э., Пысин Д.А., Падня П.Л., Стойков И.И. Дендримеры первой генерации на платформе тиакаликс[4]арена, содержащие гидроксильные терминальные группы: синтез и самосборка Журнал общей химии, номер 12, том 92, страницы 1841–1849 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0044460X22120046

3. Мостовая О.А., Вавилова А.А., Стойков И.И. Supramolecular Systems Based on Thiacalixarene Derivatives and Biopolymers Colloid Journal, том 84, № 5, с. 546–562 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S1061933X22700041


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Поставленные в Проекте цели на 2023 год полностью достигнуты. В ходе выполнения получены результаты по всем основным его направлениям. Разработанные ранее эффективные методики синтеза низших генераций полиамидоаминных дендримероподобных соединений на основе трёх конфигурационных изомеров п-трет-бутилтиакаликс[4]арена (конус, частичный конус и 1,3-альтернат) были успешно распространены на синтез третьей генерации. Впервые на основе тиакаликс[4]арена с высокими выходами (80-87%) синтезированы дендримероподобные производные третьей генерации с терминальными первичными аминогруппами. Данные синтетические методики были успешно адаптированы для синтеза аналогичных соединений, содержащих различные спейсеры – этилиденовые и пропилиденовые, с терминальными третичными аминогруппами, и позволили получить их с высокими выходами (82-95%). Разработаны методики модификации ядер дендримеров различными амидными, аминными и гидроксильными группами, а также их мономерных аналогов посредством последовательных реакций ацилирования акрилоил хлоридом и аминолиза. В результате с высокими выходами (78-98%) были получены производные ядер дендримероподобных соединений в трёх конфигурациях, содержащие терминальные фрагменты этилендиамина, N,N-диметилэтилендиамина, этаноламина, диэтаноламина. Структура всех полученных соединений достоверно установлена комплексом физических методов (ЯМР, ИК спектроскопия, масс-спектрометрия). Методом ТГ/ДСК изучена термическая стабильность дендримероподобных соединений третьей генерации на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена с терминальными первичными и третичными аминогруппами. Показано возрастание термической стабильности дендримеров при замене первичных аминогрупп на третичные. Сопоставлением термической стабильности дендримероподобных соединений третьей генерации на основе тиакаликсарена с первичными аминогруппами с таковой для их аналогов первой и второй генерации установлена её независимость от величины генераций. Впервые выявлены и количественно охарактеризованы противомикробные свойства дендримероподобных соединений первой генерации на основе тиакаликсарена с терминальными первичными аминогруппами и модифицированных ядер дендримеров с терминальными фрагментами этилендиамина, N,N-диметилэтилендиамина, этаноламина, диэтаноламина по отношению к ряду бактериальных и грибных патогенов. Проведено сопоставление противомикробных свойств с мономерными аналогами, а также традиционными ПАМАМ-дендримерами, не имеющими в составе макроциклического фрагмента. Показано усиление антибактериальных свойств при наличии в соединениях макроциклической платформы. Определены критические концентрации агрегации дендримероподобных соединений первой генерации на основе тиакаликс[4]арена, позволившие выявить их структурную аналогию с производными данного макроцикла, не содержащими дендритных фрагментов. Спектральными методами выявлено и охарактеризовано взаимодействие полиамидоаминных дендримероподобных соединений первой генерации на основе тиакаликсарена с терминальными первичными аминогруппами и природного антибактериального агента - лизоцима. Установлен синергизм антибактериального действия по отношению к штамму золотистого стафилококка лизоцима и полиамидоаминных дендримероподобных соединений первой генерации на основе тиакаликсарена в присутствии друг друга. Показано ключевое влияние макроциклической платформы на противомикробные свойства и взаимодействие с белком. Впервые дендримероподобные соединения на основе тиакаликс[4]арена предложены в качестве компонентов комбинированных антибактериальных агентов. Установлено, что дендримероподобные соединения третьей генерации на основе тиакаликсарена с первичными аммонийными группами в водных растворах представляют собой полидисперсные системы, в то время как с ДНК из молок лосося и тимуса телёнка образуют стабильные ассоциаты субмикронных размеров с мономодальным распределением. Методом ПЭМ охарактеризована морфология ассоциатов ДНК из молок лосося и тимуса телёнка с дендримероподобными соединениями третьей генерации на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена с первичными аммонийными группами. Установлено, что размер образующихся ассоциатов близок (не превышает 200 нм) независимо от молекулярной массы биополимера и стереоизомерной формы макроциклического ядра. Показано, что сферические частицы образуются биополимерами с дендримероподобными соединениями, имеющими макроциклическое ядро в конфигурации конус. Для конфигурации 1,3-альтернат наблюдается тенденция к образованию с ДНК из молок лосося конгломератов частиц. Методом флуоресцентной спектроскопии показано образование нескольких типов комплексов при связывании ДНК тимуса телёнка с дендримероподобными соединениями третьей генерации на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена. Методом спектроскопии КД выявлено вытеснение интеркалятора этидия бромистого из молекулы ДНК тимуса телёнка дендримероподобным соединением третьей генерации на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, находящимся в конфигурации конус. Исследованы процессы автоагрегации каликс-дендримеров 3 генерации с терминальными аммонийными группами на поверхности стеклоуглеродных электродов, модифицированных углеродной чернью. Показана возможность электрохимической регистрации процессов сборки полиэлектролитных комплексов с участием ДНК по сигналам низкомолекулярных редокс-маркеров, различающихся по заряду и способности взаимодействовать с ДНК. Установлено изменение сигнала редокс-маркеров при введении в состав поверхностного слоя различных конфигураций каликс-дендримеров, возможности электростатической аккумуляции заряженных соединений и динамики изменения сигнала при увеличении количеств ДНК, вводимых в состав слоя. Впервые выявлен факт увеличения токов окисления-восстановления феррицианид-иона за счет компенсации электростатической аккумуляции на терминальных группах макроцикла и метиленового зеленого за счет формирования полиэлектролитных комплексов с участием ДНК. Оценена динамика изменения сигнала в серии повторяющихся измерений и с увеличением числа слоев при послойной сборке поверхностного слоя. Выявлена корреляция изменений вольтамперограмм редокс-маркеров и параметров электрохимического импеданса покрытий. Выявлена возможность регистрации интеркаляторов антрациклинового ряда по изменению сопротивления переноса заряда в широком ряду концентраций и влияние на процесс конфигурации макроциклов в составе поверхностного слоя. Установлена высокая устойчивость импедиметрического отклика на мешающие компоненты пробы (биологические жидкости и стабилизаторы лекарственных форм - манноза, маннит, гидрохинон), связанные с отсутствием редокс-активных компонентов чувствительного слоя и редокс-процессов на стадии генерации отклика. Разработаны аптасенсоры на основе предложенных способов получения на электродах полиэлектролитных комплексов каликс-дендримеров 2 генерации и ДНК. Для этого использовали аптамер на белок, связывающий жирные кислоты (БСЖ), являющийся маркером инфаркта. Сборку слоя проводили путем образования полиэлектролитных комплексов в присутствии метиленового зеленого, удерживаемого на молекулах аптамера за счет электростатических взаимодействий. Связывание БСЖК приводило к высвобождению редокс-маркера и изменению его электрохимической активности, контролируемой вольтамперометрически. По сравнению с традиционной ковалентной пришивкой аптамера нековалентная сборка поверхностного слоя аптасенсора позволила снизить предел обнаружения БСЖК до 75 нг/мл и расширить интервал определяемых концентраций. Определено влияние конфигурации макроцикла на характеристики определения белка. Проведена оценка влияния на сигнал аптасенсора электролитов крови, сывороточных белков и гемоглобина и предложен алгоритм выбора условий пробоподготовки для исключения ложноположительных и ложноотрицательных результатов оценки БСЖК как диагностического критерия инфаркта.

 

Публикации

1. Куликова Т.А., Шамагсумова Р.В., Рогов А.М., Стойков И.И., Падня П.Л., Шиабиев И.Э., Евтюгин Г.А. Electrochemical DNA-Sensor Based on Macrocyclic Dendrimers with Terminal Amino Groups and Carbon Nanomaterials Sensors, номер 4761, том 23, выпуск 10 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/s23104761

2. Падня П.Л., Мостовая О.А., Овчинников Д.Г., Шиабиев И.Э., Пысин Д.А., Ахмедов А.А., Мухаметзянов Т.А., Любина А.П., Волошина А.Д., Петров К.А., Стойков И.И. Combined antimicrobial agents based on self-assembled PAMAM-calix-dendrimers/lysozyme nanoparticles: Design, antibacterial properties and cytotoxicity Journal of Molecular Liquids, номер 122838, том 389 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122838

3. Шиабиев И.Э., Пысин Д.А., Ахмедов А.А., Бабаева О.Б., Бабаев В.М., Любина А.П., Волошина А.Д., Петров К.А., Падня П.Л., Стойков И.И. Towards antibacterial agents: synthesis and biological activity of multivalent amide derivatives of thiacalix[4]arene with hydroxyl and amine groups Pharmaceutics, номер 2731, том 15, выпуск 12 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15122731

4. - Ветки в клетки: молекулярные «деревья» победят супербактерии Известия, Известия, 9 октября 2023 (год публикации - )

5. - Древовидные полимеры помогут в создании антибиотиков нового поколения «Научная Россия» - электронное периодическое издание, 11.10.2023 13:30 (год публикации - )

6. - Молекулярные «деревья» помогут в создании антибиотиков нового поколения Газета «Поиск», 11.10.2023 (год публикации - )

7. - Молекулярные «деревья» помогут в создании антибиотиков нового поколения Indicator, 11.10.2023 (год публикации - )

8. - Из чего создаются антибиотики нового поколения Умная Россия, 16.10.2023 (год публикации - )

9. - Синтез древовидных полимер поможет в создании антибиотиков нового поколения CoLab, 16.10.2023 (год публикации - )

10. - МОЛЕКУЛЯРНЫЕ «ДЕРЕВЬЯ» ПОМОГУТ СОЗДАТЬ АНТИБИОТИКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Наука.рф, 13.10.2023 (год публикации - )