Создание биоинженерного биофильма для регенеративной медицины с использованием бактериального альгината

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 проекта 17-74-20104

НазваниеСоздание биоинженерного биофильма для регенеративной медицины с использованием бактериального альгината

Руководитель Воинова Вера Владимировна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова Бактериальные альгинаты, биофильм, биомиметика, пробиотические бактерии, микробиота, кишечник, матрикс, биомеханика, полиоксиалканоаты, биосинтез, биоинженерия, биосовместимость, антибактериальные препараты

Код ГРНТИ34.57.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние несколько лет биомиметический подход к решению различных проблем в медицине и фармакологии используется все активнее. Особенно актуально и оправдано использование материалов и технологий, заимствованных у природы, в инженерных направлениях биологии – биоинженерии и биотехнологии. Использование природных биополимеров для создания новых гибридных биоинженерных конструкций является одним из наиболее перспективных биомиметических подходов. Однако зачастую их медицинское использование никак не учитывает их роль и функции в природе. Так, если в водорослях альгинаты выполняют преимущественно структурно-механическую функцию, то у бактерий, способных к синтезу этого полисахарида родов Azotobacter и Pseudomonas, их функции более разнообразны, но главная из них – защитная. Клетки этих бактерий синтезируют и секретируют этот экзополихасахарид для формирования внешней слизистой оболочки отдельных клетоки и их скоплений - цист или биофильмов, соответственно, которые защищают бактериальные клетки от неблагоприятных внешних факторов, в т.ч. фагоцитоза макрофагов, воздействию антибиотиков, антител, токсинов и ферментов других бактерий. Эти уникальные свойства бактериальных альгинатов можно использовать для создания биоинженерной конструкции, содержащей пробиотические бактерии, обладающие потенциальной терапевтической способностью для регенеративной медицины. Роль бактерий микробиоты кишечника в процессах заживления повреждений его стенки в настоящее время активно исследуется, и многие устоявшиеся представления претерпевают иногда серьезный пересмотр. Имеется ряд исследований, в которых показано, что некоторые пробиотические бактерии способствуют ускорению процессов регенерации поврежденных тканей стенки кишечника при различных хронических воспалительных его заболеваниях. Целью проекта является создание биоинженерной химерной конструкции из бактериального альгината и пробиотических бактерий для регенерации повреждений стенки кишечника. Для решения основной цели Проект выстроен в форме нескольких направлений, каждое из которых относится к различным областям науки, но все они тесно переплетены друг с другом. Первым направлением является разработка технологии биосинтеза бактериальных альгинатов с заданными физико-химическими и биологическими свойствами, наиболее соответствующими свойствам биоматериала биофильма для пробиотических бактерий, и разработка на его основе полимерной конструкции, которую можно использовать в качестве заплаты стенки кишечника. Вторым направлением является исследование микробиоты в области дефекта стенки кишечника в процессе его регенерации при использовании композитной полимерной конструкции и разработка состава пробиотических бактерий для биоинженерного биофильма. Третьим направлением является создание системы пролонгированного высвобождения противобактериальных препаратов широкого спектра действия из разработанной композитной полимерной конструкции и исследование их воздействия на процессы регенерации дефекта стенки кишечника и бактерии микробиоты кишечника в области дефекта. Наконец, создание самого биоинженерного биофильма, что требует разработки методики помещения пробиотических бактерий отобранных штаммов в полученный бактериальный альгинат и проведение исследований их жизнеспособности, роста и миграции. Проект обладает новизной в различных аспектах решения поставленных задач. Прежде всего, впервые в мире будет применен биомиметический подход, заключающийся в использовании бактериальных экзополисахаридов – альгианатов с заданными свойствами, синтезируемых с помощью технологии контролируемого биосинтеза бактериями-продуцентами, в качестве полимерного биоматериала, в который будут помещены пробиотические бактерии с целью создания биоинженерного биофильма. Впервые альгинаты бактериального происхождения будут использованы для исследования их регенеративного потенциала при восстановлении стенки кишечника на экспериментальной модели ее дефекта на лабораторных животных. Впервые пробиотические бактерии будут использованы в качестве потенциального терапевтического агента в составе биоинженерного изделия и будет исследована их функциональность при регенерации стенки кишечника. Впервые будет исследовано изменение состава бактерий локально в области дефекта стенки кишечника в процессе ее регенерации при использовании биоинженерного изделия, а полученные данные будут использованы при создании биоинженерного биофильма, в составе которого в качестве потенциальных терапевтических агентов используются пробиотические бактерии. Впервые будет исследовано воздействие антибактериальных препаратов (антибиотика и антибактериального белка) на функционирование биоинженерного биофильма, в т.ч. при его применении для регенерации повреждений стенки кишечника. Таким образом, используемые в проекте новые оригинальные подходы в решении поставленной задачи в полной мере реализуют принципы направления по переходу к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов (прежде всего антибактериальных).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Акулина Е.А., Дудун А.А., Бонарцев А.П., Бонарцева Г.А., Воинова В.В. Effect of bacterial alginate on growth of mesenchymal stem cells International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials, T. 68. N. 1-3. P. 115-118 (год публикации - 2018)
10.1080/00914037.2018.1525730

2. Бонарцев А.П., Жаркова И.И., Воинова В.В., Кузнецова Е.С., Жуйков В.А., Махина Т.К., Мышкина В.Л., Поташникова Д.М., Чеснокова Д.В., Хайдапова Д.Д., Бонарцева Г.А., Шайтан К.В. Poly(3-hydroxybutyrate)/poly(ethylene glycol) scaffolds with different microstructure: the effect on growth of mesenchymal stem cells 3 Biotech, V. 8, Article 328 (год публикации - 2018)
10.1007/s13205-018-1350-8

3. Жуйков В.А., Русаков А.А. Усейнов А.С., Акулина Е.А., Воинова В.В. Biodegradation of Poly(3-Hydroxybutyrate) and Poly(3-Hydroxybutyrate-Co-3-Hydroxy-4-Methylvalerate) Films by Porcine Pancreatic Lipase Key Engineering Materials, V. 779, p. 57-63 (год публикации - 2018)
10.4028/www.scientific.net/KEM.779.57

4. Бонарцев А.П., Бонарцева Г.А., Воинова В.В., Кирпичников М.П., Шайтан К.В. Лекарственные системы на основе поли-3-оксиалканоатов: их микро- и наноструктура Вестник РГМУ, №6. С. 130-134 (год публикации - 2018)
10.24075/vrgmu.2018.083

5. Воинова В.В., Бонарцева Г.А., Бонарцев А.П. Effect of poly(3-hydroxyalkanoates) as natural polymers on mesenchymal stem cells World Journal of Stem Cells, 11(10): 764-786 (год публикации - 2019)
10.4252/wjsc.v11.i10.764

6. Жуйков В.А., Жуйкова Ю.В., Махина Т.К., Мышкина В.Л., Русаков А., Усейнов А., Воинова В.В., Бонарцева Г.А., Берлин А.А., Бонарцев А.П., Иорданский А.Л. Comparative Structure-Property Characterization of Poly(3-Hydroxybutyrate-Co-3-Hydroxyvalerate)s Films Under Hydrolytic and Enzymatic Degradation: Finding a Transition Point in 3-Hydroxyvalerate Content Polymers (Basel), 12(3). pii: E728 (год публикации - 2020)
10.3390/polym12030728

7. Дудун А.А., Акулина Е.А., Воинова В.В., Махина Т.К., Мышкина В.Л., Жуйков В.А., Бонарцев А.П., Бонарцева Г.А. Biosynthesis of alginate and poly(3-hydroxybutyrate) by the bacterial strain Azotobacter agile 12 Applied Biochemistry and Microbiology, Vol. 55, No. 6, pp. 641–646 (год публикации - 2019)
10.1134/S0003683819060073

8. Петронюк Ю.С., Храмцова Е. А., Левин В. М., Бонарцев А. П., Воинова В.В., Бонарцева Г.А., Мураев А.А., Асфаров Т.Ф., Гусейнов Н.А. Развитие методов акустической микроскопии для наблюдения процессов остеогенеза в регенеративной медицине Известия РАН. Серия Физическая, Т. 84. № 6. С. 799–802 (год публикации - 2020)
10.31857/S0367676520060204

9. Дудун А.А., Бонарцев А.П., Воинова В.В. Роль кишечной микробиоты в лечении различных заболеваний и антибактериальные препараты нового поколения Издательство "Мир Науки", г. Москва (год публикации - 2020)

10. Волков А.В., Мураев А.А., Жаркова И.И., Воинова В.В., ..... Иванов С.Ю., Шайтан К.В., Бонарцев А.П. Poly(3-hydroxybutyrate)/hydroxyapatite/alginate scaffolds seeded with mesenchymal stem cells enhance the regeneration of critical-sized bone defect Materials Science and Engineering: C, Materials for biological application, 114: 110991 (год публикации - 2020)
10.1016/j.msec.2020.110991

11. Жуйков В.А., Бонарцев А.П., Махина Т.К., Мышкина В.Л., Воинова В.В., Бонарцева Г.А., Шайтан К.В. Гидролитическая деградация поли-3-оксибутирата и его сополимера с 3-оксивалератом различной молекулярной массы in vitro Биофизика, Т. 63, вып. 2, c. 249–257 (год публикации - 2018)

12. Бонарцев А.П., Воинова В.В.*, Кузнецова Е.С., Жаркова И.И., Шубин В.В., Махина Т.К., Мышкина В.Л., Кудряшова К.С., Феофанов А.В., Чеснокова Д.В., Шайтан К.В., Бонарцева Г.А. Адсорбция БСА пористыми матриксами на основе БиоПЭГилированного поли-3-оксибутирата Прикладная биохимия и микробиология, Т.54, №4 (год публикации - 2018)

13. Бонарцев А.П., Воинова В.В., Бонарцева Г.А. Поли-3-оксибутират и микробиота человека Прикладная биохимия и микробиология, Т.54, №6 (год публикации - 2018)

Публикации