Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В настоящее время среди населения всего мира наблюдается стремительный рост спроса на продукты питания, способные обеспечить не только пищевые потребности и биологические функции человеческого тела, но и предоставить долгосрочную профилактическую пользу для здоровья [1-4]. В связи с этим научные исследования во всём мире направлены на решение фундаментальной проблемы молекулярного конструирования инновационных пищевых ингредиентов, таргетного терапевтического действия с контролируемым биоусвоением профилактических биологически активных веществ (нутрицевтиков) в пищеварительном тракте человека. Такие ингредиенты могут быть использованы, как физиологически-функциональные ингредиенты в составе сбалансированных по питательной ценности обогащённых, функциональных и специализированных продуктов питания для таргетной диетотерапии. Такая диетотерапия может быть использована в качестве альтернативного клинического вмешательства, действующего против развития хронических неинфекционных заболеваний (диабет 2-го типа; сердечно-сосудистые заболевания, онкологиия и нервно-дегенеративные заболевания) на их латентной («тихой») стадии, т.е. в отсутствии проявлений болезни. Развитие этих болезней, как говорят последние данные доказательной медицины, в большой степени обусловлены несбалансированным и неполноценным питанием, вызванным дефицитом незаменимых биологически активных веществ [1]. Более того, в настоящее время целый ряд биологически активных веществ, и, в частности, длинноцепочечные омега-3 полиненасыщенные жирныке кислоты (ПНЖК), предлагается для использования в разработке концепций клинического питания для нутритивной поддержки и лечения инфекционных заболеваний, таких как COVID-19 [2- 4]. При этом может быть достигнута главная цель, а именно, оптимизация здоровья человека для его длительной активной жизни и благополучия. Таким образом, в отчётном году по теме нашего проекта, отвечающей требованиями сегодняшнего дня, были проведены работы, заявленные в плане, и в соответствии с этим планом работ были получены все научные результаты. В первую очередь были проведены анализ современной литературы, а также патентный поиск, по теме проекта. Подготовлен и опубликован литературный обзор по биополимерным системам доставки профилактических биологически активных веществ, которые могут быть использованы в качестве физиологически функциональных ингредиентов таргетного терапевтического действия для функциональных, обогащённых и специализированных продуктов питания. Отработаны и предложены оптимальные методы формирования бинарных комплексных частиц молочных белков с хитозаном. При этом удалось сформировать наноразмерные комплексные частицы ИСБ и хитозана, стабилизированные электорстаическими взаимодействиями между ними, имеющие компактную сферическую форму, полностью покрытую линейными высоко заряженными молекулами хитозана, и, как следствие, обладающие термодинамически благоприятным характером взаимодействия (положительными значениями осмотического второго вириального коэффициента) с молекулами воды и 100% растворимостью. В отличие от этого, в случае кзазеината натрия, в зависимости от соотношения белка и хитозана формировались гелеподобные частицы, либо обладающие 100% растворимостью, но с низким термодинамическим сродством к растворителю, либо формирующие комплексный коацерват. Найденные структурные и термодинамические особенности бинарных комплексных частиц ИСБ-хитозан и казеинат натрия-хитозан проявились в структурных параметрах и функциональных возможностях их тройных комплексов с наноразмерной липосомальной формой триглицеридов рыбьего жира (фосфатидилхолин (ФХ)-РЖ), содержащих длинноцепочечные омега-3 жирные кислоты (20% ейкозапентаеновой (ЭПК) + 27% докозагексаеновой (ДГК)). При определённых соотношениях молочных белков и хитозана в тройных комплексах они демонстрировали более чем 90% инкапсулирование липосом ФХ, нагруженных триглицеридами рыбьего жира, а также высокую степень защиты (> 90%), включённых в них ПНЖК при их хранении при комнатной температуре и на свету в течение не менее двух недель. Методом лазерного светорассеяния в статическом, динамическом и электрофоретическом режимах были охарактеризованы структурные (средневесовая молярная масса, радиус инерции, гидродинамический радиус, архитектура, плотность, заряд) и термодинамические параметры (осмотический второй вириальный коэффициент, характеризующий парные взаимодействия между всеми компонентами в водной среде и определяющий их химические потенциалы) как индивидуальных молочных белков и хитозана, так и их бинарных (молочный белок – хитозан; молочный белок- липосомальная форма БАВ; хитозан-липосомальная форма) и тройных (молочный белок - хитозан – липосомальные формы БАВ) комплексных частиц, Кроме того, методами динамического и электрофоретического лазерного светорассеяния было охарактеризовано влияние изучаемых БАВ на размер (гидродинамический радиус) и дзета-потенциал нагруженных ими липосом фосфатидилхолина. В дополнение к этому было изучено взаимодействие муцина (основного компонента слизистой ткани (мукозы), выстилающей пищеварительный тракт) с лучшим, по функциональным свойствам, тройным комплексом ((молочный белок-хитозан-(ФХ-РЖ)) в условиях наиболее приближенных к физиологическим условиям пищеварительного тракта (ротовая полость, желудок, кишечник) согласно стандартизованному международнному протоколу INFOGEST. Методом ЭПР спектроскопии изучено влияние липофильных и гидрофильных БАВ (незаменимых длинноцепочечных ПНЖК; витамина D (усилитель усвоения кальция и силы мышц, включая сердечную); гамма-аминомасляной кислоты (нейропротектор), эфирного масла гвоздики (растительный антиоксидант)) на микровязкость липидного бислоя (в областях локализации спиновых зондов 5- и 16-доксил-стеариновых кислот) липосом фосфатидилхолина (ФХ) в их свободном и инкапсулированном пищевыми биополимерами (белками, полисахаридами и их комплексами) состоянии. Комбинацией методик аналитической химии с использованием различных спектрофотометрических измерений изучено влияние определённой структуры бинарных белок-полисахаридных комплексных частиц (электростатических нанокомплексов, ковалентных конъюгатов, и гелеподобных комплексных коацерватов) на степень инкапсулированных в них, профилактических биологически активных веществ, а также на сохранение их структуры от окисления и деградации при хранении при комнатной температуре и на свету. За отчётный период, в качестве первого этапа систематических исследований, было проведено изучение поведения пероральных бинарных биополимерных систем доставки ( молочный белок - липосомальная форма триглицеридов рыбьего жира, содержащих незаменимые длинноцепочечные ПНЖК (омега-3: ДГК + ЭПК) ) в отсутствии и в присутствии эфирного масла гвоздики) как in vitro, так и in vivo. При этом, в экспериментах in vitro моделировались условия, наиболее приближенные к физиологическим условиям пищеварительного тракта (ротовой полости, желудка и тонкого кишечника), согласно статическому стандартизированному международному INFOGEST протоколу. Эти исследования включали изучение структурных и термодинамических превращений изучаемых комплексных частиц в модельных условиях пищеварительного тракта используя метод лазерного светорассеяния, а также оценку высвобождения биологически активных липидов на каждой стадии ферментативного гидролиза биополимерных систем доставки в пищеварительном тракте in vitro, используя метод спектрофотометрии. Полученные на этапе in vitro данные сопоставляли с данными биоусвоения in vivo целевых эссенциальных ПНЖК из разработанных систем доставки в печени и мозге экспериментальных животных (мышей (линии F1(C57blxDBA2\6)). Кроме того, было установлено, что физико-химические свойства липосом (размер, заряд, структурное состояние бислоя в областях локализации спиновых зондов 5-доксил и 16-доксил-стеариновых кислот), приготовленных из суммарных липидов важнейших органов мышей (печени и головного мозга), существенно изменялись с возрастом животных, прием же изученного комплекса корректировал эти изменения и приближал уровень исследуемых параметров к исходному состоянию, характерному для здоровых молодых животных. При этом диета с растворимым комплексом (казеинат натрия - липосомальная форма РЖ в присутствии эфирного масла гвоздики) была наиболее эффективной и может быть рекомендована для практического применения. За отчётный период, как необходимый первый этап систематического исследования, были изучены поверхностная активность и пенообразующие свойства сформированных растворимых, как бинарных (молочный белок - хитозан, молочный белок – липосомальная форма БАВ (1-3)), так и тройных нанокомплексов (молочный белок - хитозан– липосомальная форма БАВ (1-3)). Установлены прямые взаимосвязи между пенообразующими способностями изученных наноразмерных частиц и их молекулярными (степень ассоциации белков в комплексах с липосомами) и термодинамическими (термодинамическое сродство к водной среде; величина поверхностного натяжения на границе раздела воздух-вода) параметрами. При этом была проведена сравнительная характеристика пенообразующих способностей комплексов сформированных на основе казеината натрия и ИСБ. Полученные научные результата представлены: - в 7 публикациях (1 статья в рецензируемом журнале, относящемся к категории Q1; 1 статья в рецензируемом журнале, относящемся к категории Q4; 5 тезисов докладов, один из которых индексируется в РИНЦ); - в 4 устных и 3 стендовых докладах; - в 2 статьях, находящихся на стадиях рецензирования в журналах, относящихся к категории Q1. 1. Cristian Dima, Elham Assadpour, Stefan Dima, and Seid Mahdi Jafari. Bioavailability of nutraceuticals: Role of the food matrix, processing conditions, the gastrointestinal tract, and nanodelivery systems. Сomprehensive reviews in food science and food safety, 2020, 19, 954–994. 2. M. Alam, R. Parra-Saldivar, M. Bilal, C. A. Afroze, M. Ahmed, H. Iqbal, J. Xu, Algae-derived bioactive molecules for the potential treatment of sars-cov-2, Molecules, 2021, 26, 2134. 3. Z. Szabó, T. Marosvölgyi, É. Szabó, P. Bai, M. Figler, Z. Verzár, The potential beneficial effect of EPA and DHA supplementation managing cytokine storm in coronavirus disease, Front Physiol., 2020, 11, 752. 4. Arash Asher, Nathan L. Tintle, Michael Myers, Laura Lockshon, Heribert Bacareza, William S. Harris. Blood omega-3 fatty acids and death from COVID-19: A pilot study. Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids, 2021, 166, 102250. https://m.facebook.com/story.php?story_fbid=429904982105337&id=109124387516733&m_entstream_source=timeline&_tn_=%2As%2As-R https://www.instagram.com/p/CXLDQxfsiWQ/ https://t.me/ibcp_ras_news/724 https://www.instagram.com/p/CW_cqJXMBJe/?utm_medium+copy_link https://vk.com/ibcp_ras?w=wall-193034147_129 https://m.vk.com/ibcp_ras?from=group

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В настоящее время общепризнано, что дефицит ряда биологически активных веществ, так называемых нутрицевтиков, в организме человека может приводить к развитию различных хронических неинфекционных заболеваний (сахарный диабет 2 типа, сердечно-сосудистые заболевания, онкология и нейродегенеративные заболевания). На сегодняшний день одной из основных инициатив в пищевой промышленности является обогащение продуктов питания и напитков комбинациями биологически активных веществ (БАВ) из-за их потенциально аддитивного или даже синергетического воздействия на здоровье человека. Одной из основных целей нашей работы в отчётный период было создание водорастворимой и наноразмерной системы адресной доставки комбинации гидрофобных и гидрофильных нутрицевтиков в их адекватном для оздоровительного эффекта количестве. В качестве незаменимых гидрофобных нутрицевтиков были выбраны омега-3 и омега-6 полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК), входящие в состав ФХ и рыбьего жира (РЖ), а также витамин Д3, растительный антиоксидант (эфирное масло гвоздики (ЭМГ)) и каротиноиды (бета-каротин, ликопин и лютеин). При этом ставилась задача достижения наиболее оптимального для здоровья равного весового соотношения омега-3 и омега-6 ПНЖК. В качестве достаточно гидрофильного нутрицевтика была выбрана гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), как один из основных ингибирующих нейромедиаторов центральной нервной системы. Для достижения поставленной цели, мы, в первую очередь, использовали водорастворимые липосомы ФХ, сформированные в нейтральной области рН водной среды, для одновременного инкапсулирования как гидрофобных нутрицевтиков в их бислой, так и гидрофильного – в центральную гидрофильную часть липосом. Характеристика общей и локальной структуры липосом фосфатидилхолина, наполненных выбранными для изучения биологически активными веществами, а также их поверхностной активности на границе раздела фаз в модельных коллоидных системах, включая модельные условия пищеварительного тракта, была проведена комбинацией таких высокоточных физико-химических методов, как электронно-парамагнитно резонансная спектроскопия (ЭПР), многоугловое лазерное светорассеяние в динамическом режиме, спектрофотометрия, измерение дзета потенциала электрофоретическим лазерным светорассеянием, тензиометрия и трансмиссионная электронная микроскопия. Следует отметить, что все выбранные для исследования липофильные нутрицевтики требовали защиты своей молекулярной структуры от деградации под воздействием кислорода воздуха, света и температуры. В связи с этим, с целью достижения максимальной защиты от неблагоприятных условий окружающей среды сформированных липосомальных форм нутрицевтиков, а также обеспечения их контролируемой биодоступности в пищеварительном тракте, было проведено инкапсулирование нагруженных нутрицевтиками липосом пищевыми биополимерами (белками и полисахаридами). Для этого использовались комплексы молочных белков (изолята сывороточных белков молока или натриевой формы казеината) с полисахаридами различной структуры (хитозаном и мальтодекстрином). При этом, за отчётный период были изучены свойства электростатических комплексов биополимеров, их ковалентных конъюгатов и комплексных коацерватов. С помощью комбинации методов ИК-Фурье спектроскопии и спектрофотометрии было охарактеризовано формирование новых ковалентных связей в сформированных на первой стадии реакции Майара ковалентных конъюгатах (молочного белка и – мальтодекстрина). С использованием комбинации методов лазерного светорассеяния (многоуглового-статического (СЛС), динамического (ДЛС) и электрофоретического (ЭЛС)) были охарактеризованы структурные (радиус инерции (Rg), гидродинамический радиус (Rh), средневесовая молярная масса (Mw), архитектура, плотность (d), дзета-потенциал прямо пропорциональный заряду) и термодинамические (осмотический второй вириальный коэффициент (A2), характеризующий парные взаимодействия между всеми компонентами в водной среде и определяющий химические потенциалы компонентов) параметры изучаемых биополимеров, а также их бинарных (белок – липосомы; белок – полисахарид) и тройных (белок – липосомы – полисахарид) комплексных частиц . При этом, структурные и термодинамические параметры индивидуальных биополимеров и комплексных частиц были охарактеризованы, как в условиях их формирования, так и в модельных условиях, наиболее приближенных к физиологическим условиям пищеварительного тракта (ротовой полости, желудка и тонкого кишечника), согласно статическому стандартизированному международному INFOGEST протоколу. С помощью различных методов экстракции, а также комбинаций методик аналитической химии и проведения спектрофотометрических измерений проведено изучение влияние определённой структуры комплексных частиц (электростатических нанокомплексов, ковалентных конъюгатов и комплексных коацерватов) на следующие свойства, инкапсулированных в них липосом, содержащих низкомолекулярные профилактические биологически активные вещества: - степень инкапсулирования; - сохранение структуры от окисления и деградации в различных условиях окружающей среды (рН, температура, ионное окружение, механические воздействия в процессе производства и хранения йогурта); - биодоступность в условиях наиболее приближенных к реальным условиям пищеварительного тракта in vitro. С использованием комбинации методов тензиометрии и лазерного светорассеяния в динамическом и электрофоретическом режимах было изучено взаимодействие сформированных комплексных частиц и липосом (гидролизованных липазой/ фосфолипазой и негидролизованных) с муцином (мукоадгезивные свойства) в условиях наиболее приближенных к физиологическим условиям пищеварительного тракта (желудка и тонкого кишечника in vitro. Кроме этого, методом ЭПР, ЭЛС, тензиометрии и спектрофотометрии было изучено изменение общей и локальной структуры липосом под действием желчных солей, присутствующих в модельном растворе в концентрациях, характерных для физиологических условий тонкого кишечника. В опытах in vivо, используя хромато-масс-спектрометрию, было изучено, как разработанные водорастворимые биополимер-липосомальные нанокомплексы изменяют содержание и соотношение целевых длинноцепочечных омега-6 (арахидоновой (АК)) и омега -3 (докозагексаеновой (ДГК)) ПНЖК в основных фосфолипидах печени (фосфатидилхолине, фосфатидилэтаноламине, фосфатидилсерине, лизофосфатидилхолине) мышей линии F1 (C57blxDBA2\6). В этом эксперименте было продемонстрировано, что употребление напитков со сложными биополимерными липосомальными нанокомплексами, содержащими незаменимые ПНЖК, природные антиоксиданты и пищевые белки, может модифицировать липидный профиль печени, повышая уровень ДГК-содержащих фосфолипидов (ФХ;ФЭ;ФС;ЛФХ) и значительно снижая уровень, АК – содержащих фосфолипидов. Следствием этого может быть повышение устойчивости организма к воспалению и, таким образом, снижение риска развития онкологических и нервно-психических заболеваний. Была разработана технологическая схема приготовления экспериментальных образцов йогурта с функциональными ингредиентами. Эти образцы йогурта характеризовались повышенным содержанием белка и сбалансированным количеством омега-3 и омега-6 ПНЖК. Была проведена оценка йогуртов по их органолептическим свойствам (построены профилограммы консистенции, внешнего вида и запаха), по устойчивости к окислению в процессе хранения, по критическим срокам годности и по биодоступности (высвобождению) липосом (ФХ-РЖ-ЭМГ) в них под действием пищеварительных ферментов в модельных условиях пищеварительного тракта in vitro. https://vk.com/wall-152260072_15270 https://rscf.ru/news/found/lektoriy-rnf-stal-chastyu-vserossiyskogo-festivalya-nauki-nauka-0-kotoryy-posetilo-16-millionov-chel/

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В соответствии с планом работ и основываясь на данных доказательной медицины, за отчётный период, были продолжены дальнейшие исследования систем доставки для биологически активных веществ (нутрицевтиков) в адекватном количестве от их рекомендуемой суточной нормы потребления, т.е. в количестве необходимом и достаточном для создания функциональных продуктов питания (15-50%). Использование фосфатидилхолина сои (ФХ) позволило нам использовать липосомы этого фосфолипида для инкапсулирования гидрофобных нутрицевтиков (длинноцепочечных омега-3 ПНЖК (докозагексаеновой ДГК и эйкозапентаеновой (ЭПК)), индивидуально и в составе триглицеридов рыбьего жира (РЖ); эфирного масла гвоздики (ЭМГ); витамина D3); и каротиноидов (бета-каротина, ликопина и лютеина)) в бислой липосом, а также достаточно гидрофильной (гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК)) - в их центральную часть В данный отчётный период, для дополнительной стабилизации липосомальных форм нутрицевтиков использовались комплексы пищевых белков и полисахаридов, стабилизированные, как ковалентными связями, образовавшимися на первой стадии реакции Майара между аминогруппами белка и альдегидной концевой группой полисахаридов (основания Шиффа), так и электростатическими взаимодействиями. В модельных условиях пищеварительного тракта in vitro, были обнаружены общие закономерности в поведении изученных за время проекта различных комплексных частиц (белок-липосомы), покрытых мукоадгезивным хитозаном, и стабилизированных электростатическими взаимодействиями между биополимерами. Так, было установлено, что в желудке хитозановая оболочка, обеспечивала растворимость системам доставки, а также из-за наличия у хитозана, как и у белка, аминогрупп она в первую очередь подвергалась гидролизу под действием пепсина. При этом белково-липидное ядро в большой степени сохраняло свою целостность. Тогда как, в нейтральных условиях тонкого кишечника, хитозан терял свой заряд, электростатический супрамолекулярный комплекс распадался, и это способствовало интенсивному ферментативному гидролизу белка и высвобождению липосом, нагруженных нутрицевтиками. Большая степень высвобождения липосом, нагруженных нутрицевтиками, в тонком кишечнике должна способствовать большей степени их биоусвоения. В то же время, в модельной среде желудка наблюдались сильные электростатические взаимодействия комплексных частиц, покрытых хитозаном, с муцином. С одной стороны это могло препятствовать прохождению комплексов через мукозный слой, сформированный муцином, а с другой стороны, могло способствовать пролонгированному действию пепсина, подготавливающего комплексы к дальнейшему ферментативному гидролизу в тонком кишечнике. В нейтральной среде кишечника, где, как гидролизованные комплексы, так и липосомы, были одноимённо заряженными с муцином, взаимодействия между ними зафиксировано не было. Кроме этого, было обнаружено значительное влияние желчных солей, присутствующих в биологической жидкости тонкого кишечника, на структурное состояние бислоёв изучаемых липосом, что способствовало формированию между ними смешанных мицелл. Дополнительный анализ данных хромато-масс-спектрометрии, полученных на липидных экстрактах печени мышей линии F1(C57blxDBA2\6) в экспериментах in vivo, показал, что диетические омега-3 ПНЖК способны ремоделировать жирные ацильные молекулы фосфатидилхолина (ФХ), фосфатидилэтаноламина (ФЭ), фосфатидилсерина (ФС), что может иметь важные физиологические последствия и требует дальнейшего изучения. Полученные результаты могут быть использованы для разработки современных систем доставки различных нутрицевтиков на основе ФХ-липосом, поскольку, помимо основного влияния на профиль ПНЖК, их введение в виде водорастворимых напитков более удобно, чем использование масел с растворимыми в них гидрофобными нутрицевтиками. При изучении структурообразующих способностей разрабатываемых инновационных ингредиентов (двойных (белок-липосомальные формы нутрицевтиков) и тройных (белок - полисахарид – липосомальные формы нутрицевтиков) комплексных частиц) было установлено, что наибольшей поверхностной активностью обладают двойные комплексы (белок-липосомальные формы нутрицевтиков) в нейтральной области рН и при низкой ионной силе. Также важно отметить, что в условиях близких к изоэлектрической точке белка, там где двойной комплекс терял свою растворимость, тройные комплексы, покрытые хитозаном были способны формировать относительно стабильную к кримингу (сливкообразованию) эмульсию, как за счёт электростатической, так и стерической стабилизации адсорбционных слоёв на каплях эмульсии. Эти результаты открывают возможность использования разрабатываемых комплексов с липосомальной формой нутрицевтиков, в качестве перспективных и полезных для здоровьесбережения инновационных эмульгаторов для функциональных и специализированных продуктов питания. На основе липосомальной формы (ФХ-РЖ-ЭМГ-Д3) был приготовлен супрамолекулярный комплекс с казеинатом натрия. На основе этого комплекса была разработана рецептура специализированных мясных консервов, с сохранением высокого содержания (49,08% от адекватного суточного потребления согласно Методическим рекомендациям МР 2.3.1.0253 – 21) длинноцепочечных омега-3 ПНЖК (эйкозапентаеновой и докозагексаеновой) после их высоко-температурной обработки (120 оС) в процессе производства. Также была проведена органолептическая оценка приготовленных консервов. По результатам исследований было выявлено, что супрамолекулярный комплекс не ухудшил органолептические показатели и оказал стабилизирующее действие на консистенцию продукта. Научная значимость полученных результатов заключается в том, что они раскрывают основные взаимосвязи между структурой, термодинамическими параметрами и функциональными свойствами систем доставки липосомальной формы эссенциальных биологически активных веществ на основе пищевых биополимеров. Понимание этих взаимосвязей позволяет находить новые перспективные пути для целенаправленного молекулярного конструирования таких систем доставки. В частности, это - такие пути, которые обеспечивают заданным биологически активным веществам, как эффективную защиту при их переработке и хранении, так и их наиболее полную биодоступность и биоусвоение в желудочно-кишечном тракте. Практическая и общественная значимость полученных результатов состоит в том, что они могут быть использованы для разработки и выпуска инновационных пищевых ингредиентов с повышенной биологической ценностью для профилактических продуктов питания (обогащённых, функциональных и специализированных), что может помочь в решении проблемы снижения потерь от социально значимых, и, в частности, неинфекционных заболеваний (сердечно-сосудистых, нервно-дегенеративных, онкологических и диабета 2 типа) и укрепления здоровья населения Российской Федерации.