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 21-73-00251

НазваниеФерментоподобная активность наночастиц СеО2, функционализированных биомолекулами, в модельных свободнорадикальных системах

РуководительСозарукова Мадина Магамедовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словананозимы, нанодисперсный диоксид церия, белки, аминокислоты, галловая кислота, синергетические эффекты, свободнорадикальный метаболизм, активные формы хлора, активные формы азота, антиоксиданты, хемилюминесценция

Код ГРНТИ31.17.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Целью проекта является комплексный анализ взаимодействия наночастиц СеО2 с биомолекулами и их ферментоподобной активности в модельных свободнорадикальных системах. Поставленная в проекте задача представляет собой широкомасштабное исследование, направленное на получение новых данных о нанодисперсном диоксиде церия как участнике свободнорадикального метаболизма. Актуальность запланированных исследований определяется важной проблемой разработки новых высокоэффективных препаратов для тераностики (терапии и диагностики) социально значимых заболеваний, в том числе обусловленных окислительным стрессом, включая сердечно-сосудистые, нейродегенеративные и онкологические. Актуальность проекта подтверждается устойчивым ростом числа публикаций и патентов по тематике, связанной с разработкой неорганических ферментоподобных соединений (нанозимов) и установлению механизмов их биологической активности, среди которых наиболее ярким и перспективным является нанодисперсный СеО2. Научная новизна проекта состоит в комплексном анализе взаимодействия наночастиц СеО2 с белками, аминокислотами, галловой кислотой, про- и антиоксидантными ферментами и их ферментоподобной активности и синергетических эффектов в модельных свободнорадикальных системах и биологических жидкостях, а также влияния наночастиц СеО2 на антиоксидантные и транспортные свойства основного белка плазмы крови — сывороточного альбумина человека — с применением оригинальных методов и подходов. Подобная задача до настоящего времени не была реализована в России и за рубежом. Достижимость успешного решения поставленной задачи и получения ожидаемых результатов обусловлена следующими обстоятельствами. С 2019 г. руководитель проекта является научным сотрудником лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, в которой накоплен богатый экспериментальный опыт в области синтеза нанодисперсных оксидных материалов с использованием подходов «мягкой химии», в том числе получения биосовместимых коллоидных систем — гелей и золей, а также значительный опыт анализа структуры подобных объектов с использованием современных инструментальных методов. В частности, в лаборатории выполняются проекты РФФИ и РНФ, связанные с синтезом высокодисперсных оксидных материалов, в том числе на основе диоксида церия (РНФ № 19-13-00416, РНФ № 18-73-10150, РФФИ № 18-29-06014). Активное участие руководителя проекта в работах, связанных с определением антиоксидантной активности наноматериалов, позволило получить необходимый опыт в области синтеза и анализа физико-химических характеристик нанодисперсного диоксида церия. По результатам работ, связанных с анализом биохимической активности и физико-химических свойств CeO2, руководителем проекта опубликованы 3 статьи. Кроме того, с участием руководителя проекта были разработаны новые 1- и 12-канальные отечественные хемилюминометры, специально предназначенные для регистрации кинетики хемилюминесценции в медико-биологических и лабораторных исследованиях. Квалификация руководителя проекта в области биофизической химии подтверждается реализацией проектов по близким тематикам, в том числе РНФ № 14-15-00375, РФФИ № 14-04-01361, РФФИ № 18-015-00234, РФФИ № 18-00-01511 и наличием соответствующих публикаций. Решение поставленных в проекте задач внесет существенный вклад в понимание особенностей и механизмов биохимической активности неорганических ферментоподобных соединений, ярким представителем которых является диоксид церия, в аспекте свободнорадикальных реакций, что является непременным условием для его дальнейшего биомедицинского применения.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены следующие основные результаты. Будут синтезированы агрегативно устойчивые золи СеО2, проведена их функционализация биомолекулами и охарактеризованы их состав, структура и микроморфология с помощью комплекса взаимодополняющих физико-химических методов анализа. Будут разработаны новые и адаптированы под исследуемый объект существующие модели генерации активных форм кислорода (АФК), азота (АФА) и хлора (АФХ). Будут получены новые количественные данные об антиоксидантной емкости наночастиц СеО2, функционализированных биомолекулами, включая аминокислоты, в разработанных модельных системах генерации АФХ и АФА в сочетании с математическим моделированием полученных хемилюминограмм. Впервые будет получена информация о биохимической активности наночастиц СеО2, стабилизированных галловой кислотой, хемилюминесцентным методом. Впервые будут получены данные о влиянии наночастиц СеО2 на транспортные и антиоксидантные свойства сывороточного альбумина (САЧ), а также данные о защитном действии наночастиц СеО2 в отношении САЧ в биологических жидкостях в условиях окислительного и нитрозирующего стрессов хемилюминесцентным и спектрофлуориметрическим методами. Будут получены новые данные о синергетических эффектах конъюгатов нанодисперсного СеО2 с про- и антиоксидантными ферментами в модельных системах генерации АФК хемилюминесцентным методом. Выполнение поставленных в проекте задач имеет важное значение для улучшения качества жизни населения, поскольку способствуют развитию одной из наиболее актуальных междисциплинарных областей современной биомедицины, связанной с разработкой и созданием препаратов нового поколения — нанофармпрепаратов — для профилактики, диагностики и терапии социально значимых заболеваний, включая онкологические. Полученные в ходе реализации проекта принципиально новые данные о ферментоподобной активности нанодисперсного диоксида церия при взаимодействии с биомолекулами в свободнорадикальном гомеостазе при помощи оригинальных методов и подходов расширяют границы и открывают новые направления его биомедицинского применения.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Согласно заявленному плану в 2021–2022 гг. были выполнены следующие работы: • проведен синтез с применением подходов «мягкой химии» и анализ комплексом взаимодополняющих физико-химических методов наночастиц СеО2, функционализированных различными биомолекулами; • изучено влияние функционализированных наночастиц СеО2 на транспортные и антиоксидантные свойства сывороточного альбумина человека на примере модельного белка и для биологических жидкостей хемилюминесцентным и спектрофлуориметрическим методами. Получен ряд новых существенных результатов, способствующих решению проблемы, связанной с всесторонним исследованием нанокристаллического СеО2, как участника свободнорадикального метаболизма, для потенциального биомедицинского применения. Показано успешное применение синтеза на основе термогидролиза водного раствора (NH4)2Ce(NO3)6 с последующей функционализацией поверхности образцов биосовместимыми лигандами как способа получения новых видов золей СеО2, характеризующихся стабильностью и биохимической активностью. Получены золи СеО2, модифицированные биосовместимыми молекулами — аминокислотами: L-триптофаном, L-тирозином, L-цистеином (входят в состав сывороточного альбумина и формируют основной пул антиоксидантов) и L-аргинином (источник NO), белками: интерлейкином 1 (цитокин, медиатор воспаления и иммунитета) и коллагеном (главный белок внеклеточного матрикса и физиологический активатор тромбоцитов) и галловой кислотой (соединение, производные которого обладают выраженными антиоксидантными свойствами). В качестве образца сравнения получен цитрат-стабилизированный золь СеО2. Все образцы содержали однофазный диоксид церия (PDF2 34-0394). Размер частиц соответствовал диапазону 3–5 нм. Результаты анализа образцов наночастиц СеО2 методом просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции подтверждали данные о размере частиц и фазовом составе полученных материалов. Средний гидродинамический диаметр частиц оказался равным 12–18 нм, при этом значения для золей СеО2, модифицированных интерлейкином 1 и коллагеном, 25 и 30 нм, соответственно, свидетельствовали о некотором изменении степени агрегации. Анализ электрокинетических свойств золя СеО2 без модификаторов позволял говорить о высокой степени стабильности коллоидного раствора. Функционализация поверхности наночастиц L-тирозином приводила к повышению дзета-потенциала, для других лигандов — к снижению. Идентифицированы все полосы поглощения в ИК-Фурье спектрах золей. Установлено, что галловая кислота и L-аргинин характеризуются наилучшей способностью к связыванию с наночастицами СеО2. Получены и охарактеризованы конъюгаты наночастиц СеО2 с сывороточным альбумином человека (САЧ) на примере модельного раствора белка (САЧ–СеО2 NPs). В модели генерации алкилпероксильных радикалов для конъюгатов САЧ–CeO2 NPs 1:1 и 1:10 получено снижение уровня стационарного свечения, что позволяет говорить об окислительной модификации альбумина при связывании с наночастицами СеО2. Установлено, что эффект не зависит от концентрации золя СеО2. Показано, что связывание наночастиц СеО2 с альбумином, выделенным из плазмы крови практически здоровых доноров, перитонеальной жидкости пациенток с эндометриозом и синовиальной (суставной) жидкости, приводит к усилению антиоксидантных свойств конъюгатов САЧ–CeO2 NPs (1:1). Продемонстрировано, что связывание наночастиц СеО2 с белком при образовании конъюгатов (1:1, 1:2, 2:5, 1:5, 1:10, 1:20) приводит к конформационным перестройкам в структуре САЧ. Установлено, что супрамолекулярный комплекс формируется при мольном соотношении белка и нанодисперсного СеО2, равном 1:1. Найдено, что снижение флуоресценции при взаимодействии альбумина с цитрат-стабилизированным золем СеО2 происходит по механизму статического тушения: образуется комплекс между флуорофором и тушителем. Найдено, что сопоставление показателей, отражающих связывающую способность (ECA/TAC) и долю модифицированного альбумина (FMA), для конъюгатов САЧ–CeO2 NPs демонстрирует увеличение FMA. При этом значения показателя ECA/TAC практически не изменяются. Взаимодействие наночастиц СеО2, в том числе цитрат-стабилизированного золя, с САЧ приводит к конформационным изменениям в белке, не затрагивающим лекарственные центры альбумина и, соответственно, не вызывающих нарушения его транспортной функции. Для конъюгатов в случае, когда белок выделен из биологических жидкостей, установлено увеличение показателя ECA/TAC, свидетельствующее о снижении связывающей способности белка. Установлено, что липопероксидазоподобная активность цитратного золя CeO2 на 6 порядков ниже, чем у дезоксигемоглобина (Fe(II)) и на 2 порядка выше, чем у коллоидного раствора карбоксимальтозата Fe(III) (антианемический препарат Феринжект®). Анализ кинетики перекисного окисления липидов, индуцированного наночастицами CeO2, дезоксигемоглобином (Fe(II)) и карбоксимальтозатом Fe(III), позволяет сделать предположение о сходстве механизмов их прооксидантного действия. Получено, что цитратный золь СеО2 по отношению к гидропероксиду фосфатидилхолина проявляет фосфолипероксидазоподобную активность. Прооксидантная способность наночастиц CeO2 в 20 раз ниже, чем у дезоксигемоглобина (Fe(II)) и в 4 раза выше, чем у карбоксимальтозата Fe(III). Сравнительный анализ липо- и фосфолипопероксидазоподобной активности наночастиц CeO2 и дезоксигемоглобина (Fe(II)) позволяет характеризовать нанодисперсный CeO2 как мягкий прооксидант. Найдено, что редокс-активность наночастиц CeO2 схожа со свойствами Fe(III), являющегося основным компонентом железосодержащих лекарственных средств для внутривенного введения. Установлено, что фосфолипопероксидазоподобные свойства цитрат-стабилизированного золя СеО2 выражены сильнее по сравнению с липопероксидазоподобными. Сделано предположение о том, что это может отражать тропность нанодисперсного СеО2 к фосфолипидам. Все запланированные в отчетном периоде научные результаты достигнуты. К наиболее значимым с практической и фундаментальной точек зрения результатам выполнения проекта в 2021–2022 гг. можно отнести следующие: 1) Впервые получены стабильные золи СеО2, модифицированные биосовместимыми лигандами, в том числе аминокислотами (L-триптофан, L-тирозин, L-цистеин, L-аргинин), белками (интерлейкин 1, коллаген), органическими кислотами (галловая кислота). 2) Показано, что взаимодействие наночастиц СеО2 с сывороточным альбумином человека приводит к конформационным изменениям в структуре белка, однако эти изменения не затрагивают лекарственные центры альбумина и, соответственно, не ухудшают его транспортные свойства. 3) Получено, что в модели генерации алкилпероксильных радикалов конъюгаты наночастиц СеО2 с альбумином, выделенным из биологических жидкостей (плазма крови, перитонеальная и синовиальная жидкости), характеризуются выраженными антиоксидантными свойствами. 4) Показано, что цитрат-стабилизированный золь СеО2 обладает редким типом нанозимной активности ― фосфолипероксидазоподобной, при этом механизм прооксидантного действия аналогичен проявляемому ионами Fe(III) — основными компонентами железосодержащих лекарственных средств для внутривенного введения. Результаты реализации проекта представлены в СМИ: https://xn--80afdrjqf7b.xn--p1ai/news/9181/, http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=d048196c-9af0-4135-bd17-32c970a5ab20, https://rscf.ru/news/release/novye-grani/, https://scientificrussia.ru/articles/novye-grani-biologiceskoj-aktivnosti-neorganiceskih-enzimov, https://poisknews.ru/themes/himiya/vyyavleny-novye-grani-biologicheskoj-a/, https://indicator.ru/chemistry-and-materials/khimiki-nashli-u-oksida-ceriya-dva-novykh-tipa-fermentopodobnoi-aktivnosti-03-11-2021.htm, https://mendeleev.info/himiki-nashli-u-oksida-tseriya-dva-novyh-tipa-fermentopodobnoj-aktivnosti/, https://sciencemon.ru/office/org/blog/259700/, http://www.igic.ras.ru/press_release_05_11_2021.php.

 

Публикации

1. - Новые грани биологической активности неорганических энзимов сайт РНФ, RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

2. - Новые грани биологической активности неорганических энзимов сайт РАН, RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

3. - НОВЫЕ ГРАНИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ЭНЗИМОВ Научная Россия, RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

4. - Новые грани биологической активности неорганических энзимов сайт ИОНХ РАН, RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

5. - Ученые открыли новые грани биологической активности неорганических энзимов сайт "Год науки и технологий РФ", RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

6. - Выявлены новые грани биологической активности неорганических энзимов Поиск, RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

7. - Химики нашли у оксида церия два новых типа ферментоподобной активности Индикатор, RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

8. - Химики нашли у оксида церия два новых типа ферментоподобной активности Рамблер, RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

9. - Химики нашли у оксида церия два новых типа ферментоподобной активности Mendeleev.info, RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

10. - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук Научный микроблог базы данных результативности деятельности научных организаций Минобрнауки России, RSC Adv., 2021, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - ).

11. Созарукова М.М., Проскурнина Е.В., Попов А.Л., Калинкин А.Л., Иванов В.К. New facets of nanozyme activity of ceria: lipo- and phospholipoperoxidase-like behaviour of CeO2 nanoparticles RSC Advances, V.11(56), P.35351-35360 (год публикации - 2021).