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 21-73-10254

НазваниеНовые функциональные агенты гибридной визуализации на основе амфифильных полимеров для задач репродуктивной медицины

РуководительРудаковская Полина Григорьевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «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 03 - Химия и науки о материалах, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словаКонтрастные агенты, микропузырьки, ультразвуковая диагностика, биомолекулы, биополимеры, нанокомпозиты, наночастицы благородных металлов, гибридные методы визуализации, эхогистеросальпингография (ЭхоГСГ), органы женской репродуктивной системы, эхопозитивные агенты, проходимость маточных труб, оптоакустика

Код ГРНТИ76.03.31


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
На сегодняшний день проблема бесплодия затрагивает от 48 миллионов супружеских пар до 186 миллионов человек в мире. Трубно-перитонеальный фактор бесплодия, нарушение проходимости маточных труб, занимает ведущее место среди всех причин женского бесплодия, составляя от 25 до 70%. Актуальным и значимым направлением научных исследований является поиск неинвазивных, экономически эффективных методов диагностики причин женского бесплодия, обладающих высокой диагностической точностью, при этом не использующих ионизирующее излучение и не проявляющих нефротоксичность. Одним из решений является процедура эхогистеросальпингографии (ЭхоГСГ) с применением контрастных препаратов – метод ультразвуковой визуализации, основанный на введении контрастной среды в полость матки под контролем трансвагинальной эхографии. Введение эхопозитивного контрастного агента значительно улучшает акустические характеристики проводимой процедуры, способствует получению точных данных о возможных причинах бесплодия в рамках неинвазивной процедуры в условиях кабинета врача-гинеколога и/или кабинета ультразвуковой диагностики. Однако, несмотря на наличие широкого спектра оборудования для ультразвуковой диагностики в лечебно-профилактических учреждениях на территории РФ, проведение ультразвуковых исследований с контрастным усилением не получило большого распространения среди российских клиник. Проблемой остается также отсутствие российского аналога контрастного препарата. В качестве контрастного агента для ультразвуковой визуализации широкое применение нашли инкапсулированные пузырьки газов, известные как “микропузырьки”. Получение оптимальной структуры контрастного агента, изучение его поведения в биологических средах (низкая токсичность, высокая биосовместимость и т.д.) и реализация возможности получения агента в условиях кабинета врача требуют участия междисциплинарной (химия, материаловедение, биология, медицина) команды, обладающей необходимым опытом проведения исследований. Более того, для получения большего объема данных диагностики и более точной постановки диагнозов возникает необходимость комбинирования различных методик визуализации, использование гибридных методов визуализации. Возможности последних способствуют активным исследованиям в областях молекулярной визуализации, трехмерной визуализации и визуализации сверхвысокого разрешения, и в настоящее время активно разрабатываются новые агенты, отвечающие особым требованиям данных методов. Главной задачей проекта является создание прототипа контрастного агента для контрастно-усиленной эхогистеросальпингографии (ЭхоГСГ), апробированного для дальнейших доклинических испытаний. Важным при разработке контрастного препарата является проведение исследований по подбору оптимальных компонентов как оболочки, так и газового ядра агентов, а также подбору оптимальных условий приготовления микропузырьков. Планируется создание новых материалов на основе микропузырьков с полимерной биосовместимой оболочкой и наночастиц благородных металлов. Полученные микропузырьки будут обладать уникальным комплексом свойств, благодаря достижению мультифункциональности: микропузырьки способны обеспечить акустические свойства для ультразвуковой визуализации, а наночастицы благородных металлов — возможности эффективной визуализации методами оптоакустической микроскопии/компьютерной томографии. Подобных материалов на данный момент нет в России как в клинической практике, так и в доклинических исследованиях. Более того, в мире не был представлен коммерчески-доступный мультифункциональный препарат с возможностью ультразвукового контрастирования. Получение прототипа такого препарата является актуальной задачей как для фундаментальной науки, так и для практического применения в медицинской диагностике. Дальнейшее развитие этого направления может привести к получению эффективной диагностической системы, не имеющей аналогов. Уникальное сочетание опыта и компетенций материаловедов, биологов и медиков в одной исследовательской команде, а также значительная совместная приборная база делает возможным осуществление поставленной задачи в планируемые три года.

Ожидаемые результаты
Ключевым ожидаемым результатом выполнения проекта станет прототип контрастного агента для контрастно-усиленной эхогистеросальпингографии (ЭхоГСГ), апробированного для дальнейших доклинических испытаний. Создание российского УЗ-контрастного препарата позволит неинвазивно визуализировать и диагностировать причины женского бесплодия (в т.ч. непроходимость маточных труб), а также в дальнейшем позволит решить другие проблемы визуализации при помощи ультразвуковой диагностики с контрастированием. В ходе выполнения проекта будут решены такие задачи, как: получение биосовместимых стабильных микропузырьков; оптимизация структуры с целью достижения мультифункциональности; изучение их физико-химических характеристик, биосовместимости и цитотоксичности на клеточных культурах, а также эффективности контрастирования; оптимизация метода визуализации и контрастирования с использованием разработанной модели женской репродуктивной системы; выбор оптимальной структуры контрастного агента и получение пробной серии образцов; разработка портативного устройства для синтеза микропузырьков в условиях кабинета врача. Таким образом, будет разработан прототип контрастного препарата, метод получения и устройство для его синтеза, что позволит на следующем этапе успешно пройти доклинические и клинические испытания, создать препарат и обеспечить эффективную диагностику методом ЭхоГСГ с контрастированием в условиях каждого лечебно-профилактического учреждения. Подобных материалов на данный момент нет в России как в клинической практике, так и в доклинических исследованиях. Более того, в мире не был представлен мультифункциональный препарат с возможностью ультразвукового контрастирования и визуализации отоакустической микроскопией/компьютерной томографией. Получение такого препарата является очень важным как для науки, так и для биомедицины и фармацевтики, благодаря потенциалу к экономически и клинически эффективной диагностике состояний организма. Дальнейшее развитие этого направления может привести к получению эффективной диагностической системы, не имеющей аналогов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках проекта была изучена возможность производства микропузырьки (МП) с гибридной «белок-сополимер» оболочкой для получения перспективных функциональных агентов для задач репродуктивной медицины. В то время, как известные в практике МП уже используются в клинической практике при ультразвуковых (УЗ) исследованиях, каждый используемый материал обладает своими недостатками, в то время как «гибридная» оболочка может позволить сочетать достоинства каждого материала в одном объекте, снижая влияние недостатков каждого из материалов. Так, были разработаны новые материалы на основе биосовместимого сополимера и белка для формирования микропузырьков и показана их потенциальная применимость в качестве контрастных агентов для диагностики. BSA был введен в структуру оболочки белка аналогично композиции МП используемых в клиниках, а биосовместимый сополимер P(VP-AA) с молекулярной массой 18 кДа использовался в качестве подходящего афмифильного полимера. По данным кислотно-основного титрования мольная доля остатков акриловой кислоты в цепи определена как 9,7 мол.%. Сшитый сополимер винилпирролидона и акриловой кислоты также является новым материалом, разработанным специально для решения поставленной задачи, но может иметь более широкое применение в качестве амфифильного сополимера для задач биомедицины. Введение акриловой кислоты в структуру сополимера позволило получить электростатический комплекс между BSA и P(VP-AA) для дальнейшего формирования МП (что невозможно получить с немодифицированным PVP). Было показано, что даже включение небольшого количества полимера в структуру гибридной «белок-сополимер» оболочки BSA@P(VP-AA) МП может значительно повысить акустическую устойчивость полученных МП по сравнению с белковой оболочкой МП. Проверка концепции показала, что полученный комплекс позволил улучшить такие свойства МП, как концентрация (на два порядка, до 10^10 МП/мл), средний размер (до 5 мкм), толщина оболочки (до 50 нм), что приводит к более высокому выходу МП с большим диаметром и более толстой оболочкой. Увеличение среднего размера продемонстрировало увеличение контраста при УЗ-исследованиях. Улучшенные свойства оболочки позволили нам достичь улучшенной акустической стабильности (7 минут для МП с гибридной оболочкой по сравнению с 2 минутами для белковых МП). МТТ-тест цитотоксичности дополнительно продемонстрировал биосовместимость полученных агентов. Таким образом, был получен прототип эффективного современного не имеющего в России аналогов контрастного агента для УЗИ диагностики на основе амфифильных сополимеров. В дополнение к планируемым исследованиям, нами был разработан уникальный метод рамановской спектроскопии в волокне, позволивший успешно охарактеризовать полученные комплексы «белок-сополимер» и модельные объекты, по результатам работы была опубликована статья в рамках проекта (https://www.mdpi.com/2079-6374/12/1/19). Представленный нами гибридный метод анализа планируется к изучению в применении к задачам гинекологии, что будет реализовано в тесном сотрудничестве с медицинскими партнерами проекта. Выходя за рамки МП, нами были получены нанокапли с белковой оболочкой и ядром, заполненным перфторуглеродами. Жидкое плотное ядро нанокапель при комнатной температуре позволило оптимизировать методы очистки и модификации нанокапель в сравнении с МП. Данные агенты продемонстрировали стабильность и способности к функционализации. Далее нами будет продолжена работа по изучению данных типов УЗ- контрастных агентов. Таким образом, были получены перспективные образцы УЗ- контрастных агентов на основе белков и амфифильных сополимеров, сочетая достоинства материалов в одном объекте за счет «гибридной» оболочки. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на расширении функциональности полученных агентов и апробации в решении актуальных задач диагностики женского бесплодия.

 

Публикации

1. Мердалимова А.А., Рудаковская П.Г., Ерматов Т.И., Смирнов А.С., Косолобов С.С., Скибина Ю.С., Демина П.А., Хлебцов Б.Н., Ященок А.М., Горин Д.А. SERS Platform Based on Hollow-Core Microstructured Optical Fiber: Technology of UV-Mediated Gold Nanoparticle Growth Biosensors, Biosensors 2022, 12, 19. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/bios12010019


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе работы над вторым годом проекта РНФ № 21–73–10254 «Новые функциональные агенты гибридной визуализации на основе амфифильных полимеров для задач репродуктивной медицины» была продолжена работа по масштабированию воспроизводимого синтеза микропузырьков с включением амфифильных полимеров в структуру оболочки как эхоконтрастных агентов ультразвуковой диагностики. В продолжение работы, опубликованной по результатам первого года проекта над микропузырьками с оболочкой типа «белок—сополимер», командой проекта была получена воспроизводимая библиотека микропузырьков на основе бычьего сывороточного альбумина и сополимере N-винилпирролидона и акриловой кислоты с возможностью настраиваемых физико-химических свойств (средний диаметр микропузырьков, концентрация, толщина и эластичность оболочки) и, следовательно, эхоконтрастности. Свойства гибридных микропузырьков контролируются благодаря таким параметрам исходного сополимера, как молекулярная масса и концевая группа, а также благодаря массовым соотношениям белка и сополимера, используемым для синтеза микропузырьков. Также командой проекта был адаптирован зарубежный опыт по получению микропузырьков с полимерной оболочкой на основе поли(винилового спирта) при помощи масштабируемого синтеза в объемах до 50 мл, что в дальнейшем позволить расширить спектр контролируемых свойств микропузырьков со смешанной оболочкой «белок—сополимер» и оптимизировать пути функционализации контрастных агентов с целью достижения мультимодальной визуализации. Высокие концентрации микропузырьков после синтеза позволяют комфортно работать с полученными агентами при выполнении процедур ультразвуковой диагностики. В ходе экспериментов по определению жизнеспособность клеток периферической крови человека (PBMC) в присутствии компонентов оболочки микропузырьков и самих эхоконтрастных агентов, была показана низкая цитотоксичность разрабатываемой платформы. Для дальнейшей апробации эхоконтрастных агентов in vivo, были подобраны концентрации и дозы к введению в хвостовую вену для стабильного контрастирования полученных пузырьков, а также показано in vivo контрастирование сердца крыс с моделированным инфарктом миокарда. Сохранение эхогенных свойств в течение длительного времени (более 5 минут после введения) позволяют сделать вывод о перспективах использования полученных микропузырьков для ультразвуковой диагностики органов. Однако, анатомические особенности малых лабораторных животных ограничивают наши возможности тестирования полученных контрастных агентов на органах женской репродуктивной системы. Поэтому командой проекта был разработан прототип фантома маточных труб, который может быть использован для тестирования контрастных агентов, а также обучения специалистов ультразвуковой диагностики технологии эхогистеросальпингографии (ЭхоГСГ). Прототип имеет размеры и конструкцию близкие к строению женской репродуктивной системы, а также имеет приближенные к реальным органам женской репродуктивной системы размеры и конфигурацию. Используемые материалы для заливки прототипа по плотности и скорости прохождения ультразвука соответствуют тканям маточных труб, визуализируемым с помощью УЗИ, что позволяет получать реалистичное изображение. Также актуальной проблемой работы с эхоконтрастными микропузырьками является контроль их свойств в условиях кабинета врача – а именно, концентрации и химического состава. В продолжение работы первого года проекта нами был разработан портативный сенсор 2-в-1 показателя преломления и комбинационного рассеяния в полых микроструктурированных оптических волокнах для мультикомпонентных коллоидных систем, а именно наноразмерных комплексов бычьего сывороточного альбумина и амфифильного сополимера на основе винилпирролидона и акриловой кислоты, а также соответствующих микропузырьки, заполненные воздухом. Монокомпонентные жидкие растворы белка и сополимера показали линейную зависимость показателя преломления и интенсивности характерного рамановского пика от массовой концентрации. Анализ рамановского рассеяния комплексов и их микропузырьков показал, что изменения интенсивности характерного пика сополимера могут описать взаимодействия между компонентами для образования дисперсионных систем. Анализ показателей преломления многокомпонентных дисперсионных систем демонстрировал четкую линейную зависимость от общей массовой концентрации для всех описанных комплексов, в то время как микропузырьки могут быть обнаружены при концентрациях до 4,0 * 10^8 шт/мл. Таким образом, разработанный 2-в-1 сенсор может быть использован для характеристики многокомпонентных дисперсионных систем, предназначенных для биомедицины.

 

Публикации

1. Естифеева Т.М., Бармин Р.А., Рудаковская П.Г.,Нечаева А.М., Лусс А.Л., Межуев Ю.О., Чернышев В.С., Кривобородов Е.Г., Кли менко О.А., Синдеева О.А., Демина П.А., Петров К.Ш., Чупров-Неточин Р.Н., Федоткина Е.П., Коротченко О.Е., Сенча Е.А., Сенча А.Н. Hybrid (Bovine Serum Albumin)/Poly(N-vinyl-2-pyrrolidone- co-acrylic acid)-Shelled Microbubbles as Advanced Ultrasound Contrast Agents ACS Appl. Bio Mater, 5, 3338−3348 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsabm.2c00331

2. Рудаковская П.Г., Бармин Р.А., Кузьмин П.С. Федоткина Е.П., Сенча А.Н., Горин Д.А. Microbubbles Stabilized by Protein Shell: From Pioneering Ultrasound Contrast Agents to Advanced Theranostic Systems Pharmaceutics, 14, 6, 1236 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14061236

3. - Как микропузырьки помогают диагностировать различные заболевания с помощью обычного УЗИ Платформа Дзен (научный дзен в сколтехе), - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Были получены серии наночастиц золота и наночастиц магнетита различной морфологии. Поверхность наночастиц была стабилизирована бычьим сывороточным альбумином и сополимером поливинилпирролидона и акриловой кислоты, показана эффективная стабилизация поверхности, а как следствие стабильность получаемых наночастиц. Демонстрация возможности стабилизации наночастиц амфифильными полимерами необходима для дальнейшего этапа – включения наночастиц в оболочку контрастных мультифункциональных микропузырьков. 2. Разработана методика включения наночастиц магнетита в структуру микропузырьков на основе комплекса белок-сополимер с целью достижения мультифункциональности: контролируемое движение под действием магнитного поля, мрт. Получены мультифункциональные материалы – микропузырьки на основе альбумина и сополимера поливинилпирролидона с акриловой кислотой 8,5кДа на поверхности которых адсорбированы наночастицы магнетита. Продемонстрирована управляемая магнитная навигация в фантоме, имитирующем сосуд, под действием магнитного поля. 3. Разработана методика включения низкомолекулярных соединений в оболочку микропузырьков на примере спермина – биологически активного вещества. Проведена вариация концентрации спермина от 1:1 до 1:100 мольное соотношение белок:спермин. Получены две серии МП, содержащих как воздух, так и гексафторид серы. С увеличением доли спермина концентрация микропузырьков значительно растет, а замена воздушного газового ядра на гексафторид серы приводит к увеличению стабильности, но уменьшению диаметра микропузырьков. 4. Получены мультимодальные микропузырьки, включающие в структуру альбумин, спермин и фотодинамический краситель. Образование комплексов в структуре оболочки проанализировано теоретически и экспериментально. Полученный материал обладает УЗ-контрастирующими свойствами, антиоксидантными, а также является потенциальным препаратом для фотодинамической терапии, что продемонстрировано на раковых клетках in vitro. 5. Проведены исследования по замене воздуха на элегаз (как газ с большей молекулярной массой/меньшей растворимостью в воде), изучено влияние состава газового ядра на свойства микропузырьков (размер, стабильность, акустический отклик при ультразвуковой визуализации). 6. Продемонстрирована возможность шоковой заморозки образцов с дальнейшим доведением образца до комнатной температуры с сохранением физико-химических свойств: стабильности, ультразвукового отклика, размера, концентрации микропузырьков. 7. Показано отсутсвие влияния микропузырьков на пролиферацию клеток HUVEC и MCF7. 8. Проведено исследование влияния компонентов микропузырьков и самих микропузырьков на жизнеспособность клеток MCF7 при ультразвуковом воздействии. Подобран режим ультразвукового воздействия 0,32 Вт/см2 в течение 15 секунд. 9. Получена библиотека более 60 образцов микропузырьков и проведен анализ физико-химических свойств, акустических и биологических свойств получаемых функциональных материалов, а также поанализированы зависимости приводящие к тем или иным результатам на основании исследования комплексов – основы для синтеза микропузырьков. Результаты дают не только новый материал, использование и разработка которого до препарата даст широкие медицинские возможности, но и помогает ученым лучше понять взаимосвязь между формированием сополимерных наноагрегатов, белково-сополимерных гибридов и газонаполненных микропузырьков на их основе. Таким образом, в ходе работ третьего года были продемонстрированы оптимальный образец-лидер микропузырьков с гибридной оболочкой типа «белок-сополимер» - на основе альбумина и сополимера поливинилпирролидона с акриловой кислотой, октиловым углеводородным фрагментом, молекулярной массой 8,5кДа и в соотношении 5:1, и с воздушным ядром. Использование данного материала для дальнейших исследований и применений в контраст-усиленной ультразвуковой диагностике является перспективным. Также была продемонстрирована возможность включения в оболочку микропузырьков малых молекул, наночастиц золота, магнетита с целью достижения мультифункциональности: для терапии, оптоакустической и МРТ визуализации.

 

Публикации

1. Мердалимова А., Бармин Р., Воробьев В., Александров А., Терентьева Д., Естифеева Т., Чернышев В., Герман С., Маслов О., Скибина Ю., Рудаковская П., Горин Д. Two-in-One Sensor of Refractive Index and Raman Scattering using Hollow−Core Microstructured Optical Waveguides for Colloid Characterization Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 10.1016/j.colsurfb.2023.113705 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2023.113705

2. Мердалимова А., Воробьев В., Занишевская А., Перевощиков С., Александров А., Рудаковская П., Скибина Ю., Тучин В., Горин Д. Hollow-core microstructured optical fibers and their applications for biosensing Elsevier, London, Specialty Optical Fibers: Materials, Fabrication Technology, and Applications, 2024, страницы 431–473 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/B978-0-443-18495-6.00012-3

3. Сенча А.Н., Су Линь, Пеняева Э.И., Тухбатуллин М.Г., Зубарева Е.А., Тимофеева Е.А., Патрунов Ю.Н., Бармин Р.А., Рудаковская П.Г. Узи - от начального до продвинутого (перевод с китайского) Springer, Пекин, Пресса по науке и технологиям, 240с., Springer, Пресса по науке и технологиям, 240с. (год публикации - 2023)


Возможность практического использования результатов
Одной из основных стратегий НТР РФ является переход к высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, и данный проект направлен непосредственно на достижение этих целей. Проблемы репродуктивной медицины являются важными и актуальными, т.к. решение демографического вопроса является одной из ключевых задач современной России. Поиск и устранение проблем в сфере репродуктивного здоровья является важной ступенью в переходе к современному уровню медицины. Трубно-перитонеальный фактор бесплодия, нарушение проходимости маточных труб, занимает ведущее место среди всех причин женского бесплодия, составляя от 30 до 50%. В ходе данного проекта создан прототип контрастного агента для контраст-усиленной ультразвуковой диагностики, в т.ч. более узкой задачи: контраст-усиленной эхогистеросальпингографии (ЭхоГСГ). Следующий этап – переход к доклиническим и клиническим испытаниям. На данный момент в этом есть заинтересованность у фарм компании Р-фарм. На данный момент на территории РФ к клиническому использованию одобрен только один контрастный агент («Соновью»), возможности использования которого для ультразвуковой визуализации полостей не сертифицированы; а агенты аналоги в России не производят, а Соновью не поставляют в Россию. Использование нового контрастного агента позволит неинвазивно оценивать причины женского бесплодия с использованием безопасных биосовместимых материалов, что позволит вовремя и эффективно проводить лечение. Результаты разработки российского мультифункционального контрастного агента могут быть в дальнейшем использованы для более широкого круга задач гибридной визуализации. Также поиск нового контрастного агента позволит снизить токсический эффект клинически используемых процедур. Подобных материалов на данный момент нет в России как в клинической практике, так и в доклинических исследованиях. Более того, в мире не был представлен коммерчески-доступный мультифункциональный препарат с возможностью ультразвукового контрастирования. Таким образом, проведенные разработки являются интересными не только для фундаментальной науки, но и для практического применения.