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 22-73-00038

НазваниеСоздание фундаментальных основ разработки композиционных материалов на основе систем полимер-модифицирующая добавка-белковая молекула для регенеративной медицины

РуководительТюбаева Полина Михайловна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2024

Конкурс№70 - Конкурс 2022 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, 03-302 - Структура и свойства полимеров, многокомпонентных полимерных систем

Ключевые словаПолукристаллические полимеры, полиоксиалканоаты, природные и синтетические металлопорфирины, электроформование, волокнистые материалы для регенеративной медицины, фибрин, гемостаз, пролонгированное высвобождение лекарственных средств, фибриновый матрикс

Код ГРНТИ31.27.15

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Заживление ран - сложный, но организованный процесс, включающий гемостаз, воспаление, образование новых тканей и ремоделирование. Однако, в случаях, когда раны покрывают большую площадь поверхности, инфицируются или возникают у пациентов с диабетом или пожилых людей, процесс регенерации может задерживаться и приводить к осложнениям. Несмотря на обилие методов лечения ран и создание новых типов перевязочных средств, во многих случаях эффективность лечения оказывается недостаточной. В настоящее время большой интерес представляет ряд научных исследований, посвященных комбинации белков организма и биосовместимых полимеров природного происхождения: комбинация фибробластов соединительной ткани и полигидроксибутирата, полилактида и др. [1, 2, 3]. В мире активно разрабатываются способы создания “интеллектуальных” полимерных носителей белковых молекул для использования в специфических областях регенеративной медицины [4, 5, 6, 7]. Существует широкий перечень требований, предъявляемых к таким носителям белковой молекулы, удовлетворяют которые прежде всего биосовместимые полимеры природного происхождения и композиты на их основе, подтвердившие свою эффективность в биомедицине, в частности в вопросах ранозаживления, создания имплантов, матриксов и клеточных каркасов. Конкурирующие научные исследования в области комбинации биосовместимого полимера и белков достаточно специфичны, сосредоточены на прикладных аспектах, поэтому проблема разработки фундаментального подхода в методологии нанесения и закрепления белка на поверхности полимера-носителя при условии создания антимикробного эффекта всей системы остается открытым. Проект направлен на развитие новой тематики по созданию ранозаживляющих биополимерных систем. Впервые будут рассмотрены фундаментальные аспекты создания многокомпонентной системы полимер-функциональная добавка-белковая молекула, а также пути решения ключевых проблем, возникающих при создании такого биомедицинского композита. Данные фундаментальные аспекты позволят разработать подход к созданию матриц-носителей различных активных веществ, что открывает новые возможности для регенеративной медицины и инженерии медицинских покрытий. Предлагаемый в заявке способ ковалентной свободнорадикальной иммобилизации белков может быть использован для решения целого ряда биомедицинских задач, связанных с созданием покрытий или пленок на основе самого широкого спектра белков. Более того, созданные белковые покрытия будут характеризоваться сохранением белками исходных функциональных свойств. Также можно предполагать, что при реализации предлагаемого способа удастся избежать использования токсичных агентов, не рекомендованных для использования при изготовлении материалов медицинского назначения; дорогостоящих агентов сшивания (трансглутаминаз). Перечень белков, применяемых, в регенеративной медицине ежегодно расширяется, открывая новые возможности для создания персонифицированных медицинских средств. Особое внимание в этих исследованиях уделяется фибриногену. Фибрин, образующийся из фибриногена плазмы крови под действием фермента тромбина, играет ключевую роль в регенерации ран организма. Фибрин является конечным продуктом каскада свертывания крови и естественным образом участвует в процессе заживления ран. Помимо своей роли в гемостазе, он действует как локальный резервуар для факторов роста и как временная матрица для клеток крови, которые управляют процессом регенерации. Его уникальные свойства не только способствуют заживлению ран, но также могут быть использованы как система доставки за счет пролонгированного высвобождения биомолекул, клеток и генных векторов, заключенных в матрице геля. В современной клинической практике фибрин широко используется для поддержки заживления ран в виде клея, геля или герметика, засеянного дермальными фибробластами. Однако фибриновый каркас в качестве самоподдерживающейся матрицы для клеток имеет слабую механическую прочность и высокую скорость разложения. Многочисленные фундаментальные исследования структуры фибринового сгустка, образующейся под действием различных факторов, в том числе проводившиеся коллективом авторов заявки, показали, что модификации фибриногена могут сильно изменять морфологию и физические свойства фибринового геля, а также скорость фибринолиза (под действием плазмина). Эти фундаментальные исследования дали основу для предположения о возможности получения фибриновой сети с управляемыми характеристиками. В случае подтверждения этого предположения в ходе работы над данным проектом, представляется возможным решить многие проблемы, связанные с использованием фибрина для целей регенеративной медицины. ____ [1] Rasal, R. M., Janorkar, A. V., & Hirt, D. E. (2010). Poly(lactic acid) modifications. Progress in Polymer Science, 35(3), 338–356. doi:10.1016/j.progpolymsci.2009.12.003 [2] Khanna, S., & Srivastava, A. K. (2005). Recent advances in microbial polyhydroxyalkanoates. Process Biochemistry, 40(2), 607–619. doi:10.1016/j.procbio.2004.01.053 [3] Żywicka, B., Krucińska, I., Garcarek, J., Szymonowicz, M., Komisarczyk, A., & Rybak, Z. (2017). Biological Properties of Low-Toxic PLGA and PLGA/PHB Fibrous Nanocomposite Scaffolds for Osseous Tissue Regeneration. Evaluation of Potential Bioactivity. Molecules, 22(11), 1852. doi:10.3390/molecules22111852 [4] Salvatore, L., Carofiglio, V. E., Stufano, P., Bonfrate, V., Calò, E., Scarlino, S., Madaghiele, M. (2018). Potential of Electrospun Poly(3-hydroxybutyrate)/Collagen Blends for Tissue Engineering Applications. Journal of Healthcare Engineering, 2018, 1–13. doi:10.1155/2018/6573947 [5] Ye, Kuang, You, Morsi, & Mo. (2019). Electrospun Nanofibers for Tissue Engineering with Drug Loading and Release. Pharmaceutics, 11(4), 182. doi:10.3390/pharmaceutics11040 [6] Veronese, F. M., & Pasut, G. (2005). PEGylation, successful approach to drug delivery. Drug Discovery Today, 10(21), 1451–1458. doi:10.1016/s1359-6446(05)03575-0 [7] Gagliardi M, Borri C. Polymer Nanoparticles as Smart Carriers for the Enhanced Release of Therapeutic Agents to the CNS. Curr Pharm Des. 2017;23(3):393-410. doi: 10.2174/1381612822666161027111542. PMID: 27799038.

Ожидаемые результаты
В результате проведения инициативного проекта по созданию фундаментальных основ разработки композиционных материалов для регенеративной медицины на основе биосовместимых полимеров и белковых молекул будут разработаны и сформулированы основные подходы к созданию и направленному дизайну эффективных композиционных полимерных материалов с заданными свойствами, обеспечивающие регенеративный эффект. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, позволят определить наиболее перспективные способы создания биоактивных биорезорбируемых материалов для регенеративной медицины и, следовательно, определить вектор дальнейшего развития научной тематики. Сегодня в мире активно разрабатываются ранозаживляющие материалы с учетом необходимости одновременно обеспечивать восстановление поврежденных тканей организма и восстановление барьерной функции. Такие материалы реализованы в формах пленок, пен, нетканых материалов, гидрогелей [1], однако многие из них сталкиваются c труднопреодолимой проблемой эффективного антимикробного эффекта, не препятствующего ранозаживлению. Большое социальное и экономическое значение имеет создание антимикробных материалов для регенеративной медицины, позволяющее эффективно заживлять различные виды ран, независимо от их типа [2]. Отдельные исследовательские группы уже добились впечатляющих результатов в области создания эффективных ранозаживляющих материалов для заживления инфицированных ран благодаря созданию композитов полимеров и наночастиц, а также металлсодержащих молекулярных комплексов [3, 4, 5, 6, 7, 8] и белковых молекул [9, 10, 11,12], однако, вопрос повышения их эффективности остается актуальным. Ключевые результаты, которые будут положены в основу концепции создания ранозаживляющих материалов: - будут предложены модельные системы, описывающие наиболее распространенные типы полимерных матриц (частично кристаллические биоразлагаемые и биосвместимые полимеры природного происхождения); - будут исследованы важнейшие характеристики структуры и морфологии полимерных матриц, наиболее пригодных для изготовления ранозаживляющих повязок; - будут предложены модифицирующие антимикробные добавки природного и синтетического происхождения, способные обеспечивать контроль важнейших свойств полимера (комплексы тетрафенилпорфирина, многослойные углеродные нанотрубки, наночастицы металлов, ферменты); - будут разработаны эффективные методы получения полимерных нетканых материалов, введения функциональных добавок и закрепления белковых молекул-активаторов ранозаживления на поверхности и в структуре материала; - будут установлены общие и частные закономерностей влияния структуры ранозаживяющего материала на скорость ранозаживления; - будут формализованы и объединены ключевые параметры, значимые для создания эффективных биосовместимых, антимикробных материалов с регулируемыми эксплуатационными характеристиками и контролируемой скоростью биоразложения. Таким образом, в результате выполнения исследований в рамках данного проекта будут разработаны и сформулированы основные подходы к созданию и направленному дизайну эффективных нанокомпозиционных полимерных материалов с заданными свойствами, включая материалы биомедицинского назначения с антимикробными свойствами. ___ [1] Han, G., & Ceilley, R. (2017). Chronic Wound Healing: A Review of Current Management and Treatments. Advances in Therapy, 34(3), 599–610. doi:10.1007/s12325-017-0478-y [2] Velnar, T., Bailey, T., & Smrkolj, V. (2009). The Wound Healing Process: An Overview of the Cellular and Molecular Mechanisms. Journal of International Medical Research, 37(5), 1528–1542. doi:10.1177/147323000903700531 [3] Saddik MS, Elsayed MMA, El-Mokhtar MA, Sedky H, Abdel-Aleem JA, Abu-Dief AM, Al-Hakkani MF, Hussein HL, Al-Shelkamy SA, Meligy FY, Khames A, Abou-Taleb HA. Tailoring of Novel Azithromycin-Loaded Zinc Oxide Nanoparticles for Wound Healing. Pharmaceutics. 2022 Jan 5;14(1):111. doi: 10.3390/pharmaceutics14010111 [4] Bandeira M, Chee BS, Frassini R, Nugent M, Giovanela M, Roesch-Ely M, Crespo JDS, Devine DM. Antimicrobial PAA/PAH Electrospun Fiber Containing Green Synthesized Zinc Oxide Nanoparticles for Wound Healing. Materials (Basel). 2021 May 27;14(11):2889. doi: 10.3390/ma14112889 [5] Khan, S.T.; Musarrat, J.; Al-Khedhairy, A.A. Countering drug resistance, infectious diseases, and sepsis using metal and metal oxides nanoparticles: Current status. Colloids Surf. B Biointerfaces 2016, 146, 70–83 [6] Babushkina, I.V.; Gladkova, E.V.; Belova, S.V.; Norkin, I.A. Application of Preparations Containing Copper Nanoparticles for the Treatment of Experimental Septic Wounds. Bull. Exp. Biol. Med. 2017, 164, 162–164 [7] Kwiatkowska, A.; Granicka, L.H.; Grzeczkowicz, A.; Stachowiak, R.; Ba ̨cal, P.; Sobczak, K.; Darowski, M.; Kozarski, M.; Bielecki, J. Gold Nanoparticle-Modified Poly(vinyl chloride) Surface with Improved Antimicrobial Properties for Medical Devices. J. Biomed. Nanotechnol. 2018, 14, 922–932. [8] Vijayakumar, V.; Samal, S.K.; Mohanty, S.; Nayak, S.K. Recent advancements in biopolymer and metal nanoparticle-based materials in diabetic wound healing management. Int. J. Biol. Macromol. 2019, 122, 137–148. [9] Akhmetova A, Heinz A. Electrospinning Proteins for Wound Healing Purposes: Opportunities and Challenges. Pharmaceutics. 2020 Dec 22;13(1):4. doi: 10.3390/pharmaceutics13010004 [10] Agarwal Y, Rajinikanth PS, Ranjan S, Tiwari U, Balasubramnaiam J, Pandey P, Arya DK, Anand S, Deepak P. Curcumin loaded polycaprolactone-/polyvinyl alcohol-silk fibroin based electrospun nanofibrous mat for rapid healing of diabetic wound: An in-vitro and in-vivo studies. Int J Biol Macromol. 2021 Apr 15;176:376-386. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2021.02.025 [11] Homaeigohar, S.; Boccaccini, A.R. Antibacterial biohybrid nanofibers for wound dressings. Acta Biomater. 2020, 107, 25–49 [12] Chu B, He JM, Liu LL, Wu CX, You LL, Li XL, Wang S, Chen CS, Tu M. Proangiogenic Peptide Nanofiber Hydrogels for Wound Healing. ACS Biomater Sci Eng. 2021 Mar 8;7(3):1100-1110. doi: 10.1021/acsbiomaterials.0c01264

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---