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 22-73-10052

НазваниеМультимодальные плазмонные метки для биовизуализации и лечебной гипертермии

РуководительСоловьева Елена Викторовна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 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, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словаплазмоника, биовизулизация, гигантское комбинационное рассеяние, флуоресцентная микроскопия, оптические метки, наночастицы, золото, лечебная гипертермия, фотодинамическая терапия, тераностика

Код ГРНТИ31.15.29

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оптические агенты, используемые в настоящее время для биовизуализации раковых клеток, не всегда обладают достаточной светимостью, диапазон их сигнала зачастую приходится на видимый спектр, в котором значимо поглощение и рассеяние света окружающими здоровыми тканями. Кроме того, известные оптические агенты биовизуализации, прежде всего флуоресцентные метки, как правило, работают в одномодальном режиме, т.е. подходят только для одного метода диагностики. В совокупности это значительным образом снижает качество получаемых изображений, делает невозможным их использование для визуализации малых скоплений раковых клеток и очертаний опухолей, расположенных на глубине. Кроме того, существующие молекулярные оптические метки, не обладают заметной теплоотдачей при фотовоздействии и, соответственно, не могут быть использоваться в целях лечебной гипертермии, хотя и селективно локализуются в области злокачественных новообразований. Настоящий проект направлен на разработку бимодальных плазмонных меток для флуоресцентной томографии и картирования тканей методом гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) с использованием медицинских лазеров 633 и 785 нм. По результатам проекта будут получены системы типа «ядро-оболочка» на основе наночастиц золота, модифицированных флуорофорами и векторами доставки, имеющие интенсивный оптический отклик в области прозрачности биологических тканей. Для полученных систем будут проведены биологические испытания на отдельных клеточных линиях, изучены их цитотоксичность, эндоцитоз, проведены эксперименты по флуоресцентной биовизуализации, ГКР картированию и лазерно-индуцированной гибели. Разработанные метки обеспечат возможность проведения диагностики биотканей двумя независимым методами с использованием одного контрастного агента, что значительно повысит чувствительность и точность обнаружения раковых клеток. Высокая теплоотдача плазмонных меток позволит решить существующую проблему локализованного проведения гипертермальной терапии. Внедрение бимодальных оптических меток с расширенной функциональностью в современные медицинские технологии в целом будет способствовать улучшению эффективности диагностики и лечения злокачественных новообразований и будет обладать несомненной практической значимостью и для экономической, и для социальной сферы Российской Федерации.

Ожидаемые результаты
Главным результатом выполнения проекта будут экспериментальные образцы мультимодальных, биосовместимых, таргетно направленных оптических меток на основе плазмонных наночастиц, которые позволят проводить биовизуализацию раковых клеток с помощью двух независимых инструментариев (люминесцентной томографии и гигантского комбинационного рассеяния света) с использованием широко распространенных медицинских лазеров 633 и 785 нм, а также решат проблему локализованного проведения гипертермальной терапии. В рамках достижения главного результата проекта будут получены следующие конкретные научные результаты: - будут получены системы типа «ядро-оболочка» на основе наночастиц золота, модифицированных флуорофорами и векторами доставки, имеющие интенсивный сигнал гигантского комбинационного рассеяния и флуоресценции в области прозрачности биологических тканей. - будут исследованы оптические свойства плазмонных систем типа «ядро-оболочка», подобраны условия для достижения оптимального баланса между флуоресцентным и ГКР откликом при работе в бимодальном режиме. - будут проведены испытания эффективности разработанных оптических меток в отношении флуоресцентной и ГКР биовизуализации раковых клеток и гипертермального воздействия на них на примере исследования отдельных клеточных линий. Результаты проекта будут полностью соответствовать мировому уровню исследований. Концепция разрабатываемых меток и заложенный подход к их получению, оптическим исследованиям и апробации отвечают передовому научному опыту. Эффективные оптические агенты чрезвычайно востребованы современной медициной, поэтому разработанные плазмонные метки будут иметь перспективу практического внедрения в ближайшем будущем. Внедрение бимодальных оптических меток с расширенной функциональностью в современные медицинские технологии будет способствовать улучшению эффективности диагностики и лечения злокачественных новообразований и будет обладать несомненной практической значимостью и для экономической, и для социальной сферы Российской Федерации.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Создание средств визуализации и одновременного фото- и термовоздействия на раковые клетки является значимой научной проблемой. Настоящий проект посвящен разработке бимодальных оптических меток для биовизуализации раковых клеток методами флуоресцентной и КР микроскопии, позволяющих одновременно проводить локализованную гипертермальную терапию с использованием медицинских лазеров 633 и 785 нм. По результатам первого этапа проекта разработаны бимодальные метки на основе анизотропных наночастиц золота с максимумом полосы поглощения от продольной моды локализованного плазмонного резонанса в области 720-760 нм. Конкретными составляющими созданных оптических меток являются: наночастицы золота стержневидной формы, производные цианина 5.5, оболочка из биосовместимых материалов (оксид кремния, полиэлектролиты) и модельный вектор доставки – фолиевая кислота. За первый год проекта получен широкий набор меток по типу «ядро-оболочка», отличающихся аспектным соотношением золотого ядра, составом оболочки, положением хромофора в ней и способом иммобилизации хромофора (ковалентная конъюгация, электростатическая адсорбция и однореакторная инкорпорация). Все системы охарактеризованы методами просвечивающей электронной микроскопии, динамического светорассеяния, спектроскопии поглощения. Спектральные исследования меток методами Гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) и флуоресцентной спектроскопии выполнены как для коллоидных растворов, так и для инкубированных клеточных образцов. Путем вариации структуры и состава меток подобраны оптимальные параметры, при которых метки способны работать в бимодальном режиме, что продемонстрировано полученными люминесцентными и КР изображениями клеточных образцов. Отказ от ковалентной конъюгации красителя и его расположение на расстоянии 2-3 нм от ядра являются ключевыми факторами достижения бимодальности. Биологические испытания, проведенные на клеточных линиях HeLa, PANC-1, HEP G2, показали, что разрабатываемые метки на основе наночастиц золота претерпевают эндоцитоз вне зависимости от морфологии ядра и материала покрытия и находятся в везикулах, которые локализованы в цитоплазме. Тесты на цитотоксичность показали, что метки не токсичны в диапазоне концентраций по атомарному золоту вплоть до 5 мг/л. По результатам количественной оценки эндоцитоза определено, что поглощение клетками полученных меток с оболочкой из полиэлектролитов и поверхностью, модифицированной фолиевой кислотой, составляет 40-60% от исходной концентрации. Результаты работы в целом свидетельствуют о высоком биомедицинском потенциале разрабатываемых меток. По результатам выполнения 1 этапа проекта опубликовано 4 статьи, индексируемые в Scopus и WoS, из которых 3 опубликованы в журналах с квартилем Q1, подготовлено 4 устных и 3 стендовых доклада на международных и всероссийских конференциях.

 

Публикации

1. Свинко В.О., Смирнов А.Н., Шевчук А.И., Деменьшин А.И., Смирнов А.А., Соловьева Е.В. Comparative study of fluorescence core-shell nanotags with different morphology of gold core Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 226, 113306 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2023.113306

2. Свинко В.О., Шевчук А.И., Смирнов А.Н., Макеева Д.В., Соловьева Е.В. Оптические метки на основе золотых нанозвезд для ГКР-картирования тканей с использованием красных медицинских лазеров Оптика и Спектроскопия, том 130, вып. 10, с. 1590-1595 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21883/OS.2022.10.53631.3709-22

3. Смирнов А.Н., Асланов С.Ф., Данилов Д.В., Курапова О.Ю., Соловьева Е.В. Solovyeva, One-Pot Synthesis of Silica-Coated Gold Nanostructures Loaded with Cyanine 5.5 for Cell Imaging by SERS Spectroscopy Nanomaterials, 13, 1267 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/nano13071267

4. Шевчук А.И., Свинко В.О., Смирнов А.Н., Соловьева Е.В. SERS study of cyanine dyes: optimization of metal core and molecular label choice for plasmonic nanotags Dyes and Pigments, 216, 111329 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2023.111329

5. - Более 250 победителей Президентской программы РНФ приняли участие в Школе Фонда на Конгрессе молодых ученых Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )