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 19-73-10134

НазваниеНовое поколение электрохимически активных материалов для (био)сенсоров для медицинской диагностики на основе полифункциональных макроциклов, производных фенотиазина и биомолекул

РуководительПадня Павел Леонидович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2024

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые словатиакаликс[4]арены, функционализация макроциклов, самосборка, бионаноматериалы, супрамолекулярная химия, фенотиазины, электрохимические сенсоры, биосенсоры, аминокислоты, белки.

Код ГРНТИ31.21.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Несвоевременное оказание медицинских услуг, вызванное потребностью в транспортировке пациента в специализированное учреждение и проведении время- и зачастую ресурсозатратного анализа, является одной из причин формирования нового подхода к технологиям здоровьесбережения в РФ. Проведение своевременной диагностики является необходимым условием для повышения уровня оказываемых медицинских услуг. Общемировая тенденция по переходу к персонализированной медицине подчеркивает актуальность создания новых компактных, интуитивно понятных, чувствительных и экспрессных средств диагностики. Наиболее распространенным примером таких устройств являются глюкометры, доказавшие свою практическую состоятельность в анализе крови. Чувствительность и селективность разрабатываемых устройств в первую очередь зависит от используемых при их конструировании материалов – модификаторов поверхности электрода. По сей день актуальной остается проблема создания материалов, обеспечивающих оптимальную иммобилизацию биокомпонентов и распознавание аналитов. Зачастую предлагаемые соединения и подходы обладают прекрасными характеристиками связывания биокомпонентов, но полностью или частично блокируют поверхность преобразователя сигнала, затрудняя преобразование химического сигнала распознавания в более доступный электрический. В таком случае приходится прибегать к введению в состав материала дополнительных компонентов, к примеру, электропроводящих наночастиц металлов, которые ухудшают биосовместимость материала. Формирование модифицирующих покрытий биосенсоров, обеспечивающих чувствительность и селективность определения, а также генерацию аналитического сигнала, является актуальной научной проблемой, на решение которой направлен представленный Проект. Для решения этой проблемы предлагается использовать междисциплинарный подход, сочетающий возможности органической химии (синтез новых производных фенотиазина и тиакаликс[4]арена, содержащих заряженные группы), супрамолекулярной химии (изучение ассоциации синтезированных соединений и биомолекул) и аналитической химии (конструирование электрохимических сенсоров). На основании имеющегося у научного коллектива опыта в области синтеза редокс-активных производных фенотиазина и макроциклов, содержащих полярные гидрофильные группы, конструирования супрамолекулярных систем, включающих биомолекулы, а также навыков по подбору оптимальных условий переноса синтезированных материалов на поверхность электрохимических преобразователей сигнала предполагается конструирование сенсоров с использованием подхода по одностадийному переносу трехкомпонентных систем на поверхность электрода. Также с применением новых противоположно заряженных производных фенотиазина и макроциклов будет проведено исследование двухкомпонентных электронейтральных систем с точки зрения их редокс-активности и склонности к электрополимеризации в сравнении с однокомпонентными системами как в гомогенных, так и в гетерогенных условиях. Формирование двухкомпонентных систем на основе фенотиазина будет улучшать процесс сорбции этих сигналобразующих соединений на поверхности электрода, и влиять на распределение зарядов в поверхностном слое за счет изменения заряженных биокомпонентов при иммобилизации, их повреждении или протекании процессов распознавания аналита. К конкурентным преимуществам предлагаемых соединений и систем относятся их гидрофильность и редокс-активность, которые не только облегчают проникновение низкомолекулярных соединений – аналитов, в состав распознающего слоя биосенсора, но и позволяют проводить анализ с использованием диффузионно свободных индикаторов в водных растворах. Использование мультивалентных производных тиакаликсарена, замещенных заряженными группами, позволит проводить предварительную самосборку супрамолекулярных систем и обеспечит дополнительные возможности по связыванию биомолекул с целью дальнейшего формирования модифицирующего слоя электродов.

Ожидаемые результаты
Будут разработаны протоколы синтеза новых мультивалентных макроциклических производных на основе тиакаликс[4]арена, содержащих разное количество (четыре или восемь) заряженных групп. Будут определены характеристики самосборки двух- и трехкомпонентных супрамолекулярных систем на основе производных тиакаликсарена, фенотиазина и заряженных биомолекул (ДНК) в водных и органических средах. Выполнение макроциклом функций узла для электростатической координации редокс-активных соединений и, одновременно, введение в его состав заместителей с донорами и/или акцепторами водородных связей и п-п взаимодействий позволит повысить чувствительность формируемых супрамолекулярных систем к изменению распределения зарядов, как отклика на процесс биоспецифического распознавания. Гидрофильность полученных модифицирующих покрытий биосенсоров обеспечит преимущества предложенных материалов в результате сохранения условий электронного обмена и диффузии аналитов. Будут получены результаты электрохимического исследования новых двухкомпонентных систем на основе противоположно заряженных производных фенотиазина и макроциклов и в гомогенных (в растворе), и в гетерогенных условиях (на границе раздела электрод – раствор). Электрохимическими методами будет охарактеризовано влияние заместителей фенотиазина и макроцикла на редокс-активность супрамолекулярных систем. Будут выявлены критерии переноса изучаемых соединений на поверхность электрода. Будет изучено изменение электрохимического поведения двухкомпонентных систем фенотиазинов при протекании процессов иммобилизации заряженных биокомпонентов и процессов биоспецифического распознавания с их участием. Будут установлены закономерности между составом модифицирующего покрытия и характеристиками распознавания аналитов с помощью разработанных биосенсоров. Предлагаемые подходы к формированию модифицирующего покрытия электродов, включая сорбцию редокс-активного компонента и макроцикла, обеспечивающего оптимальные условия иммобилизации биокомпонента, позволят повысить чувствительность и улучшить операционные характеристики разрабатываемых электрохимических сенсоров. Исследования, планируемые к проведению, по своему объему, применяемым подходам и потенциальным результатам являются междисциплинарными, а также соответствуют мировому уровню, поскольку результаты подобных работ публикуются в высокорейтинговых журналах. Разрабатываемые устройства в перспективе смогут внести вклад в формирование научного и технологического задела для облегчения перехода к персонализированной медицине согласно Стратегии НТР РФ. Дальнейшее совершенствование предложенных решений поможет повысить уровень оказываемых медицинских услуг и обеспечить социальное развитие РФ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработаны оригинальные методики получения новых производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-альтернат, содержащих по нижнему ободу четыре карбоксильных фрагмента. Разработанная методика заключается в ацилировании производных тиакаликсарена, содержащих N-(аминоалкил)амидные фрагменты, янтарным или дигликолевым ангидридом, и позволяет получать целевые макроциклы с высокими выходами. Был получен ряд тиакаликс[4]аренов, содержащих по нижнему ободу амидные и карбоксильные группы, а также ряд натриевых солей данных тиакаликсаренов. Оптимизирована методика получения производных тиакаликс[4]арена, содержащих восемь карбоксильных фрагментов (в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-альтернат), что привело к уменьшению синтетических стадий и увеличению выходов реакции. С помощью метода динамического светорассеяния установлено, что синтезированные производные тиакаликс[4]арена, содержащие четыре карбоксилатных фрагмента, в фосфатном буферном растворе (pH=7.4) образуют полидисперсные системы с субмикронными частицами. В результате замены бромид-анионов на бис(трифторметилсульфонил)имид-ионы в синтезированных в рамках выполнения Проекта 2019 водорастворимых четвертичных аммониевых производных тиакаликс[4]арена, содержащих остатки глицина и фенилаланина, получены низкоплавкие макроциклические ионные жидкости. Были установлены размерные характеристики агрегатов, образующихся в результате самоассоциации в воде различно замещённых производных тиакаликс[4]арена, содержащих один флуоресцеиновый фрагмент на нижнем ободе макроцикла. Было установлено, что полученные соединения в конфигурации конус способны проникать в клетки аденокарциномы легкого человека и аденокарциномы двенадцатиперстной кишки человека (HuTu-80 и A549 IC50 = 21.83–49.11 мкг/мл). Были получены двухкомпонентные редокс-активные системы на основе симметричных производных фенотиазина, содержащих противоположно заряженные фрагменты (аминированный 3,7-бис(4-аминофениламино)фенотиазин-5-ий хлорид PhTz-(NH2)2, сульфонатный 3,7-бис(4-сульфофениламино)фенотиазин-5-ий хлорид PhTz-(SO3H)2 и карбоксильный 3,7-бис(4-карбоксифениламино)фенотиазин-5-ий хлорид PhTz-(COOH)2). Установлено, что в фосфатном буфером растворе (рН=7.4) в случае системы PhTz-(COOH)2 + PhTz-(NH2)2 (1:1) при концентрации 1×10-6 М образовывались частицы с размером 543 нм и индексом полидисперсности (ИПД) = 0.27; в случае системы PhTz-(SO3H)2 + PhTz-(NH2)2 (1:1) при концентрации 1×10-5 М – субмикронные частицы (1.2-2.6 мкм) с ИПД = 0.41. Показано, что при других соотношениях компонентов смеси и концентрациях данных компонентов образуются преимущественно полидисперсные системы. При использовании в качестве растворителя смеси буфера Бриттона-Робинсона (рН=7) с ацетонитрилом (1:1) были получены монодисперсные системы (1325–2141 нм, ИПД = 0.07–0.15) на основе соединения PhTz-(COOH)2 и двухкомпонентных смесей (PhTz-(SO3H)2 + PhTz-(NH2)2 и PhTz-(COOH)2 + PhTz-(NH2)2) при концентрации каждого компонента 1×10-4 М. Проведены анализ и систематизация литературных данных, а также обобщение синтетической части Проекта 2019 по разработке методик синтеза и применения 3,7-замещенных производных фенотиазина – синтетических аналогов Метиленового синего. Проведено электрохимическое исследование двухкомпонентных редокс-систем на основе производных фенотиазина в гомогенных и гетерогенных условиях. Установлено протекание квазиобратимых электродных реакций с участием фенотиазинов PhTz-(NH2)2, PhTz-(COOH)2 и PhTz-(SO3H)2, находящихся как в растворе, так и на поверхности электрода. В гомогенных условиях выявлена диффузионная природа лимитирующей стадии электродного процесса в составе двухкомпонентных смесей, что указывает на отсутствие процессов сорбции соединений и их ассоциатов. Следует отметить, что два производных, содержащих электроноакцепторные группы, по-разному влияли на электрохимию PhTz-(NH2)2. Выявлено упрощение процесса окисления аминированного производного при добавлении PhTz-(COOH)2, что выражалось в сдвиге пары пиков в область отрицательных потенциалов. В случае сульфопроизводного зарегистрировано осложнение процесса электроокисления, приводящее к слиянию сигналов PhTz-(NH2)2 и PhTz-(SO3H)2 на вольтамперограммах. Рассчитаны кинетические параметры электродных реакций; значительных изменений в величине гетерогенной константы скорости при переходе от индивидуальных соединений к их бинарным смесям не наблюдалось. Однако, формирование двухкомпонентных смесей приводило к увеличению перенапряжения реакции электровосстановления аминированного производного, о чем свидетельствует снижение коэффициента переноса до 0.44 по сравнению с индивидуальным соединением (α = 0.52). Разработан способ модификации поверхности стеклоуглеродного электрода двухкомпонентными редокс-системами, предполагающий последовательное нанесение углеродной черни и растворов фенотиазинов. Получены зависимости, связывающие продолжительность инкубирования модифицированного электрода в водном растворе ДНК с изменением электрохимических характеристик редокс-активных покрытий. Зарегистрировано практически полное подавление пиков аминированного производного и двукратное снижение токов сульфопроизводного после проведения 20 минутного инкубирования электрода в растворе биополимера. Помимо этого, зарегистрировано увеличение разницы потенциалов пиков фенотиазинов, содержащих отрицательно заряженные фрагменты, что свидетельствует об ухудшении условий электронного обмена после иммобилизации ДНК. Последующее 10 минутное инкубирование ДНК-сенсора в 1 мкМ растворе противоракового препарата доксорубицина приводило к дальнейшему снижению регистрируемых токов. Разработан электрохимический ДНК-сенсор на основе производного фенотиазина PhTz и тиакаликс[4]аренов, содержащих четыре карбоксильные группы. Электрохимические свойства модифицирующего покрытия и эффективность иммобилизации ДНК варьировались при изменении соотношения компонентов на стадии электросинтеза и конфигурации макроцикла. Наибольший вклад был зарегистрирован для системы с мольным соотношением 1:1, содержащей макроцикл в конфигурации 1,3-альтернат. Сконструированный ДНК-сенсор подвергали 20 минутному инкубированию в растворе доксорубицина. Диапазон определяемых концентраций составил от 3 пМ до 1 нМ интеркалятора с пределом обнаружения 1 пМ. ДНК-сенсор был также апробирован на модельных растворах бычьего сывороточного альбумина, синтетической плазме крови и коммерческом препарате «doxorubicin-LANS», продемонстрировав степень открытия на уровне 90-105%.

Публикации

1. Ахмедов А.А., Терентьева О.С., Субакаева Е.В., Зеленихин П.В., Шурпик Р.В., Шурпик Д.Н., Падня П.Л., Стойков И.И. Fluorescein-Labeled Thiacalix[4]arenes as Potential Theranostic Molecules: Synthesis, Self-Association, and Antitumor Activity Pharmaceutics, 14, 11, 2340 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14112340

2. Куликова Т.Н., Шиабиев И.Э., Падня П.Л., Рогов А.М., Евтюгин Г.А., Стойков И.И., Порфирьева А.В. Impedimetric DNA Sensor Based on Electropolymerized N-phenylaminophenothiazine and Thiacalix[4]arene Tetraacids for Doxorubicin Determination Biosensors, 13, 5, 513 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/bios13050513

3. Терентьева О.С., Бикмухаметов А.А., Герасимов А.В., Падня П.Л., Стойков И.И. Macrocyclic Ionic Liquids with Amino Acid Residues: Synthesis and Influence of Thiacalix[4]arene Conformation on Thermal Stability Molecules, 27, 22, 8006 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/molecules27228006

4. Падня П.Л., Хадиева А.И., Стойков И.И. Current achievements and perspectives in synthesis and applications of 3,7-disubstituted phenothiazines as Methylene Blue analogues Dyes and Pigments, 208, 110806 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2022.110806

5. - Светящаяся молекула поможет нарушить защиту опухолей и уничтожить их Сайт colab.ws, 30.11.2022 (год публикации - )

6. - Подавить активность: российские учёные синтезировали вещество для борьбы с раковыми клетками RT на русском, 30.11.2022 (год публикации - )

7. - Новая светящаяся молекула-аналог американского препарата поможет диагностировать и лечить рак Сайт Российского научного фонда, 30.11.2022 (год публикации - )