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 20-13-00330

НазваниеРазработка флуоресцентных сенсорных платформ на основе композитных материалов для определения биологически активных веществ в матрицах сложного состава

РуководительБеклемишев Михаил Константинович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (45).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-205 - Аналитическая химия

Ключевые словаФлуоресценция, биологически активные соединения, сенсорные системы, наночастицы, поверхностный плазмонный резонанс, композитные материалы, композитные материалы на основе полимеров

Код ГРНТИ31.19.29

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель дальнейшего развития проекта – продолжить создание фундамента для разработки чувствительных и селективных, простых и экспрессных сенсорных платформ для определения физиологически активных веществ в биологических объектах, способов дифференциации объектов сложного состава оптическими методами. К актуальным задачам развития этих методов относятся: упрощение аналитических методик за счет создания готовых к использованию сенсорных элементов, минимизации операций пробоподготовки (или ее отсутствие), значительное сокращение времени анализа, улучшение метрологических характеристик (чувствительности и воспроизводимости); расширение возможностей аналитических методов за счет соединений, не типичных для определения флуориметрическими методами; применение обычного серийного оборудования или фотоаппаратуры, переход к портативным системам. Для решения задачи селективного определения аналитов в сложных матрицах будут предложены высокочувствительные мультисенсорные платформы, разработаны многофункциональные композитные пленки и гели, содержащие селективные распознающие агенты; проведен направленный выбор спектральных характеристик в зависимости от природы аналита и матрицы биологического объекта. В целях развития оптических методов определения органических аналитов с помощью плазмонных наноструктур будут созданы 2D- и 3D- композитные структуры из природных полимерных материалов (хитозана, коллагена, альгината) с иммобилизоваными наночастицами металлов или их ионов и соединениями-индикаторами с заданными спектральными и физико-химическими характеристиками. Такие структуры будут обладать высокой сорбционной емкостью по отношению к аналиту и матрице объекта в целях повышения чувствительности и воспроизводимости анализа, сокращения времени отклика сенсорного слоя. Наработки в указанных направлениях на предыдущей стадии выполнения проекта показали свою перспективность, позволили с высокой чувствительностью и селективностью (в том числе мультиплексно) проводить определение низко- и высокомолекулярных биологически активных веществ в матрицах сложного состава без сложной пробоподготовки. В продолжение развития проекта нами будут продолжены исследования с низкомолекулярными соединениями – маркерами нейродегенеративных и нейроэндокринных заболеваний, а также диагностическими белками, но при этом будет расширен круг объектов, прежде всего за счет клеточных культур, биологических жидкостей, где определение указанных соединений чрезвычайно актуально, и продолжится разработка подходов к их мультиплексному определению, переход от стадии in vitro анализа к ex vivo). В связи с актуальностью создания высокочувствительных, селективных и, что особенно важно, экспрессных сенсорных систем диагностики бактериальных инфекций без предварительного посева биоматериала будут созданы подходы к определению аналитов новых классов – специфических пигментов (хиноновых, азахиноновых, каротиноидов, меланиновых, пирроловых, феназиновых, пиразиновых) и ферментов (каталазы, цитохром-С-оксидазы) различных бактерий, в том числе патогенных. С целью создания эффективных способов дискриминации водо- и органикорастворимых объектов будет развиваться предложенный нами в рамках проекта вариант метода «отпечатков пальцев», основанный на использовании кинетического фактора. Будут предложены новые индикаторные реакции (окисление карбоцианинов, образование гидразонов и азометинов) и на их основе разработаны простые и экспрессные методики дискриминации жиров, масел, продуктов питания, биологических жидкостей, что позволит решать практические задачи определения изготовителя, выявления фальсификатов, диагностики заболеваний и др. Будет также уделено внимание использованию метода «отпечатков пальцев» для определения лекарственных веществ. Все разработанные методы и подходы и разработанные на их основе сенсорные платформы будут апробированы в анализе реальных объектов.

Ожидаемые результаты
Проект будет основан на фундаменте, заложенном в 2020-2022 г.г., и направлен на создание новых методов и подходов с целью разработки чувствительных, селективных (в том числе мультиплексных), простых и экспрессных оптических сенсорных платформ для определения физиологически активных веществ в биологических объектах и дифференциации объектов сложного состава. Основным результатом таких исследований будет служить расширение круга актуальных аналитов и объектов, анализируемых оптическими методами с требуемой чувствительностью, селективностью (в том числе мультиплексностью) без предварительной или с минимальной подготовкой пробы. Последнее особенно важно в анализе биологических объектов, растительного сырья и т.д. для получения достоверных результатов для неустойчивых (легко изменяющихся по качественному и количественному составу) проб. Полученные результаты будут соответствовать или превосходить мировой уровень исследований в указанной области. Разработанные методы и подходы будут адаптированы под серийное оборудование, а в ряде случаев позволят обойтись без использования полноспектральных приборов, и апробированы в анализе реальных объектов. Методы различения (дискриминации) будут применены к водорастворимым (или экстрагируемым водой) и органикорастворимым объектам; с этой целью будут разработаны новые индикаторные системы, за счет чего будет расширен круг анализируемых объектов. Будут решаться задачи определения изготовителя, выявления фальсификата (напитки, экстракты продуктов питания, чая, табака), диагностики заболеваний (биологические жидкости больных и здоровых индивидуумов) и другие практические задачи. На основе индикаторных систем, протекающих в неводной среде, будут дискриминированы образцы жиров, масел, топлив и т.п. Будут созданы новые индикаторные системы с использованием созданных нами ранее способов получения флуоресцентного сигнала гидрофобных красителей в присутствии аналитов молекулярной массы 200–700 Да и подходящих ПАВ, основанных на образовании самосборных структур. Планируется использование хлорофилла как доступного и нетоксичного флуорофора, флуоресцирующего в ближней ИК-области спектра (680 нм), что позволит обойти автофлуоресценцию биообъектов и снизить поглощение ими возбуждающего излучения. Будут предложены новые 2D- и 3D- композитные структуры из полимерных материалов (хитозана, коллагена, альгината) с иммобилизованными наночастицами металлов или их ионов и соединениями-индикаторами с заданными спектральными и физико-химическими характеристиками, обладающие высокой сорбционной емкостью по отношению к аналиту и матрице объекта в целях повышения чувствительности и сокращения времени отклика сенсорного слоя, что особенно важно при работе с легко метаболизирующимися веществами и объектами. В таких материалах полимерная матрица в виде пленочного покрытия, геля/губки будет служить не только для удерживания наночастиц металлов или индикаторов, но и для извлечения, концентрирования и направленного транспорта молекул-аналитов к аналитической зоне сенсора. Будут предложены новые подходы к решению задачи селективного определения аналитов в сложных матрицах, которые будут заключаться в создании высокочувствительных, мультисенсорных платформ, содержащих специфические распознающие агенты, направленном выборе спектральных характеристик для регистрации аналитического сигнала в зависимости от аналита и матрицы биологического объекта. Будут предложены новые классы аналитов – специфические пигменты (хиноновые, азахиноновые, каротиноиды, меланиновые, пирроловые, феназиновые, пиразиновые) и ферменты (каталаза, цитохром-С-оксидаза) различных бактерий, в том числе патогенных. Будут усовершенствоваться методики определения высоко- и низкомолекулярных маркеров нейромедиаторного обмена (белков, катехоламинов и их метаболитов) в различных объектах (переход от стадии in vitro анализа к ex vivo). Будет расширен круг объектов за счет клеточных культур, биологических жидкостей, где определение указанных соединений чрезвычайно актуально, продолжаться разработки по подходам к их мультиплексному определению.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Развитие кинетического варианта методов «отпечатков пальцев» предполагало выбор новых, более эффективных индикаторных реакций для распознавания объектов близкого состава. Так, реализовано (по-видимому, впервые) предокисление белков с целью их распознавания оптическим методом. Методика гипохлоритного окисления системы белок – краситель оказалась эффективной для распознавания отдельных белков и образцов сычужных ферментов. Использование кинетического фактора позволяет использовать небольшое количество красителей в массиве: достаточно одного красителя, чтобы добиться полной дискриминации 6 белков, а двух – для достижения 100% правильности дискриминации 10 образцов сычужных ферментов. Методика проста и использует только коммерчески доступные реагенты. Данные обрабатывают с использованием стандартного программного обеспечения. Возможные перспективы разработанного подхода включают распознавание бактериальных штаммов и диагностику патологий с использованием образцов сыворотки крови. Специальные индикаторные реакции, проводимые в этаноле с сорежанием воды до 13%, разработали для распознавания жирорастворимых объектов. Для распознавания 6 образцов моторных масел не потребовалось сенсорного массива – распознавание удалось провести с помощью единственной реакции (окисления карбоцианинового красителя азотной кислотой). Предложенная нами реакция образования азометина из гидразида карбоцианинового красителя и 4-диметиламинобензальдегида проявила селективность к фторхинолонам и позволила определять их в моче с пределом обнаружения 10 мкМ (для моксифлоксацина); несмотря на селективность, эта же реакция позволила распознать яблочные соки ряда производителей и почвенные вытяжки почв разных типов. В целом, кинетический вариант метода «отпечатков пальцев» имеет хорошие перспективы для распознавания объектов самой разной природы. Ограничением метода является то, что при переходе к образцам другого типа требуется заново выбирать индикаторные реакции. В то же время, такой выбор облегчается наличием широкого круга процессов, которые можно использовать как индикаторные, поэтому можно считать этот подход достаточно универсальным. К другим преимуществам метода можно отнести высокую производительность за счет использования 96-луночных планшетов и фотографического принципа регистрации сигнала, использование стандартного программного обеспечения для оцифровки и обработки полученных фотографий, а часто также возможность правильной дискриминации с помощью всего лишь одной индикаторной реакции с коммерческим красителем. Установлено, что хитозановые пористые структуры (губки), связанные с одним из компонентов индикаторной системы, способны увеличивать скорость фотометрических реакций для определения различных аналитов. Например, в случае реакции комплексообразования дофамина с ионами меди(II) и 4-аминоантипирином скорость реакции увеличивается примерно в 30 раз. Кроме того, плотное декорирование хитозановых губок наночастицами серебра позволяет получать перспективные трехмерные плазмонные структуры и повысить чувствительность определения широкого класса аналитов. Предложена универсальная безреагентная индикаторная система на основе оксид графена/Zn2+/ZnPc(COO-)16 для детектирования широкого круга биологически активных соединений различной природы. На примере актуального субстрата для определения различных биомаркеров 3,3',5,5’-тетраметилбензидина показано, что разработанная сенсорная платформа проявляет фотокаталитическую активность за счет образования синглетного кислорода при воздействии на слой фталоцианина света с длиной волны 600-700 нм. Свет красного и ближнего инфракрасного диапазона обладает меньшей токсичностью, что является преимуществом для анализа ex и in vivо. Последний факт также обеспечивает перспективность предложенной индикаторной системы для работы с биообъектами.

 

Публикации

1. Еремина О.Е., Яренков Н.Р., Бикбаева Г.И., Капитанова О.О., Самоделова М.В., Шеховцова Т.Н., Колесников И.Е., Сюй А.Е., Арсенин А.В., Волков В.С., Целиков Г.И., Новиков С.М., Маншина А.А., Веселова И.А. Silver nanoparticle-based SERS sensors for sensitive detection of amyloid-β aggregates in biological fluids Talanta, Volume 266, Part 1, 124970 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.124970

2. Пыпин А.А., Шик А.В., Степанова И.А., Дорошенко И.А., Подругина Т.А., Беклемишев М.К. Reaction-Based Optical Fingerprinting Strategy for the Recognition of Fat-Soluble Samples: Discrimination of Motor Oils Sensors, 2023, 23, article no. 7682 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/s23187682

3. Шик А.В., Степанова И.А., Дорошенко И.А., Подругина Т.А., Беклемишев М.К. Carbocyanine-Based Optical Sensor Array for the Discrimination of Proteins and Rennet Samples Using Hypochlorite Oxidation Sensors, 2023, 23, 4299 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/s23094299