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 20-13-00142

НазваниеНовые синтетические органо-неорганические системы на основе направленно функционализированных бипиридинов/ азолоазинов и их комплексов с переменновалентными металлами в составе безреагентных средств для определения клинически значимых аналитов

РуководительРусинов Владимир Леонидович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

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, 03-101 - Синтез, строение и реакционная способность органических соединений

Ключевые словаПортативная диагностическая платформа, электрокатализаторы/медиаторы небиологической природы, наноматериалы, 2,2’-бипиридины, металлокомплексы, азолоазины, холестерин, глюкоза, антиоксидантная емкость, бесферментные сенсоры, иммуносенсоры, микрофлюидика, полимеры с молекулярными отпечатками, инфекционные агенты, онкомаркеры

Код ГРНТИ31.21.27; 31.21.17; 31.19.29

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящее исследование является продолжением работ, выполненных в рамках проекта РНФ № 20-13-00142 и направлено на решение проблемы первичной экспресс-диагностики вирусных заболеваний и оценки рисков возникновения их осложнений. Актуальность продолжения исследований в выбранном направлении обусловлена широким распространением и стремительным развитием инфекционных заболеваний, а также высокими рисками возникновения осложнений. Своевременная дифференциальная диагностика природы возбудителя в данном случае позволяет избежать чрезмерного применения антибактериальных препаратов. Однако, риски развития осложнений инфекционных заболеваний существенно возрастают у пациентов с сопутствующими патологиями, такими как сахарный диабет, атеросклероз, а также на фоне общего окислительного стресса. Несмотря на большое количество доступных сегодня как лабораторных диагностических процедур (различные варианты ИФА и ПЦР), существующие разработки, основаны на использовании дорогих и нестабильных биологических рецепторов, достойной альтернативой которым являются агенты (био)молекулярного распознавания небиологической природы на основе оригинальных органических соединений. Ранее нами были предложены новые подходы к бесферментному электрохимическому экспресс-определению ключевых биомаркеров некоторых социально-значимых заболеваний и лабораторные прототипы микрофлюидных устройств на основе направленно функционализированных бипиридинов/ азолоазинов и их комплексов с переменновалентными металлами. Настоящее исследование направлено на создание портативных устройств на основе оригинальных соединений ряда азолоазинов /бипиридинов и их комплексов с металлами для бесферментного определения (быстрого скрининга) клинически важных аналитов в тонком слое из одной капли стационарного раствора, а также тест-систем/полосок для (полу)количественного определения природы возбудителя инфекционного и рисков возникновения осложнений. Предложенные варианты будут направлены на внелабораторное использование, что открывает дополнительные широкие перспективы для персонифицированной медицины. Нами будут расширены и углублены представления о механизмах межмолекулярного взаимодействия в системе «аналит-рецептор», включая моделирование в условиях, максимально приближенных к физиологическим, будет проведена комплексная оценка возможности применения новых соединений в качестве элементов самостоятельного молекулярного распознавания с применением комбинированных методов, будет предложен дизайн портативного электрохимического устройства, будут выбраны рабочие условия анализа и произведена оценка аналитических характеристик, апробация и верификация полученных результатов. Будут расширены исследования взаимодействий новых направленно функционализированных бипиридинов с ионами металлов переменной валентности, в частности железа, оценены возможности комплексообразования. Определены термодинамические и кинетические параметры взаимодействия исследуемых комплексов с антиоксидантами биологических жидкостей, проведена оценка возможности использования их в качестве сигналообразующих молекул для определения интегральной антиоксидантной емкости в стационарной капле раствора. Будут синтезированы и охарактеризованы новые бипиридин-дикарбоновые кислоты, используемые в качестве линкеров для синтеза молекулярно-импринтированных металл-органических каркасов (МИМОК). Будет систематически изучено взаимодействие синтезированных бипиридин-дикарбоновых кислот, ионов металлов переменной валентности и целевых молекул (глюкоза, холестерин, кортизол) в МИМОК. Разработанные МИМОК будут интегрированы в тест-платформу. Уверенность в достижении поставленной цели обусловлена высокой квалификацией руководителя проекта и коллектива исполнителей, имеющих большой методологический и практический опыт как в области органического синтеза, так и в области инструментальных методов исследований и анализа.

Ожидаемые результаты
В рамках продолжения исследований будут получены следующие результаты: - Будет расширен ряд производных азолоазинов, содержащих в своей структуре электрохимическую метку в виде этоксикарбонильной, нитро- или нитрильной групп, а также ацетиленовый фрагмент, путем реализации новых подходов в синтезе азолопиримидинов и создания оригинальных «строительных блоков» при построении азолотриазинов. - Будут изучены и теоретически обоснованы вероятные механизмы взаимодействия направленно бифункционализированных гетероциклических соединений азолопиримидинового и азолотриазинового ряда с олигонуклеотидами и вирусными белками-мишенями, в том числе, в условиях, максимально приближенных к живой клетке. - Будут предложены оригинальные способы электрохимического анализа для экспресс-диагностики РНК-вирусов с использованием производных азолоазинов в качестве самостоятельных элементов аффинного и/или интеркаляционного распознавания. Будут выбраны рабочие условия анализа образцов с различной матрицей, определены аналитические характеристики. - Будет разработан дизайн, изготовлен и апробирован прототип портативного электрохимического устройства для определения вирусной природы заболевания для использования как в автономном, так и в мультианалитном режиме. - Будет использован синтетический подход к замещенным производным пиридина через их 1,2,4-триазиновые предшественники. Для превращения 1,2,4-триазинового цикла в пиридиновый предполагается использование таких диенофилов, как 2,5-норборнадиен и енамины. С целью дальнейшей модификации полученных бипиридинов будут использованы такие реакции, как алкилирование фенольной группы, этерификация, трансформация фуранового цикла в карбоксильную группу, гидролиз цианогруппы, реакция Кневенагеля. - Будут изучены комплексы железа с новыми функционально замещенными бипиридинами, термодинамическое и кинетическое обоснование выбора использования их в качестве сигналообразующих молекул для электрохимического определения интегральной антиоксидантной емкости в стационарной капле раствора. Будут проведены исследования оптических свойств комплексов железа с производными бипиридина с целью выбора чувствительной рабочей системы и условий проведения анализа, потенциально пригодных для воплощения в виде визуальных тест-полосок - Будет разработан дизайн портативного электрохимического устройства для количественного определения антиоксидантной емкости: разработка конструкции устройства, сенсорной системы, способов имммобилизации реагентов. Разработка дизайна тест-полосок: выбор материала подложки, конструкции тестовой зоны, калибровочной системы для визуального полуколичественного применения. - Будет проведено комплексное изучение электрохимических, электрокаталитических и распознающих свойств новых бипиридин-содержащих дикарбоновых кислот и катионов переходных металлов в качестве единых элементов распознавания и электрокаталитического определения глюкозы, холестерина и кортизола, в том числе, при их совместном присутствии. - Будут разработаны подходы к бесферментному электрохимическому определению кортизол с использованием молекулярно-импринтированных металл-органических каркасов (МИМОК) на основе новых синтезированных бипиридин-дикарбоновых кислот в качестве электрокатализаторов и распознающих материалов, изучение их электрохимических, электрокаталитических и распознающих свойств. - Будет разработан дизайн и изготовлен лабораторный прототип портативного электрохимического мультиэлектродного устройства для определения глюкозы, холестерина и кортизола. - Будут проведены исследования эффективности разработанных оригинальных подходов и устройств с использованием модельных систем и реальных проб. Будет проведена сравнительная оценка аналитических характеристик разработанных методов между собой и по отношению к стандартно используемым биохимическим методам анализа – ИФА, ПЦР (внутренний и внешний лабораторный контроль). - Будет проведена оценка возможности интегрирования разработанных устройств в модульную диагностическую платформу для персонализированной экспресс-диагностики природы возбудителя инфекционного заболевания и рисков возникновения осложнений. При выполнении проекта будут получены результаты, имеющие прикладное значение: планируется синтез производных азолоазинового ряда, являющиеся по своей природе синтетическими аналогами пуриновых оснований и близкими по своей химической структуре лекарственному препарату «Триазавирин». Выполнение поставленных целей и задач несет большое значение как для фундаментальной химии, так для получения запланированных «малых» молекул с потенциальным противовирусным действием. Полученные в рамках продолжения исследований результаты позволят сделать важный шаг на пути к медицине будущего – персонализированной медицине посредством создания экспрессных, портативных, простых и недорогих устройств и тест-систем нового поколения. Предложенные варианты устройств будут пригодны для домашнего использования как по отдельности, так и в конструкции модульной диагностической платформы, предназначенной для экспресс-определения природы возбудителя инфекционного заболевания и оценки рисков возникновения осложнений на основании данных об уровне клинически-значимых аналитов в биологических жидкостях пациента. Это позволит создать научно-технический задел, необходимый для успешного противодействия развитию и распространению вирусных заболеваний, в том числе, среди населения «групп риска».

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Работы в рамках реализации данного этапа проекта велись в направлениях синтеза производных - 1,2,4-триазоло[5,1-c][1,2,4]триазинов, содержащих в структуре электроактивные группы и производных 2,2’-бипиридинов, функционализированных различными заместителями для решения поставленных аналитических задач. Проведена наработка производных - 1,2,4-триазоло[5,1-c][1,2,4]триазинов, содержащих в структуре электроактивные группы, такие как нитро- и цианогруппы. Получены производные, содержащие в структуре целевой ацетиленовый и аллильный фрагменты, путем модификации азольного и азинового цикла. Разработаны методы алкилирования 3-нитро-1,2,4-триазоло[5,1-c]-1,2,4-триазин-4-олов. Выполнен синтез производных 5-арил-2,2’-бипиридинов, функционализированных в различные положения атомом галогена (хлор или бром), а также фрагментом олигоэтиленгликоля для увеличения растворимости в полярных средах. Выполнен синтез двух производных 2,2’-бипиридинов, имеющих две карбоксильные группы в противоположных частях молекулы, содержащих в своей структуре два либо три ароматических кольца. Синтезированы два бипиридина, содержащие в своей структуре фрагмент халкона, при этом реализовано введение в противоположные части молекул хромофорной метоксигруппы. Структура всех синтезированных соединений была подтверждена данными 1Н, 13С ЯМР-спектроскопии, масс-спектрометрии и элементного анализа. Впервые с применением разработанных оригинальных, стандартных и расчетных методов рассчитаны константы взаимодействия синтезированных азолоазинов ряда с гемагглютинином, в том числе, в условиях, максимально приближенных к живой клетке (с наложением внешнего потенциала, имитирующего мембранный). Величина константы связывания указывает на аффинный характер межмолекулярного взаимодействия, что дает возможность использования данных молекул для распознования РНК-вирусов. С применением вольтамперометрического подхода впервые показана возможность образования супрамолекулярных комплексов между исследуемыми соединениями и модельным олигонуклеотидом. Проведено изучение электрохимических, электрокаталитических и распознающих свойств новых бипиридин-содержащих дикарбоновых кислот и катионов переходных металлов. Впервые показана возможность количественного определения кортизола в модельных растворах и смесях с использованием полевого транзистора с модифицированным МИОК затвором. Исследованы комплексы железа с новыми функционально замещенными 2,2’-бипиридинами с остатком молекулы триэтиленгликоля, также галогензамещеннными производными; оценены количественные параметры комплексообразования; выбраны перспективные соединения для разработки потенциометрической методики определения антиоксидантной емкости капли раствора; Исследованы кинетические и термодинамические параметры реакции антиоксидантов с перспективными комплексами функционализированных бипиридинов с Fe, определены антиоксидантная емкость ряда антиоксидантов, скорость и константа скорости реакции антиоксидантов с исследуемыми комплексами; Разработана методика потенциометрического определения антиоксидантной емкости в стационарной капле раствора с использованием ячейки с разделенными пространствами, оценены метрологические характеристики методики; Исследованы оптические свойства комплексов железа с производными бипиридина, выбраны перспективные чувствительные системы и условия проведения анализа для последующей реализации в виде визуальных тест-полосок.

 

Публикации

1. Герасимова Е.Л., Салимгареева Е.Р., Елтышева Е.А., Иванова А.В., Матерн А.И. Assessment of Matrix Effect on the Results of the Potentiometric Determination of Antioxidant Capacity Journal of Analytical Chemistry, Vol. 78, No. 12, pp. 1665–1672 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1061934823120055

2. Иванова А.В., Маркина М.Г. Portable Device for Potentiometric Determination of Antioxidant Capacity Sensors, 2023, 23, 7845 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/s23187845

3. Криночкин А.П., Ладин Е.Д., Штайц Я.К., Кудряшова Е.А., Копчук Д.С., Горбунов Е.Б., Шафран Ю.М., Зырянов Г.В., Русинов В.Л. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 1,2,4-ТРИАЗИН5-КАРБОНИТРИЛОВ С 5-ГИДРОКСИЭТИЛСУЛЬФАНИЛИ 5-ГИДРОКСИЭТОКСИЭТИЛСУЛЬФАНИЛ-3-АМИНО1,2,4-ТРИАЗОЛАМИ ЖУРНАЛ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, том 59, № 11, с. 1501–1506 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0514749223100137

4. М.В. Медведева, А.В. Мазур, Т.С. Свалова, И.А. Балин, В.Л. Русинов, А.И. Матерн, А.Н. Козицина Voltammetric Determination of Measles Virus Antibodies Using a Glassy Carbon Electrode Modified with 2-Propargyltio-6-nitro-7- hydroxy-4H-1,2,4-triazolo-4,7-dihydro[5,1-c]-1,2,4-triazine Journal of Analytical Chemistry, Vol. 78, No. 12, pp. 1694–1700 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1061934823120109