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 23-65-10040

НазваниеРазработка и оценка эффективности медицинских изделий и композиций нового типа на основе редокс-активных наноматериалов и биополимеров с антимикробным действием для ускорения регенерации ран

РуководительСилина Екатерина Владимировна, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет), г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2026 г.

Конкурс№82 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты).

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-405 - Регенеративная медицина

Ключевые словарегенерация, заживление ран, антимикробный эффект, биополимеры, диоксид церия, фосфат церия, наноматериалы, нанозимы, доклинические исследования

Код ГРНТИ76.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Вопросы эффективного заживления ран продолжают сохранять высокую актуальность. Вызвано это увеличением числа бытовых и военных ранений, операций, ростом продолжительности жизни и хронических язв c бактериальной обсемененностью. К настоящему моменту синтезированы сотни лекарств, однако процент неудовлетворительных результатов при лечении острых и, особенно, хронических ран остается по-прежнему высоким. Особой проблемой является бактериальное загрязнение ран с развитием бактериемии, сепсиса и повсеместное появление резистентных к антибиотикам штаммов микроорганизмов, что в итоге приводит к развитию госпитальной инфекции, которая сопровождается высокой летальностью. Неослабевающие попытки создания если не универсального, то хотя бы оптимального лекарственного средства, действующего на всех этапах заживления ран, и использующего максимальное количество механизмов регенерации тканей, пока не увенчались успехом. Это может быть связано с отсутствием тесного междисциплинарного подхода к созданию лекарств на всех этапах (от идеи до пострегистрационного клинического применения) между специалистами в области химии, биологии и медицины. В последние годы для создания медицинских продуктов применяются бионанотехнологии. Сегодня наибольшее внимание привлекают биологически активные неорганические материалы, относящиеся к классу нанозимов, что обусловлено их высокой химической стабильностью, биосовместимостью и выраженной биологической активностью. Среди известных нанозимов особое место занимают наноматериалы на основе диоксида церия (CeO2) и фосфата церия, проявляющие уникальный комплекс физико-химических свойств и биологической активности. Для нанокристаллического CeO2 характерна уникально высокая редокс-активность, обеспечивающая его выраженные антиоксидантные и противовоспалительные свойства. Присущие CeO2 физико-химические свойства и его способность имитировать функции различных энзимов позволяет воздействовать на метаболизм собственных клеток организма и ряда бактерий, что может обеспечить его противомикробный эффект при лечении острых и хронических язв, сократив прием антибиотиков и предотвратив появления новых антибиотикорезистентных микроорганизмов. Перспективными компонентами ранозаживляющих препаратов являются ортофосфаты церия, которые, благодаря своей высокой химической стабильности, микроструктуре и биосовместимости проявляют ряд уникальных свойств. Анализ биологической активности ортофосфатов церия представляет собой самостоятельный фундаментальный интерес, поскольку позволит выявить не только механизмы влияния валентного состояния церия на биохимическую активность его соединений, но и получить принципиально новую информацию о биологической активности соединений церия. Целью данного проекта является разработка и изучение эффективности принципиально новых медицинских изделий с антимикробным действием на основе церийсодержащих наноматериалов и биополимеров для ускоренного заживления ран. Для реализации этой цели создан междисциплинарный коллектив, имеющий признанные компетенции в разных отраслях знаний медицины, биологии и химии, а также большой опыт и научный задел по указанным тематикам. С химико-биологической точки зрения новизна настоящего проекта состоит в экспериментальном сопоставлении биологической активности диоксида церия и ортофосфата церия, что позволит получить новую информацию о молекулярных механизмах взаимодействия церийсодержащих наноматериалов с живыми системами на различных уровнях (в экспериментах на клетках млекопитающих и лабораторных животных). Будут предложены новые способы создания композитов на основе соединений церия и биополимеров (на примере целлюлозы, коллагена), характеризующихся высокой биосовместимостью. В результате проекта планируется создание новых ранозаживляющих средств, которые будут превосходить по эффективности имеющиеся на рынке зарегистрированные лекарства, при этом они будут обладать комплексом эффектов, в т.ч. антибактериальные.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения междисциплинарного гранта будут получены новые данные о механизмах действия и эффективности в отношении заживления ран новых ранозаживляющих средств с множественными лечебными эффектами, в т.ч. с антибактериальным, препятствующие развитию микрофлоры в ране, стимулирующими качественную регенерацию, ангиогенез и оптимальное ремоделирование. Включение в медицинские и биологические исследования комплекса объективных лабораторных и инструментальных методов оценки заживления ран принесет новые данные в зависимости от применяемого лекарственного средства и его различной эффективности в разные фазы заживления. Это позволит на основании объективных данных определить сроки, в которые используемые средства демонстрируют наилучший эффект. Полученные результаты помогут определить перспективное направление в разработке новых ранозаживляющих средств и оптимизировать протоколы ведения ран с их использованием. Ожидается, что по итогам анализа результатов химических, фармакологических и медико-биологических исследований планируется разработка биомедицинских изделий нового типа, которые по эффективности будут превосходить зарегистрированные лекарственные средства, применяемые в настоящее время в мировой клинической практике для заживления ран. Будет разработано два новых медицинских изделий для заживления острых и хронических ран, на основе диоксида церия и на основе ортофорсата церия. При подтверждении высказанной гипотезы и получении положительных результатах цикла доклинических исследований, проведенных на лабораторных животных, данное многокомпонентное биомедицинское средство может быть исследовано в клинической практике. Настоящее междисциплинарное исследование будет построено на принципах доказательности, при этом эффекты применения разрабатываемых средств будут сопоставлены с контрольными группами, а также группами, получавшими имеющие в арсенале практической медицины хорошо зарекомендовавшие себя лекарственные средства (в т.ч. стимуляторы регенерации, противомикробные средства). Результаты Проекта помогут оптимизировать и уточнить протоколы ведения ран, что в итоге улучшит результаты лечения острых и хронических ран и позволит уменьшить экономические затраты на здравоохранение, увеличив социальную реинтеграцию миллионов пациентов во всем мире. В случае успешного окончания Проекта будут представлены лекарственные средства для ведения пациентов с ранами, поверхностными повреждениями кожи, вызванными химической, термической, механической и радиологической агрессией, что превысит уровень имеющихся сегодня мировых исследований. Результаты Проекта лягут в основу создания и производства новых лекарственных препаратов, которые смогут занять значительную часть рынка перевязочных и регенеративных средств. При получении новых научных данных, подтверждающих эффективность, а также биологические и химические механизмы действия разрабатываемых лекарственных средств, планируется проведения I фазы клинических исследований. Потенциальные индустриальные партнеры ознакомлены с ранее опубликованными работами авторов Проекта, проявили к ним интерес, выражают заинтересованность в успешной реализации данного Проекта с целью возможного дальнейшего взаимодействия и продвижения разработки на фармрынок. Пожалуйста, см. прикрепленный файл п.1.12. (ООО "Биотекфарм", ассоциация "Технологическая Платформа "БиоТех2030").

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Работы в первый год Проекта (2023) были посвящены созданию эффективных и безопасных нанокомпозитов на основе наночастиц оксида церия (наноцерия) и биополимеров. Осуществлен синтез водных дисперсий диоксида церия, а также композитных материалов на основе CeO2, в т.ч. модифицированных коллагеном. Полученные материалы охарактеризованы комплексом взаимодополняющих физико-химических методов (рентгенофазовый анализ, просвечивающая электронная микроскопия, динамическое светорассеяние, УФ-видимая спектроскопия, ИК спектроскопия, энергодисперсионая рентгеновская спектроскопия), определены их фазовый и химический состав, размер частиц. Размер наночастиц церия при разных методах синтеза варьировал в пределах 1,5-5 нм. Анализ антиоксидантной/прооксидантной активности образцов наноцерия и церийсодержащих нанокомпозиций на основе биополимеров методом активированной хемилюминесценции в реакциях генерации свободных радикалов доказал редокс-активность наноматериалов. Для дальнейших биомедицинских исследований in vitro использованы синтезированные золи: покрытый цитратом наноцерий (CeO-1ct), термогидролизный наноцерий (CeO-2hyd), покрытый декстраном наноцерий в разных соотношениях Сe:Dextran 1:0,5; 1:1; 1:2; 1:3 (Се0,5D, Ce1D, Ce2D, Ce3D). Образцы наноцерия были подготовлены в концентрациях 10-2, 10-3, 10-4, 10-5, 10-6М и в виде порошка. Биомедицинские НИР. Все синтезированные золи и нанокомпозиты на основе наноцерия исследовали на клеточных культурах, участвующих в регенерации кожных ран (человеческие фибробласты, мезенхимальные стволовые клетки (МСК) и кератиноциты) с оценкой влияния различных концентраций наночастиц СеО2 (от 10-2 до 10-6М) на пролиферативную, метаболическую, миграционную активность клеток. Проведен комплексный анализ биосовместимости и цитотоксичности золей наноцерия и композитов на его основе, стабилизированных биосовместимыми лигандами, позволивший отобрать наиболее перспективные типы церийсодержащих наночастиц и нанокомпозитов и выявил концентрационные зависимости доза-эффект для дальнейшего исследования их молекулярных механизмов биологической активности, а также разработки методик интеграции наночастиц в препаративные формы с целью создания перспективного ранозаживляющего средства. Для таких разработок отобраны золи Се2D в концентрации 10-3М и CeO-1ct в концентрации 10-3 - 10-4М, которые в наибольшей степени стимулировали метаболизм и пролиферативную активность разных клеток, участвующих в регенерации ран. Для определения антимикробной активности проведены микробиологические исследования на 8 штаммах грамположительных и грамотрицательных бактерий и грибов. Результаты классического исследования по изучению антимикробной активности наноцериев (методы диффузии в агар, серийных разведений с последующим посевом) не показали абсолютного антимикробного эффекта, требуемого по стандартам фармакопеи для антибиотиков и антисептиков. Наличие косвенных признаков антимикробной активности наряду с литературными данными послужило основанием для использования точного количественного метода газовой хромато-масс-спектрометрии, благодаря чему была зарегистрирована способность наноматериалов ингибировать рост и размножение микроорганизмов, как через 24 часа (при высоких концентрациях), так и с нарастанием эффекта через 48 часов соинкубации с наноцерием в концентраций 10-2 – 10-5М. Снижение числа микробных тел на 40-95% с достоверным дозозависимым эффектом подтвердило антимикробную активность созданных соединений наноцерия. По результатам микробиологических исследований наилучшая антимикробная активность зарегистрирована при концентрациях 10-2-10-3М у золей CeO-1ct и Се2D. Таким образом, комплекс исследований in vitro позволил определить метод синтеза наноцерия и его оптимальную концентрацию в нанокомпозите для последующего создания стимулирующего регенерацию медицинского изделия для заживления ран с оптимальными бактериостатическими свойствами: CeO-1ct и Се2D в концентрации 10-3М. Отобранные наноматериалы были в дальнейшем исследованы на животных. Выбор наноцерия и его концентрации, а также полимера для последующего создания нанокомпозита – прототипа медицинского изделия выполняли в несколько этапов по результатам комплекса медико-биологических исследований на клеточных культурах и микроорганизмах. На первом этапе были исследованы 2 вида наноцерия (CeO-1ct и CeO-2hyd) в 5 концентрациях (10-2, 10-3, 10-4, 10-5, 10-6М). В результате CeO-2hyd был исключен из дальнейших исследований из-за худших биологических эффектов и нестабильности. Наилучшая биологическая активность установлена у CeO-1ct в концентрациях 10-3-10-5М. На втором этапе в качестве полимеров изучались полисахариды, белки, белково-полисахаридные комплексы в разных концентрациях: декстран, фукоидан, каррагинан, алгинаты, целлюлоза, лактат, различный по типу коллаген. По результатам биомедицинских исследований выбраны полисахариды – декстран, а в качестве загустителя – каррагинан, белок - коллаген (склеральный). Осуществлен подбор типа и концентрации этих полимеров. На третьем этапе создавались нанокомпозиты с полисахаридом (декстран 6000 Да) с различным соотношением церий:декстран (1:0,5; 1:1; 1:2 и 1:3 по массе к церию) в 5 концентрациях каждый (10-2, 10-3, 10-4, 10-5, 10-6М). По результатам исследований на разных клеточных линиях по биологическим эффектам был выбран один лучший образец Ce2D в концентрации 10-3М. На четвертом этапе создавали и выбирали композиты с коллагеном. Цитратный наноцерий CeO-1ct (10-3М, 10-4М) и декстрановый наноцерий Се2D (10-3М и 10-4М) смешивали с коллагенсодержащим экстрактом в разных концентрациях (от 1% до 25%, разбавляя в фосфатном буфере) с/без загустителя (каррагинан). Оценка пролиферативной активности фибробластов показала наилучшие результаты при концентрации наноцерия 10-3М. Концентрация коллагена в нанокомпозите значимо не влияла на метаболизм и пролиферацию клеток. Пролиферация фибробластов при сокультивировании композита CeO-1ct+коллаген+буфер выражена на 9% больше. Анализ миграционной активности культуры МСК и кератиноцитов после инкубации с разными церийсодержащими золями и композитами с коллагеном установил, что 10-3М – оптимальная концентрация наночастиц в нанокомпозите, обеспечивающая стимуляцию миграционной активности. Финальным этапом были исследования in vivo с оценкой безопасности отобранных прототипов медизделий (CeO-1сt и Се2Dex в концентрации 10-3М). После получения одобрения Этических комитетов, начаты исследования на животных (белые мыши CD-1 (n=70) и крысы Wistar (n=42) обоего пола), которые показали отсутствие острой токсичности при однократном внутрижелудочном введении наноцерия в концентрации 10-3М в объеме 5-50 мл/кг, при однократном дермальном (на неповрежденную кожу) 10 мл/кг, а также субхронической токсичности выбранных наноцериев при длительном нанесении на острые кожные раны в дозе 2 мл/кг. Результаты отсутствия токсических и местно раздражающих эффектов подтверждены гематологическими, биохимическими и гисто-морфологическими исследованиями кожи, печени, сердца, головного мозга, вилочковой железы, селезенки, желудка, семенников, надпочечников, тонкого и толстого кишечника. Таким образом, создана основа для продолжения работ и изучения ранозаживляющего эффекта прототипов разрабатываемых медицинских изделий на основе нанокристаллического оксида церия: покрытого цитратом наноцерия CeO-1сt в концентрации 10-3М и покрытого декстраном наноцерия Се2D при соотношении Cе:полисахарид 1:2 в концентрации 10-3М. Проведенные работы освещены в сети интернет с благодарностью Фонду за поддержку: https://www.mdpi.com/1422-0067/24/19/14501 https://www.mediasphera.ru/issues/plasticheskaya-khirurgiya-i-esteticheskaya-meditsina/2023/3/downloads/ru/1268673462023031120 https://www.sechenov.ru/pressroom/news/uchenye-sechenovskogo-universiteta-pristupili-k-razrabotke-biomeditsinskikh-izdeliy-novogo-tipa-na-o/ https://t.me/sechenov_ru/4107

Публикации

1. Силина Е.В., Ступин В.А., Мантурова Н.Е., Иванова О.С., Попов А.Л., Мысина Е.А., Артюшкова Е.Б., Крюков А.А., Додонова С.А., Круглова М.П., Тиньков А.А., Скальный А.В., Иванов ВК. Influence of the Synthesis Scheme of Nanocrystalline Cerium Oxide and Its Concentration on the Biological Activity of Cells Providing Wound Regeneration International Journal of Molecular Sciences, 24(19):14501 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ijms241914501

2. Мантурова Н.Е., Ступин В.А., Силина Е.В. Наночастицы оксида церия для хирургии, пластической хирургии и эстетической медицины Пластическая хирургия и эстетическая медицина [Plastic Surgery and Aesthetic Medicine], 3:120–129 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17116/plast.hirurgia2023031120

3. Силина Е.В., Ступин В.А., Артюшкова Е.Б., Медведева О.А., Крюков А.А. Иванова О.С. Создание композиций нового типа на основе наноматериалов и биополимеров для ускорения регенерации ран Материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции «Биотехнология и биомедицинская инженерия» с международным участием, посвященной 88-летию Курского государственного медицинского университета (23 ноября 2023 г), Материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции «Биотехнология и биомедицинская инженерия» с международным участием, посвященной 88-летию Курского государственного медицинского университета (23 ноября 2023 г) (год публикации - 2023)

4. - Ученые Сеченовского Университета приступили к разработке биомедицинских изделий нового типа на основе наноматериалов для заживления ран Официальный сайт ФГБОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) (sechenov.ru), - (год публикации - )