Керамические наночастицы и трансплантация микрофлоры для контроля токсичности микропластика на модели свободноживущих нематод (Caenorhabditis elegans и Turbatix aceti)

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 проекта 21-73-00097

НазваниеКерамические наночастицы и трансплантация микрофлоры для контроля токсичности микропластика на модели свободноживущих нематод (Caenorhabditis elegans и Turbatix aceti)

Руководитель Фахруллина Гульнур Ильдаровна, Кандидат биологических наук

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

Конкурс №60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 слова алюмосиликаты; галлуазит; каолинит; микропластик; трансплантация микрофлоры; Caenorhabditis elegans; Alcanivorax borkumensis; токсичность; микроскопия; искусственный интеллект; машинное обучение

Код ГРНТИ31.15.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Полимерные материалы, попадая в виде отходов в окружающую среду, в процессе измельчения превращаются в нано- и микроразмерные частицы различного химического состава и морфологии, получившие собирательное название «микропластик». Несмотря на попытки сократить производство полимерных отходов, приходится признать, что в настоящее время загрязнение микропластиком повсеместно, и необходим поиск путей детоксикации полимерных нано- и микрочастиц при проникновении в организм человека и животных. Предлагаемый проект направлен на разработку научных основ снижения токсических эффектов микропластика с использованием керамических наночастиц в качестве энтеросорбентов и трансплантированной экзогенной микрофлоры. В рамках проекта планируется определение корреляции токсичности микропластика (на примере полистирола и полиметакрилата) с биораспределением в тканях свободноживущих нематод (Caenorhabditis elegans, Turbatrix aceti), а также с составом кишечной микрофлоры. Будет разработана методология высокопроизводительного анализа и классификации частиц микропластика в тканях нематод с использованием алгоритмов искусственного интеллекта и машинного обучения. Микропластик представляет собой полученные в процессе химического синтеза частицы размером менее 5 мм, (твердые синтетические полимеры с размерами частиц от 1 мкм до 5 мм). Частицы размером менее 1 мкм относят к нанопластику. Присутствие микропластика обнаружено в мировом океане, включая пляжи, пресноводных водоемах, арктических льдах, почве, воздухе и других средах обитания. Особенно опасным является накопление микрочастиц в живых организмах, являющихся первым звеном в пищевой цепи. Нанопластик и микропластик представляют собой частицы различного химического состава, в первую очередь выделяют полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат, полистирол и поливинилхлорид, а также их разнообразные смеси и обогащенные различными присадками (пигменты, неорганические частицы и т.п.) композиты. Коллоидные частицы микропластика практически не разрушаются на протяжении многих лет, поступая в организм, микропластик может накапливаться в органах и тканях, что затрагивает как животных, так и человека. Присутствие частиц микропластика в организме связано с потенциальным негативным воздействием, которое, на сегодняшний день, плохо изучено, однако, учитывая рост пластиковых отходов и увеличение путей поступления микропластика в организм человека, как по пищевой цепи (при поедании животных, которые могут проглатывать частицы пластика), так и непосредственно с водой, пищевой солью и даже при дыхании), возникает очевидная необходимость в разработке способов снижения токсических эффектов микропластика. В настоящее время человечеству приходится существовать в окружающей среде, подверженной массивному загрязнению микропластиком, следовательно, необходимо не только искать новые способы определения уровня загрязнения, но и разрабатывать методы защиты, предотвращения негативного воздействия полимерных микро- и наночастиц на организм. Однако, на сегодняшний день, неизвестны целенаправленные работы по детоксикации микро- и нанопластика с использованием адсорбентов и\или микроорганизмов. Таким образом, предлагаемый проект будет в числе пионерских исследований по созданию препаратов для снижения токсичности, вызываемой частицами микропластика. Суть проекта заключается в использовании неорганических керамических микрочастиц (каолинит и галлуазит) в качестве энтеросорбента, позволяющего минимизировать высвобождение активных форм кислорода, которые рассматриваются как один из основных факторов токсичности микропластика. Ранее, нами было показано, что глинистые наночастицы способны к ремедиации окислительного стресса. В предлагаемом проекте в качестве модельного объекта для экспериментов in vivo будут использованы свободноживущие (непаразитические) нематоды, основным источником питания которых являются бактерии, так, нематоды Caenorhabditis elegans в лабораторных условиях поедают клетки кишечной палочки (Escherichia coli). Ранее нами было показано, что трансплантация экзогенной и во многом экзотической микробиоты (морские бактерии-нефтедеструкторы Alcanivorax borkumensis) в кишечник C. elegans приводит к снижению окислительного стресса в присутствии агрессивной среды (сырая нефть). В предлагаемом проекте будет разработана новая формуляция на основе неорганических наночастиц природного происхождения и галофильных бактерий, которая позволит нивелировать токсический эффект, вызываемый повышенными концентрациями микроразмерного пластика. В качестве модельных полимерных микрочастиц будут использованы сферические частицы полистирола и полиметакрилата.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ишмухаметов И.Р., Нигаматзянова Л.Р., Фахруллина Г.И., Фахруллин Р.Ф. Label-free identification of microplastics in human cells: dark-field microscopy and deep learning study Analytical and Bioanalytical Chemistry, https://doi.org/10.1007/s00216-021-03749-y (год публикации - 2021)
10.1007/s00216-021-03749-y

2. Ишмухаметов И.Р., Фахруллин Р.Ф., Фахруллина Г.И. Классификация частиц микропластика с применением микроскопии темного поля и остаточной нейронной сети Тезисы IX молодежной конференции ИОХ РАН, Стр. 160 (год публикации - 2021)

3. Ишмухаметов И.Р., Фахруллина Г.И., Фахруллин Р.Ф. Imaging of nano- and microplastics in vitro and in vivo with hyperspectral dark-field microscopy Abstracts, 2022 Global Nanobiotechnology Conference, p. 28 (год публикации - 2022)

4. Ахатова Ф.С., Ишмухаметов И.Р., Фахруллина Г.И., Фахруллин Р.Ф. Nanomechanical Atomic Force Microscopy to Probe Cellular Microplastics Uptake and Distribution International Journal of Molecular Sciences, 23(2), 806 (год публикации - 2022)
10.3390/ijms23020806

5. Ишмухаметов И.Р., Баташева С.Н., Фахруллина Г.И., Фахруллин Р.Ф. Экспресс-идентификация микропластика в фибробластах человека на основе усиленной темнопольной микроскопии и глубокого обучения Материалы I Всероссийской конференции с международным участием по загрязнению окружающей среды микропластиком «MicroPlasticsEnvironment-2022» (МРЕ-2022), 1, 1, 1, 29-31 (год публикации - 2022)

6. Ишмухаметов И.Р., Баташева С.Н., Фахруллина Г.И., Фахруллин Р.Ф. Dark-field hyperspectral microscopy for nano- and microplastics identification in vitro and in vivo XVI CIASEM Interamerican Congress on Microscopy, 494 (год публикации - 2022)

7. Ишмухаметов Ильнур Ринатович, Ахатова Фарида Сериковна, Фахруллина Гульнур Ильдаровна, Хаертдинов Наиль Назимович, автор Обнаружение и идентификация внутриклеточного микропластика посредством усиленной темнопольной микроскопии, дополненной гиперспектральной визуализацией VII Съезд биофизиков России: сборник научных трудов, Т. 2, стр. 332- 333 (год публикации - 2023)

Публикации