Разработка биологически активных наноматериалов медицинского и ветеринарного назначения.

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 22-13-20032

НазваниеРазработка биологически активных наноматериалов медицинского и ветеринарного назначения.

Руководитель Пестряков Алексей Николаевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова наночастицы, серебро, золото, медицинские препараты, ветеринарные препараты

Код ГРНТИ31.15.37; 76.31.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Взрывное развитие нанотехнологий в последние годы привело к появлению целого ряда уникальных материалов, применяемых в критически важных областях экономики и социальной сферы. Одним из таких направлений стало активное развитие наномедицины - производство принципиально новых лекарств и медицинских изделий на основе наноматериалов различного типа. Одним из наиболее ярких примеров таких материалов стал синтез медицинских и ветеринарных препаратов на основе наночастиц серебра, а также ряда других металлов - Au, Pt и др. Большое количество научных групп в развитых странах активно разрабатывает новые методы синтеза подобных наноматериалов, изучает их свойства и методы применения. Появление таких нанопрепаратов открыло новую страницу в борьбе с рядом социально-значимых заболеваний. В настоящее время существует реальная и достаточно высокая вероятность возникновения новых инфекций, представляющих повышенную опасность для человека, а также домашних животных и сельскохозяйственных растений. Предшественники этих инфекций, как правило, циркулируют среди диких животных и птиц. Высокая контагиозность новых инфекционных возбудителей значительно повышает риск возникновения эпидемий и мировых пандемий. Рост населения, его скученность в больших городах, постоянная миграция, туризм, деловые поездки – все это также повышает вероятность быстрого распространения инфекций. Рекомендуемые меры по ограничению распространения инфекций – карантин, самоизоляция, социальная дистанция, маски, перчатки, антисептики и тому подобное – явно недостаточны. Для создания и организации производства вакцин нужно время, а инфекция распространяется быстро, за это время инфекция может из локального очага перерасти в эпидемию или даже пандемию. Пример продолжающейся второй год коронавирусной пандемии показал, что имеющиеся противовирусные препараты (РНК - азы, реафероны, индукторы интерферонов, ингибиторы репликации вирусов и т.д.) недостаточны для обеспечения должного уровня защиты и лечения. Для борьбы (профилактика и лечение) с такого рода инфекциями необходимы препараты нового типа, отличающиеся по механизму действия от существующих антимикробных средств, и таким образом дополняющие их. Эти препараты должны обладать комплексной антибактериальной, противовирусной и фунгицидной активностью, оказывать противовоспалительное действие и в целом повышать устойчивость организма к инфицированию болезнетворными агентами, то есть, стимулировать неспецифический иммунитет, как общий, так и местный (в частности, лизоцимную активность). В этом плане перспективны препараты наноструктурированного серебра (наносеребра), получаемые с использованием современных нанотехнологий. Цель данной работы – разработать и оптимизировать методы синтеза, провести испытания биологической активности, токсичности, и показать возможности современных препаратов наноструктурированного серебра (а также некоторых других наночастиц металлов - золота, платины) при их использовании в борьбе с инфекционными заболеваниями, включая новые и вновь возникающие инфекции. Наша международная научная группа, включающая исследователей России, Мексики, Испании и ряда других стран, в течение ряда лет разрабатывает и исследует медицинские и ветеринарные препараты на основе наночастиц серебра. Проведен большой объем работ по изучению физико-химических свойств и биологической активности данных препаратов. Показана их высокая эффективность в профилактике и лечении ряда инфекционных (как бактериальных, так и вирусных) заболеваний человека и сельскохозяйственных животных и растений, в том числе таких как синдром диабетической стопы (лечению поддавались диабетические язвы II и даже III степени по классификации Вагнера), ЛОР-инфекций, туберкулеза (включая лекарственно-устойчивые штаммы), вирус лихорадки долины Рифт, вирус чумы плотоядных (чумка собак), ротавирусная инфекция и др. Результаты этих исследований опубликованы более чем в 80 научных статьях, включая более 20 в журналах Q1 и Q2, ряде диссертаций и патентов. Венцом исследований можно считать испытания препарата на основе наносеребра в больнице общего профиля г. Тихуана (Мексика), которая в настоящее время специализируется на лечении COVID-больных. Проведенные испытания показали высокую эффективность данного препарата для профилактики заболевания COVID-19 среди медицинского персонала больницы (около 1200 медработников + около 120 в контрольной группе). Данные результаты недавно опубликованы в журнале Q1. Особое внимание уделяется изучению цито- и генотоксичности разрабатываемых препаратов наносеребра. Поскольку препараты наносеребра в зависимости от способа получения могут значительно различаться между собой по токсикологическим показателям и эффективности, то каждый препарат наносеребра, претендующий на статус лекарства или медицинского изделия, должен иметь свою собственную научно-доказательную базу (досье) по безопасности и эффективности. Надо полагать, что ссылки и автоматический перенос данных по свойствам с одних препаратов наносеребра на другие препараты наносеребра, без дополнительного экспериментального подтверждения, неправомочен. Наши исследования показали, что различные препараты серебра, в зависимости от способа получения и состава, могут различаться по токсичности в десятки раз, что в большинстве случаев делает такие препараты небезопасными для человека. Разрабатываемая нами субстанция и препараты на ее основе имеют обширную научно-доказательную базу по безопасности и эффективности. Результаты токсикологических исследований опубликованы в ведущих журналах (более 80 статей, в том числе более 20 статей Q1), авторефератах диссертаций (более 10), заявок на патенты и патенты (более 20) и научно-методических рекомендаций. Все результаты показали нетоксичность разрабатываемых препаратов наносеребра в терапевтических дозах. Однако, несмотря на большой объем уже проведенных исследований, остается ряд проблем, решение которых позволит значительно повысить эффективность разрабатываемых препаратов наносеребра, как в части метода синтеза, так и в области биологической активности данных материалов. Суть нанотехнологий можно выразить важностью работы по атомной и по молекулярной сборке структур. Из одного и того же набора атомов и молекул можно создать достаточно большое количество разных структур, которые соответственно будут проявлять и разные свойства. Задача – создать стабильную структуру с нужными свойствами. Наши предыдущие исследования показали, что при лечении различных инфекционных заболеваний требуется оптимизация физико-химических свойств получаемых препаратов - размер частиц металла и комплексов на их основе, их морфология, лигандное окружение (тип молекулы-стабилизатора), концентрация и др. В зависимости от этих параметров препараты наносеребра проявляют различную биологическую активность, а также токсикологические свойства. То есть в каждом конкретном случае требуется оптимизация метода синтеза нанопрепарата, а также способа его применения (дозировка, периодичность и т.д.). Таким образом, настоятельно необходимо изучение общих закономерностей влияния метода синтеза наносеребра на его физико-химические (размер частиц металла и комплексов на их основе, их морфология, лигандное окружение, тип молекулы-стабилизатора, концентрация и др.) и биологические свойства (в том числе бактерицидные, противовирусные свойства, цито- и генотоксичность), что и планируется в настоящем проекте. Основное направление работ в данном проекте будет связано с оптимизацией методов синтеза наночастиц серебра и других металлов и изучении их физико-химических свойств. Поскольку в рамках данного проекта невозможно провести полноценные клинические испытания препаратов на людях, биологическая активность нанометаллических систем будет определяться in vitro, а также на животных (мыши, свиньи, крупный рогатый скот, птицы), инфицированных рядом болезнетворных микроорганизмов (E.coli, Salmonella enteritidis, P.auregenosa, Streptococcus Proteus и др.). Кроме того, несмотря на то, что бактерицидные свойства серебра известны с финикийских времен, до сих пор не установлен механизм биологической активности серебра, как ионного, так и нанометаллического (коллоидного). Существует более 10 различных гипотез, которые пока не получили достаточного доказательного подтверждения. Наши предыдущие исследования наносеребряных и нанозолотых катализаторов в жидкофазных реакциях органических соединений позволяет предполагать именно каталитическую природу механизма биологического действия наносеребра. Часть работы будет посвящена данной теме. Также представляет интерес сравнительное изучение в сопоставимых условиях физико-химических свойств и биологической активности наночастиц аналогов серебра - золота и платины. В литературе есть информация об их активности при лечении артритов, артрозов, онкологических заболеваний. Сравнение свойств этих нанометаллических частиц позволит лучше понять возможный механизм влияния методов синтеза нанометаллов на их структуру и активность.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Перес-Касельес К. , Альбуркерке Н. , Файзе Л., Богданчикова Н., Гарсия-Рамос Х. К., Родригес-Эрнандес А. Г. , Пестряков А. , Бургос Л. How to Get More Silver? Culture Media Adjustment Targeting Surge of Silver Nanoparticle Penetration in Apricot Tissue during in Vitro Micropropagation Horticulturae, Horticulturae, 2022, Vol. 8, article number 855 (год публикации - 2022)
10.3390/horticulturae8100855

2. Ромо Киньонес К.Р. , Альварес-Руис П. , Мехиа-Руис К. Х. , Богданчикова Н. , Пестряков А. , Гамес-Хименес К. , Валенсуэла-Кинонес В. , Монтойя-Мехиа М. , Нава Перес Э. Chronic toxicity of shrimp feed added with silver nanoparticles (Argovit-4®) in Litopenaeus vannamei and immune response to white spot syndrome virus infection PeerJ, PeerJ, 2022, V. 10, article 14231 (год публикации - 2022)
10.7717/peerj.14231

3. Гастелум-Лейва Ф., Пена-Жассо А., Альварадо-Вера М., Пласенсия-Лопес И., Патронесс-Ромеро Л., Лоэра Кастанеда В., Гандара-Мирелес Х.А., Ларес-Ассефф И., Леаль-Авила М.А., Алмейда-Перес Х., Богданчикова Н., Пестряков А., Альманза-Рейес Х. Evaluation of the efficacy and safety of silver nanoparticles in the treatment of neurological and non-neurological distemper in dogs: a randomized clinical trial Viruses, Viruses, 2022, V. 14, article 2329 (год публикации - 2022)
10.3390/v14112329

4. Плотников Е. В.,Третьякова М. С., Гарибо-Руиз Д., Родригес-Хернандес A. Г.,Пестряков А. Н., Толедано-Маганья Я., Богданчикова Н.Е. A Comparative Study of Cancer Cells Susceptibility to Silver Nanoparticles Produced by Electron Beam Pharmaceutics, V. 15, No 3, 962 (год публикации - 2023)
10.3390/pharmaceutics15030962

5. Богданчикова Н.E., Маклакова М., Виллареал-Гомес L. J., Нефедова Е., Шкиль Н. Н., Плотников Е., Пестряков А. Revealing the Second and the Third Causes of AgNPs Property to Restore the Bacterial Susceptibility to Antibiotics International Journal of Molecular Sciences, V. 24, No 9, 7854 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24097854

6. Перес-Каселлес К., Бургос Л., Санчес-Балибреа И., Эгеа Х. А., Фейз Л., Мартин-Вальмаседа М., Богданчикова Н., Пестряков А., Альбуркерке Н. The Effect of Silver Nanoparticle Addition on Micropropagation of Apricot Cultivars (Prunus armeniaca L.) in Semisolid and Liquid Media Plants, V. 12, No 7, 1547 (год публикации - 2023)
10.3390/plants12071547

7. Гарсия Гарсия М. Р., Касарес Н., Мартинес Перес Л. А., Куриэль Э. Х., де Хесус Эрнандес А. А., Богданчикова Н.,. Гарибо Д, Родригес-Эрнандес А. Г., Пестряков А., Гамбоа С. С., Ариас Руис Л. Ф., Торрес Бугарин О., Берраондо П. Silver nanoparticles induce a non-immunogenic tumor cell death Journal of Immunotoxicology, V. 20, No. 1, 2175078 (год публикации - 2023)
10.1080/1547691X.2023.2175078

8. Москеда О., Москеда Г.М., Компаньон И.Б., Шаури Е., Богданчикова Н., Консепсьон О., Эскалона М., Пестряков А., Лоренцо Дж.К. Growth of in vitro–regenerated plants of Gerbera jamesonii following micropropagation in temporary immersion bioreactors In Vitro Cellular & Developmental Biology - Plant , In Vitro Cellular and Developmental Biology - Plant, 2024, Volume 60, pages 384–389 (год публикации - 2024)
10.1007/s11627-024-10429-w

9. Маклакова М., Вильярреал Гомес Л. Х., Нефедова Е., Шкиль Н., Пестряков А., Богданчикова Н. Role of Biofilm Formation in the Drop of Bacterial Resistance to Antibiotics after Animal Therapy with Silver Nanoparticles ACS Applied Nano Materials, ACS Applied Nano Materials, Volume 7, Issue 14, Pp. 16553-16563 (год публикации - 2024)
10.1021/acsanm.4c02566

10. Нина Богданчикова, Роберто Луна Васкес-Гомес, Екатерина Нефедова, Диана Гарибо, Алексей Пестряков, Евгений Плотников, Николай Н. Шкиль Nanoparticles Partially Restore Bacterial Susceptibility to Antibiotics Materials, Materials, 2024, Vol. 17, Issue 7, Article Number 1629 (год публикации - 2024)
10.3390/ma17071629

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Недавняя пандемия COVID-19 высветила значительные бреши в защите человека от инфекций. Существует реальная и достаточно высокая вероятность возникновения новых инфекций, представляющих опасность для человека. Для борьбы (профилактика и лечение) с такого рода инфекциями необходимы препараты нового типа, отличающиеся по механизму действия от существующих антимикробных средств и вакцин, и таким образом дополняющие их. Эти препараты должны обладать комплексной универсальной активностью в отношении болезнетворных микроорганизмов независимо от их вида (бактерии, вирусы, грибки, простейшие) и, в целом, повышать устойчивость макроорганизма к инфицированию болезнетворными агентами, стимулировать неспецифический иммунитет, как общий, так и местный. В этом плане перспективны препараты наноструктурированного серебра. Свойства наночастиц серебра зависят от их строения, формы, размера, морфологии, лигандного окружения и способа получения. Арговит представляет собой препарат наносеребра с оптимизированными биохимическими и токсикологическими характеристиками. Эффективность Арговитa для борьбы с инфекционными возбудителями была показана многолетними исследованиями в разных областях медицины: кишечные инфекции различной этиологии; острые респираторно-вирусные инфекции и связанные с ними бактериальные осложнения; гнойная хирургия, диабетическая стопа; лекарственно устойчивые формы туберкулеза; вирусные инфекции, обусловленные как ДНК-, так и РНК-содержащими вирусами. На данном этапе работ были получены следующие результаты: 1. Была подтверждена возможность получения новых типов модифицированных препаратов наносеребра путем добавления небольших количеств (0,01 – 2 %) модификатора в базовые растворы ПВП и ГЖ. В качестве модификаторов могут быть использованы лиганды-комплексообразователи ионного серебра (аммиак, тиосульфат-ион, цитрат-ион), мягкие восстановители (глюкоза, одно-, двух, трехатомные спирты, глюкозамины и т.д.), Изготовлено 5 новых образцов модифицированных препаратов наносеребра. Для получения препарата наносеребра, предназначенного для синтеза катализаторов окисления спиртов, предложено в качестве модифицирующей добавки использовать спирты, фигурирующие в процессах окисления. Проведено сравнительное ПЭМ-изучение не модифицированных и модифицированных глюкозой препаратов наносеребра. Все препараты содержат НЧ серебра. Из не модифицированных препаратов наименьший размер частиц был у препарата Арговит-Био: средний размер 8,45 нм, стандартное отклонение 3,26 нм. Модифицирование глюкозой привело к значительному увеличению размера частиц. Форма мелких НЧ наиболее близка к сферической. Для более крупных НЧ, выражена огранка: кроме сферической, частицы имеют форму многогранников со скругленными углами (с плоскими проекциями в виде треугольников, шестиугольников, и т.д.). 2. Были представлены результаты ингибирования роста раковых клеток тремя составами AgNP в сочетании с нейтронным облучением. Рассчитаны коэффициенты усиления излучения. Установлено, что ингибирование роста раковых клеток зависит от дозы AgNPs и дозы нейтронов. Основным механизмом гибели клеток является индуцированный апоптоз. Установленные полумаксимальные ингибирующие концентрации при облучении различных культур раковых клеток отличались более чем в 20 раз. Применение AgNP приводит к изменению радиочувствительности клеток. Относительная радиочувствительность изученных линий раковых клеток к AgNPs увеличивалась в следующем ряду: Jurkat ˂ A-431 ˂ MCF-7 ≤ U-87 ˂ SKOV-3. AgNPs повышали эффективность облучения с коэффициентами повышения радиочувствительности 1,02-2,32 в зависимости от типа исследуемых AgNPs (при концентрации 0,2 мкг/мл). Таким образом, AgNP можно считать перспективными радиосенсибилизирующими агентами для нейтронного излучения. 3. Изучение влияния наночастиц серебра на морфологические, биохимические и иммунологические показатели крови у коров, больных послеродовым гнойно-катаральным эндометритом показало повышение активности фагоцитов, что свидетельствует о росте неспецифической резистентности и устойчивости организма к инфекционному заболеванию. При терапии послеродового гнойно-катарального эндометрита коров Арговитом средний срок лечения животных составил 7,8±0,1 суток, что в 1,8 раза меньше по сравнению с показателями контрольной группы. 4. Использование Арговита с 10 % концентрацией действующих веществ в дозе 10 мл на одно животное показало наибольший терапевтический эффект при субклиническом, серозном, катаральном маститах коров при наименьшем сроке лечения 3,2 ± 0,4; 4,1 ± 0,2; 4,9 ± 0,1 суток соответственно. После лечения мастита у коров в сыворотке крови коров первой опытной группы отмечено повышение уровня ЛАСК, по сравнению с исходным, на 5,6 %, БАСК – на 4,5 %, что указывает на повышение иммунного статуса животных. 5. Проведённые исследования показали способность наночастиц серебра восстанавливать чувствительность патогенных микроорганизмов к антибактериальным средствам. Применение препарата Арговит содержащего наночастицы серебра вызывало рост чувствительности у выделенной микрофлоры после лечения субклинического, серозного и катарального маститов у коров к большинству изучаемых препаратов. Так, при терапии субклинического, серозного, катарального маститов у коров препаратом Арговит установлен рост чувствительности изолятов у St. aureus, у St. epidermidis, у Str. dysgalactiae, у Str. agalactiae, у Str. pyogenes, у E. coli к неомицину, к стрептомицину, к гентамицину, к канамицину, к энрофлоксацину, к офлоксацину, к ципрофлоксацину, к тетрациклину, к доксициклину, к карбенициллину, к ампициллину, к цефтиофуру, к цефазолину, к тилозину, к линкомицину, к левомицетину от 0,6 до 100 %. 6. Изучение влияния наносеребряных препаратов на кишечную микробиоту цыплят-бройлеров методом LIVE/DEAD показало, что наночастицы серебра эффективно проникают через мембрану бактериальной клетки, вызывая её разрушение. Данные, полученные в ходе люминесцентного исследования влияния наночастиц серебра на бактериальное сообщество слепых отростков цыплят-бройлеров показало наличие выраженной поражающей способности препарата. Удельная доля клеток, утративших мембранный потенциал в опытной группе составила 70,11%. Таким образом, использование препарата на основе наночастиц серебра статистически достоверно вызывало гибель бактериальных клеток микробиома кишечника цыплят-бройлеров.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В настоящее время существует настоятельная, все возрастающая потребность в новых, альтернативных антибиотикам, антимикробных средствах. Особую актуальность работе придает тот факт, что в последние десятилетия в связи с глубоким кризисом фармацевтической промышленности в России практически перестали производиться антибиотики на основе собственного сырья, что является прямой угрозой национальной безопасности страны. Разрабатываемые наносеребряные препараты являются одним из наиболее эффективных методов решения проблемы обеспечения страны сильнодействующими лекарствами на основе отечественного сырья и технологий, в связи с их высокой эффективностью, широким спектром действия и сравнительно низкой ценой.