Магнитные наночастицы оксида железа с функционализированной поверхностью для применения в биотехнологии и биомедицине

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 22-14-20020

НазваниеМагнитные наночастицы оксида железа с функционализированной поверхностью для применения в биотехнологии и биомедицине

Руководитель Столяр Сергей Викторович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" , Красноярский край

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

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-204 - Биофизика

Ключевые слова Магнитные наночастицы, оксид железа, аффинные сорбенты, молекулярный анализ, сепарация клеток, цитотоксичность

Код ГРНТИ34.17.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке магнитных наночастиц на основе оксида железа с функционализированными поверхностями для получения высокоаффинных сорбентов и высокочувствительных биоаналитических систем в соответствии с постоянно растущими нуждами современной биомедицины и молекулярной биотехнологии. В задачи проекта входит получение наночастиц для выделения и аффинной очистки рекомбинантных гибридных белков, несущих в качестве вспомогательного полипептида мальтозо-связывающий белок из цитоплазматической фракции бактериальных клеток, а также для получения высокоочищенных фракций экзосом и сепарации CD326-позитивных эпителиальных клеток из сыворотки крови и мочи соответственно. В работе запланировано исследование молекулярных механизмов цитотоксичности разработанных наночастиц для живой клетки, нормальной и опухолевой, для поиска оптимального состава наночастиц, позволяющего получать отдельные клоны клеток, минимально изменяя их метаболизм. Для решения поставленных задач будут получены наночастицы с покрытиями крахмалом, оксидом кремния и полиэтиленгликолем с функционализацией различными полипептидами (антитела, углевод-связывающий белок конканавалин А, онкомаркер сурвивин). Будут изучены физико-химические свойства полученных нанокомпозитов и исследован их потенциал как высокоаффинных сорбентов и биоспецифичных подложек для выделения целевых диагностически-значимых специфичных белков и клеток из сложных биологических жидкостей организма человека. Полученные в данном проекте результаты расширят фундаментальные знания о принципах взаимодействия молекул и живых объектов и могут быть использованы для получения магнитных наночастиц, функционализированных различными молекулами. В перспективе полученные наночастицы могут использоваться при разработке биоаналитической платформы для определения комплекса показателей, связанных с диагностикой и мониторингом ряда заболеваний.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Столяр С.В., Ярославцев Р.Н., Тюменцева А.В., Комогорцев С.В., Тютрина Е.С., Саитова А.Т., Герасимова Ю.В., Великанов Д.А., Рауцкий М.В., Исхаков Р.С. Manifestation of Stoichiometry Deviation in Silica-Coated Magnetite Nanoparticles Journal of Physical Chemistry C, V. 126, № 17, p. 7510-7516 (год публикации - 2022)

2. С. В. Столяр, О. А. Ли, Е. Д. Николаева, А. М. Воротынов, Д. А. Великанов, Ю. В. Князев, O. A. Баюков, Р. С. Исхаков, В. Ф. Пьянков, М. Н. Волочаев Эффективный способ магнитной гипертермии, основанный на явлении ферромагнитного резонанса Физика металлов и металловедение, 2023, т.124, № 2 (год публикации - 2023)

3. Важенина И.Г., Столяр С.В., Тюменцева А.В., Волочаев М.Н., Исхаков Р.С., Комогорцев С.В., Пьянков В.Ф., Николаева Е.Д. Исследование магнитных наночастиц оксида железа, покрытых оксидом кремния, методом ферромагнитного резонанса Физика твердого тела, 2023, том 65, вып. 6, c. 923-927 (год публикации - 2023)
10.21883/FTT.2023.06.55644.01H

4. С. В. Столяр, О. А. Ли, Е. Д. Николаева, А. М. Воротынов, Д. А. Великанов, Ю. В. Князев, О. А. Баюков, Р. С. Исхаков, В. Ф. Пьянков, М. Н. Волочаев An Effective Method of Magnetic Hyperthermia Based on the Ferromagnetic Resonance Phenomenon Physics of Metals and Metallography, Vol. 124, No. 2, pp. 174–180 (год публикации - 2023)
10.1134/S0031918X22601834

5. Красицкая В.В., Кудрявцев А.Н., Ярославцев Р.Н., Великанов Д.А., Баюков О.А., Герасимова Ю.В., Столяр С.В., Франк Л.А. Starch-Coated Magnetic Iron Oxide Nanoparticles for Afﬁnity Puriﬁcation of Recombinant Proteins International Journal of Molecular Sciences, V. 23, №10, p. 5410 (год публикации - 2022)

6. Панамарев Н.С., Тюменцева А.В., Красицкая В.В., Франк Л.А. Magnetic Particles as a Carrier to Select Aptamer for Survivin (BIRC5), a Low Molecular Weight Protein Tumor Marker Siberian Federal University, Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics 2024, 17(6), 769–775 (год публикации - 2024)

7. Красицкая В.В., Драндрова К.А., Тюменцева А.В., Важенина И.Г., Лукьяненко А.В., Столяр С.В., Франк Л.А. Concanavalin A–activated magnetic nanoparticles as an affine material for urinary exosome isolation John Wiley and Sons Inc, Biotechnol Appl Biochem. 2024;1–11 (год публикации - 2024)
10.1002/bab.2696

8. Комогорцев С.В., Столяр С.В., Мохов А.А., Фельк В.А., Великанов Д.А., Исхаков Р.С. Effect of the Core–Shell Exchange Coupling on the Approach to Magnetic Saturation in a Ferrimagnetic Nanoparticle MDPI, Magnetochemistry 2024, 10, 47 (год публикации - 2024)
10.3390/magnetochemistry10070047

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Магнитные частицы оксида железа, модифицированные аминосилоксаном, (γ-Fe2O3@SiO2-NH2) использовали как носитель для проведения отбора ДНК-аптамеров к низкомолекулярному белку-онкомаркеру сурвивину (BIRC5, 15 кДа) из рандомизированной синтетической ДНК библиотеки методом SELEX. Сурвивин ковалентно иммобилизовали на поверхность частиц. Мониторинг обогащения библиотек проводили с помощью твердофазного биолюминесцентного иммуноанализа и методом плавления ДНК. Получена библиотека ДНК аптамеров, обогащенная последовательностями аффинными к сурвивину. Показана перспективность применения полученных наночастиц для эффективного отбора аптамеров, специфичных к заданной мишени. Магнитные наночастицы оксида железа модифицированные аминосилоксаном (γ-Fe2O3@SiO2-NH2) использовали как носитель для проведения количественного биолюминесцентного анализа специфичных антител к вирусу SARS- CoV-2 в сыворотке крови человека. Магнитные частицы были модифицированы стрептавидином для иммобилизации биотин-содержащего Spike белка. Сформированный на поверхности магнитных частиц комплекс S-белок~антитело выявляли гибридным производным Са2+-регулируемого фотопротеина обелина, удлиненного иммуноглобулин-связывающим доменом белка А Staphylococcus aureus. Разработанный анализ может быть легко адаптирован для количественного выявления любых антител в сыворотке крови человека. Полученные стрептавидин-активированные частицы могут быть также использованы для выделения специфичных антител из сыворотки аффинной хроматографией. Произвели функционализацию поверхности магнитных частиц γ-Fe2O3@SiO2-NH2 антителами (анти-CD326) для использования в качестве инструментов для специфического захвата клеток из суспензионной смеси. Антитела связывали с частицами ковалентно через гомобифункциональный линкер диметил суберимедат (DMS) по свободным NH2-группам. Тестовое выделение клеток рака мочевого пузыря линии T24 из суспензии показало, что 200 мкг частиц может связать около 52 000 клеток. Альтернативно провели функционализацию поверхности частиц стрептавидином для захвата клеток посредством использования биотинилированных антител. Сепарация клеток Т24 при помощи стрептавидин-биотинового взаимодействия в тестовом эксперименте показала связывание около 64 000 клеток на 200 мкг частиц. Оценили жизнеспособность клеток после сепарации и способность их к дальнейшему культивированию на примере линии Т24. Показано, что при благоприятных условиях культивирования, клетки, иммобилизованные на частицах, сохраняют способность к адгезии и дальнейшему делению. Это позволяет использовать полученные композиты для получения чистых первичных культур клеток из суспензионных смесей, включая осадок мочи человека при условии подбора оптимальных условий для адаптации клеток.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Крахмал-активированные магнитные наночастицы оксида железа могут быть использованы в качестве аффинного сорбента для очистки рекомбинантных белков, содержащих в качестве вспомогательного домена мальтоза-связывающий белок (MBP). Полученный сорбент обладает высокой сорбционной емкостью и стабильностью, что позволяет получать белковые препараты высокой степени очистки за одну стадию хроматографической очистки, а также может быть троекратно использован без потери сорбционной ёмкости. Полученные аминированные магнитные наночастицы оксида железа с соответствующей функционализацией поверхности (например, химической иммобилизации специфических белков) могут быть использованы для сепарации различных молекул, клеток и субклеточных структур, а также как носитель для проведения молекулярного анализа или отбора ДНК аптамеров методом SELEX. Частицы, функционализированные специфическими антителами, могут быть в дальнейшем использованы для разработки технологий получения чистых первичных культур опухолевых клеток из биологического материала с целью развития персонифицированной медицины. Магнитные наночастицы оксида железа, функционализированные конканавалином А могут быть использованы в качестве сорбента для аффинного выделения высокоочищенной фракции экзосом из биологической жидкости (моча) в интактном виде и без утраты экзосомального груза. Использование магнитных наночастиц позволяет использовать магнитную сепарацию вместо ультрацентрифугирования, что может способствовать внедрению экзосом в качестве диагностических маркеров в клиническую практику.