Мультимодальные плазмонные метки для биовизуализации и лечебной гипертермии

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 22-73-10052

НазваниеМультимодальные плазмонные метки для биовизуализации и лечебной гипертермии

Руководитель Соловьева Елена Викторовна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» 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 плазмоника, биовизулизация, гигантское комбинационное рассеяние, флуоресцентная микроскопия, оптические метки, наночастицы, золото, лечебная гипертермия, фотодинамическая терапия, тераностика

Код ГРНТИ31.15.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оптические агенты, используемые в настоящее время для биовизуализации раковых клеток, не всегда обладают достаточной светимостью, диапазон их сигнала зачастую приходится на видимый спектр, в котором значимо поглощение и рассеяние света окружающими здоровыми тканями. Кроме того, известные оптические агенты биовизуализации, прежде всего флуоресцентные метки, как правило, работают в одномодальном режиме, т.е. подходят только для одного метода диагностики. В совокупности это значительным образом снижает качество получаемых изображений, делает невозможным их использование для визуализации малых скоплений раковых клеток и очертаний опухолей, расположенных на глубине. Кроме того, существующие молекулярные оптические метки, не обладают заметной теплоотдачей при фотовоздействии и, соответственно, не могут быть использоваться в целях лечебной гипертермии, хотя и селективно локализуются в области злокачественных новообразований. Настоящий проект направлен на разработку бимодальных плазмонных меток для флуоресцентной томографии и картирования тканей методом гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) с использованием медицинских лазеров 633 и 785 нм. По результатам проекта будут получены системы типа «ядро-оболочка» на основе наночастиц золота, модифицированных флуорофорами и векторами доставки, имеющие интенсивный оптический отклик в области прозрачности биологических тканей. Для полученных систем будут проведены биологические испытания на отдельных клеточных линиях, изучены их цитотоксичность, эндоцитоз, проведены эксперименты по флуоресцентной биовизуализации, ГКР картированию и лазерно-индуцированной гибели. Разработанные метки обеспечат возможность проведения диагностики биотканей двумя независимым методами с использованием одного контрастного агента, что значительно повысит чувствительность и точность обнаружения раковых клеток. Высокая теплоотдача плазмонных меток позволит решить существующую проблему локализованного проведения гипертермальной терапии. Внедрение бимодальных оптических меток с расширенной функциональностью в современные медицинские технологии в целом будет способствовать улучшению эффективности диагностики и лечения злокачественных новообразований и будет обладать несомненной практической значимостью и для экономической, и для социальной сферы Российской Федерации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Свинко В.О., Шевчук А.И., Смирнов А.Н., Макеева Д.В., Соловьева Е.В. Оптические метки на основе золотых нанозвезд для ГКР-картирования тканей с использованием красных медицинских лазеров Оптика и Спектроскопия, том 130, вып. 10, с. 1590-1595 (год публикации - 2022)
10.21883/OS.2022.10.53631.3709-22

2. Шевчук А.И., Свинко В.О., Смирнов А.Н., Соловьева Е.В. SERS study of cyanine dyes: optimization of metal core and molecular label choice for plasmonic nanotags Dyes and Pigments, 216, 111329 (год публикации - 2023)
10.1016/j.dyepig.2023.111329

3. Свинко В.О., Смирнов А.Н., Шевчук А.И., Деменьшин А.И., Смирнов А.А., Соловьева Е.В. Comparative study of fluorescence core-shell nanotags with different morphology of gold core Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 226, 113306 (год публикации - 2023)
10.1016/j.colsurfb.2023.113306

4. Смирнов А.Н., Асланов С.Ф., Данилов Д.В., Курапова О.Ю., Соловьева Е.В. Solovyeva, One-Pot Synthesis of Silica-Coated Gold Nanostructures Loaded with Cyanine 5.5 for Cell Imaging by SERS Spectroscopy Nanomaterials, 13, 1267 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13071267

5. Шевчук А.И., Смирнов А.Н., Свинко В.О., Соловьева Е.В. Surface-enhanced Raman scattering of sulfo-cyanine NHS esters adsorbed on gold nanoparticles Russian Journal of General Chemistry, 94, S20-S27 (год публикации - 2024)
10.1134/S1070363224140032

6. Смирнов А.Н., Шаройко В.В., Соловьева Е.В. Оптимизация методики конъюгации анти-РЭФР к золотым наночастицам при разработке агентов тераностики Сборник научных трудов по материалам VIII Международной научно-практической молодежной конференции «Горизонты биофармацевтики», 2023. С. 36-38 (год публикации - 2023)

7. Деменьшин А.И., Свинко В.О., Смирнов А.Н., Соловьева Е.В. ГКР исследование ацетиленовых соединений: выбор репортера для биометок на основе анизотропных наночастиц золота Тезисы докладов Российской конференции и школы молодых ученых по актуальным проблемам спектроскопии комбинационного рассеяния света, 2023 с. 109 (год публикации - 2023)
10.34077/SCATTERING95-88

8. Свинко В.О., Соловьева Е.В. ГКР метки визуализации с ковалентно конъюгированным красителем: получение, тестирование и выявленные особенности Тезисы докладов Российской конференции и школы молодых ученых по актуальным проблемам спектроскопии комбинационного рассеяния света, 2023 С. 135 (год публикации - 2023)
10.34077/SCATTERING95-135

9. Соловьева Е.В., Свинко В.О., Смирнов А.А., Деменьшин А.И., Шевчук А.И., Смирнов А.Н. Мультифункциональные агенты биовизуализации, гипертермальной и фотодинамичексой терапии на основе анизотропных наночастиц золота Сборник тезисовX Съезда Российского фотобиологического общества и Конференции «Современные проблемы фотобиологии», 2023 С. 195-196 (год публикации - 2023)

10. Шевчук А.И., Соловьева Е.В. Приложение спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния к исследованию фолиевой кислоты внутри клеток Сборник тезисов X Съезда Российского фотобиологического общества и Конференции «Современные проблемы фотобиологии», 2023 С. 197-198 (год публикации - 2023)

11. Деменьшин А.И., Истомина М.С., Соловьева Е.В. Опыт in vivo флуоресцентной и компьютерной томографии с наночастицами золота в качестве контрастного агента Сборник тезисов X Съезда Российского фотобиологического общества и Конференции «Современные проблемы фотобиологии», 2023 С. 173-174 (год публикации - 2023)

12. Смирнов А.А., Поволоцкий А.В., Соловьева Е.В. Фотофизические свойства гибридных систем тераностики на основе наночастиц золота и порфиринов: флуоресцентный отклик и генерация синглетного кислорода Сборник тезисов X Съезда Российского фотобиологического общества и Конференции «Современные проблемы фотобиологии», 2023 С. 191-192 (год публикации - 2023)

13. Е. В. Соловьева Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния: 50 лет становления метода и его роль в нанобиотехнологии Российские нанотехнологии (год публикации - 2024)

14. А.Н. Смирнов, А.И. Шевчук, А.В. Волкова, В.Д. Калганов, Е.В. Соловьева Gold-silica plasmonic nanobones with tunable size and optical bimodality for bioimaging Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Номер 684, 133115 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2023.133115

15. Соловьева Е., Свинко В., Смирнов А., Деменьшин А., Шевчук В., Истомина М. ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И IN VIVO АПРОБАЦИИ ГИБРИДНЫХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МЕТОК НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА И ЦИАНИНОВ Сборник тезисов всероссийской конференции по люминесценции LUMOS 2024 23-26 апреля 2024 МГУ имени М.В. Ломоносова Москва, c. 115 (год публикации - 2024)

16. Деменьшин А.И., Истомина М.С., Соловьева Е.В. Optical Properties of Fluorescent Tags Based on Gold Nanoparticles at Physiological Salt Content: In Vitro and In Vivo Study Journal of Biomedical Photonics & Engineering, Demenshin A., Istomina M., Solovyeva E. Optical Properties of Fluorescent Tags Based on Gold Nanoparticles at Physiological Salt Content: In Vitro and In Vivo Study // Journal of Biomedical Photonics and Engineering. 2024. V. 10. № 4. 040312 (год публикации - 2024)
10.18287/JBPE24.10.040312

17. Деменьшин А.И., Сорокоумов В.Н., Соловьева Е.В. Plasmon based tags for Raman bioimaging in silent region Book of abstracts 21st International Conference Laser Optics (ICLO 2024), A.I. Demenshin, V.N. Sorokoumov, E.V. Solovyeva, Plasmon based tags for Raman bioimaging in silent region, 21st International Conference Laser Optics (ICLO 2024), July 1-5, 2024, Saint-Petersburg, Russia p. 517 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624094

18. Асланов С.Ф., Свинко В.О., Соловьева Е.В. Chitosan coated gold nanorods as precursors of agents for hyperthermal and photodynamic therapy Book of abstracts of XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “Mendeleev 2024”, S.F. Aslanov, V.O. Svinko, E.V. Solovyeva, Chitosan coated gold nanorods as precursors of agents for hyperthermal and photodynamic therapy, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “Mendeleev 2024”, September 2-6, 2024, Saint-Petersburg, Russia, p. 404 (год публикации - 2024)

19. Деменьшин А.И., Истомина М.С., Медведева Л.Н., Соловьева Е.В. Peculiarities of tissue imaging by SERS spectroscopy and fluorescence tomography using gold nanolabels Journal of Biophotonics, A.I. Demenshin, M.S. Istomina, L.N. Medvedeva, E.V. Solovyeva, Peculiarities of tissue imaging by SERS spectroscopy and fluorescence tomography using gold nanolabels, Journal of Biophotonics 2025 (год публикации - 2025)

20. Соловьева Е.В., Свинко В.О., Деменьшин А.И., Смирнов А.Н., Шевчук А.И. Cellular and tissue bioimaging by SERS spectroscopy using gold nanotags with cyanine dyes Book of Abstacts of 28th International Conference on Raman Spectroscopy – ICORS 2024, E.V. Solovyeva, V.O. Svinko, A.I. Demenshin, A.N. Smirnov, A.I. Shenchuk, Cellular and tissue bioimaging by SERS spectroscopy using gold nanotags with cyanine dyes, Book of abstracts of 28th International Conference on Raman Spectroscopy – ICORS 2024, 28.07-02.08.2024, Rome Italy, p. 393 (год публикации - 2024)

21. Деменьшин А.И., Соловьева Е.В. Гибридные структуры на основе наночастиц золота и органических флуорофоров: получение, свойства и применение в тераностике Российская академия наук, А.И. Деменьшин, Е.В. Соловьева, Гибридные структуры на основе наночастиц золота и органических флуорофоров: получение, свойства и применение в тераностике, Успехи химии 2025 (год публикации - 2025)
10.59761/RCR5169

22. Деменьшин А.И., Борисов Е.В., Сорокоумов В.Н., Соловьева Е.В. Surface-enhanced Raman scattering and cell imaging ability of plasmonic tags based on covalent conjugates of gold nanorods with aromatic alkynes Journal of Raman Spectroscopy, A.I. Demenshin, E.V. Borisov, V. N. Sorokoumov, E. V. Solovyeva, Surface-enhanced Raman scattering and cell imaging ability of plasmonic tags based on covalent conjugates of gold nanorods with aromatic alkynes, Journal of Raman spectroscopy, 2025 (год публикации - 2025)
10.1002/jrs.6791

23. Соловьева Е.В., Свинко В.О., Смирнов А.А., Деменьшин А.И., Шевчук А.И., Смирнов А.Н. Fluorescence Tags for Bioimaging by Plasmon-Enhanced Spectroscopy Book of Abstacts of 31st international conference advanced laser technologies ALT 2024, E. Solovyeva, V. Svinko, A. Smirnov, A. Demenshin, A. Shevchuk, A. Smirnov, Raman-Fluorescence Tags for Bioimaging by Plasmon-Enhanced Spectroscopy, Book of Abstacts of 31st international conference advanced laser technologies ALT 2024, 23-27 September 2024, Vladivostok, Russia, p. 176 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На третьем этапе проекта проведены синтез и характеризация бимодальных оптических меток на основе наночастиц золота по методикам, отработанным за первые два года выполнения гранта. Согласно плану работ, заявленному на третий этап проекта, основной курс был взят на биологическое тестирование полученных меток, в котором ключевым этапом было их in vivo исследование на лабораторных животных. Проведённые с полученными метками эксперименты in vivo на лабораторных мышах линии ICR наглядно продемонстрировали возможность работы в режиме флуоресцентной и компьютерной томографии. Установлено, что снимки, зарегистрированные в режиме компьютерной томографии, позволяют идентифицировать область локализации золотых меток, для приемлемого контрастирования минимально необходимое содержание меток во вводимой дисперсии должно составлять не менее 20 мг/мл. Выявлен факт заниженного флуоресцентного сигнала селезенки (как аутофлуоресценции, так и целевой эмиссии введенных меток), что соотнесено с высоким удельным накоплением золотых наноструктур и сопутствующими эффектами самопоглощения. Данный случай показывает, что флуоресцентная томография может давать ненадежные результаты для тканей с высоким накоплением меток, таких как красная пульпа селезенки. Впервые оценено естественное биораспределение в тканях плазмонных наноструктур с помощью гигантского комбинационного рассеяния, которое согласуется с содержанием золота на грамм ткани, которое определили с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии. Полученная корреляция открывает возможности использования спектроскопии ГКР в качестве дополнительного метода для оценки полуколичественного распределения золотых наночастиц в тканях. Работы 3 этапа проекта выполнены в полном объеме и в срок, опубликованы 2 статьи, 2 статьи приняты к печати, сделано 1 приглашенный, 3 устных и 1 стендовый докладов на всероссийских и международных конференциях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта вносят вклад в формирование научного задела Российской Федерации в области инновационных средств диагностики и терапии онкологических заболеваний. В частности, функционализированные красителями гибридные золото-полимерные наноструктуры имеют высокий потенциал для локальной фототермической терапии, являющейся перспективным методом лечения отдельных типов рака. Накопление компетенций в области новых методов и препаратов тераностики способствует созданию прогрессивных технологий ранней диагностики злокачественных новообразований, вспомогательных средств для более полной резекции раковых опухолей при хирургических вмешательствах. Бурное внедрение сопутствующих лазерных и оптических технологий в современную медицину (медицинские лазеры высокой мощности, миниатюризированные оптоволоконные системы, оптические томографы) дает надежду практической реализации разрабатываемых агентов биовизуализации и гипертермии в обозримой перспективе. Повышение эффективности диагностики и лечения злокачественных новообразований с помощью разрабатываемых оптических агентов внесет существенный вклад в развитие персонализированной медицины и высокотехнологичного здравоохранения, которые являются важными составляющими экономического и социального роста государства.