Многослойные фотополимеризуемые органо-неорганические гидрогелевые системы с флуоресцентным откликом и контролируемым рилизингом ингибиторов кворум сенсинга для регенерации обширных ран

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 23-73-10158

НазваниеМногослойные фотополимеризуемые органо-неорганические гидрогелевые системы с флуоресцентным откликом и контролируемым рилизингом ингибиторов кворум сенсинга для регенерации обширных ран

Руководитель Гржегоржевский Кирилл Валентинович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 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; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые слова темплат, гидрогели, рилизинг, ингибиторы кворум сенсинга, полиоксометаллат, флуоресцентный отклик, гибридные материалы, регенерация

Код ГРНТИ31.15.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание синтетических подходов к дизайну новых умных-материалов (smart-materials) для задач регенерации кожных покровов и пролонгированной доставки (рилизинга) целевых биоактивных молекул: ингибиторов кворум сенсинга (ИКС, QS-ингибитор) и местных анестетиков. Предлагаемый к реализации проект состоит из трех ключевых программных модулей. Первый модуль посвящен декорированию структуры катионных и неионогенных ИКС посредством введения функциональных групп, влияющих на фундаментальные процессы молекулярного распознавания на мембранах бактериальных клеток. Проявляя сродство к целевым рецепторам, ИКС нарушают химическую коммуникации внутри клеточной колонии и не позволяют сформировать бактериальную пленку – один из главных факторов возникновения больничных суперинфекций. Второй модуль связан с разработкой подходов к получению фотополимеризуемых биосовместимых гидрогелевых систем на основе сеток полиакриламида (ПААм). Ключевой особенностью создаваемых гидрогелевых систем будет их многослойность. При общей толщине порядка 5 мм, за счет последовательной фотополимеризации в присутствии витамина В2 (фотоинициатор) предлагается создание сэндвич-структуры из 3-4 слоев. Первый слой (гидрогель #1) состоит из ПААм гидрогеля с ПОМ {Мо132} (молекулярного темплата), предварительно ассоциированного с аналгетиком, антибиотиком (в катионной форме, тетрациклин и др.) и катионным ИКС, а также включает поверхностную хитозановую пленку (толщиной несколько мономолекулярных слоев и состоящую из чередующихся слоев хитозана и макроаниона {Мо132}), обращенную к ране. Следующий слой (гидрогель #2) может состоять только из ПААм или дополнительно включать в структуру ПОМ для контроля размера сетки. Данный слой выполняет тормозящую функцию, предотвращая преждевременный рилизинг компонентов из следующего слоя (гидрогель #3). Гидрогель третьего слоя по своей структуре повторяет гидрогель #1, однако, содержит менее сильный анестетик (или меньшую дозу), антибиотик (с меньшей концентрацией, чем в 1 слое; использование здесь антисептика нежелательно, т.к. на поздних стадиях это мешает грануляции регенерирующей ткани), а также ИКС в меньшей дозе, что призвано обеспечить плавный переход к следующему этапу регенерации тканей, когда вероятность развития бактериальных инфекций уже снижена, а болевые ощущения выражены слабее. Верхний, четвертый слой (гидрогель #4) представляет собой ПААм сетку, с включенными наночастицами TiO2, введение которых служит защите от светового воздействия на рану и обеспечивает защиту от контаминации за счет фотоиндуцированной окислительной деструкции микроорганизмов и вирусов, адсорбировавшихся на внешней поверхности гидрогеля. В качестве базовых модельных анестетиков будут использованы актуальные сегодня препараты (в катионной форме) типа лидокаин, ультракаин, бупивакаин, а на роль антибиотика выбран – тетрациклин (в катионной форме). После отработки методик получения многослойных гидрогелевых систем с заданными параметрами рилизинга модельных соединений, будут проведены работы третьего модуля. Данный блок исследования посвящен изучению биологической активности синтезированных в ходе выполнения работ первого модуля ИКС на бактериальных культурах (Staphylococcus и др.) и на модельных организмах (рыбы Danio rerio, анализ общего биологического эффекта). На основе проведенных скрининговых экспериментов в условиях in vivo будут выбраны наиболее перспективные ИКС для включения их в состав многослойных гидрогелевых систем. Кроме того, будет изучен регенеративный эффект получаемых многослойных гидрогелевых систем в экспериментах по культивированию фибробластов in vitro и in vivo на лабораторных животных (мыши). Таким образом, решаемая в проекте задача по решению проблемы персонифицированной медицины в области регенерации кожных и слизистых покровов является в полной мере актуальной, а предлагаемые синтетические подходы обладают достаточным уровнем научной новизны.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Я.К. Штайц, E.Д. Ладин, Н.В. Словеснова, К.Д. Красноперова, Д.С. Копчук, Г.В. Зырянов, В.Л. Русинов СИНТЕЗ НОВЫХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ КАНДИДАТОВ – ПРОИЗВОДНЫХ МЕМАНТИНА И РИМАНТАДИНА Журнал общей химии (год публикации - 2023)

2. К.В. Гржегоржевский, А.Д. Деникаев, С.А. Ионин, П.А. Абрамов, П.С. Постников, Н.С. Солдатова ТЕМПЛАТНЫЙ ЭФФЕКТ НАНОКЛАСТЕРНЫХ ПОМ ДЛЯ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОГО ДИЗАЙНА МАТЕРИАЛОВ: МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ХАОТРОПНЫЕ СВОЙСТВА СОВРЕМЕННЫЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДОЛОГИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (MOSM 2023, Сборник тезисов VII Международной конференции / отв. за вып. А. С. Макаров, М. Г. Учускин ; Пермский государственный национальный исследовательский университет. – Пермь, 2023. – 346 (год публикации - 2023)

3. А. Деникаев, Ю. Кузнецова, А. Быков, К. Белова, П. Абрамов, Н. Москаленко, Е. Скорб, К. Гржегоржевский Keplerate {Mo132}–Stearic Acid Conjugates: Supramolecular Synthons for the Design of Dye-Loaded Nanovesicles, Langmuir–Schaefer Films, and Infochemical Applications ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 6, 7430–7443 (год публикации - 2024)
10.1021/acsami.3c16374

4. Гржегоржевский К.В., Деникаев А.Д., Ионин С.А., Боровых Д.В., Прокофьева А.В., Тонкушина М.О., П.А. Абрамов, П.С. Постников, Н.С. Солдатова НАНОКЛАСТЕРНЫЕ ПОЛИОКСОМЕТАЛЛАТЫ: СИНТОНЫ И СКАФФОЛДЫ ДЛЯ ЗАДАЧ МОЛЕКУЛЯРНОГО РАСПОЗНАВАНИЯ Х Международный симпозиум “Дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур”, Х Международный симпозиум “Дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур” (год публикации - 2024)

5. М.О. Тонкушина, И.Д. Гагарин, А.А. Гусейнова, П.А. Абрамов, М.Н. Соколов, В.С. Коренев, С.А. Петров, А.А. Остроушко, В.И. Пряхина, К.Г. Белова, К.А. Терещенко, Г.О. Охотников, А.А. Ермошин, К.В. Гржегоржевский Molecular recognition on the multi-sites binding surface of the Keplerate {Mo72Fe30} giving the supramolecular texturing and modulating the function of guest molecules (год публикации - 2024)

6. Е. А. Кудряшова, М. И. Валиева, Н. В. Словеснова, А. В. Болотова, Ю. М. Сайфутдинова, С. Е. Ватолина, И. Л. Никонов, К. В. Гржегоржевский, Д. С. Копчук, Г. В. Зырянов, В. Л. Русинов Синтез (би)пиридиновых производных орнидазола Журнал Известия Академии Наук Серия Химическая (год публикации - 2024)

7. А. Е. Левченко, Д. В. Зайцев, К. В. Гржегоржевский Гидрогелевые композиции для систем рилизинга лекарственных препаратов Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, Химия и химическая технология в XXI веке : материалы XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.П. Лопатинского. В 2 томах. Том 2 (г. Томск, 20–24 мая 2024 г.) / Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2024. – 423 с (год публикации - 2024)

8. К.В. Гржегоржевский, С.А. Ионин, А.Д. Деникаев, Д.В. Боровых, А.Е. Левченко, А.В. Прокофьева, А.А. Гусейнова, М.О. Тонкушина, П.А. Абрамов, П.С. Постников, Н.С. Солдатова Нанокластерные полиоксометаллаты: дизайн супрамолекулярных архитектур, динамических ансамблей и молекулярное распознавание Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов (MOSM 2024) : сборник тезисов, Екатеринбург, 9–13 июня 2024 года. – Екатеринбург: Индивидуальный предприниматель Шестакова Екатерина Вячеславовна, Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов (MOSM 2024) : сборник тезисов, Екатеринбург, 9–13 июня 2024 года. – Екатеринбург: Индивидуальный предприниматель Шестакова Екатерина Вячеславовна, 2024. – 313 с. (год публикации - 2024)

9. Гржегоржевский К.В., Левченко А.Е., Копчук Д.С., Никонов И.Л., Валиева М.И., Боровых Д.В. Hybrid nanocluster-embedded hydrogels for the controlled drug release and bioink application XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. — St Petersburg.: VVM Publishing LLC, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. — St Petersburg.: VVM Publishing LLC, 2024. — 822 p. (год публикации - 2024)

10. Tonkushina, Margarita Gagarin, Ilya Guseynova, Aysel Abramov, Pavel Sokolov, Maxim Korenev, Vladimir Petrov, Sergey Ostroushko, Alexander Pryakhina, Victoria Belova, Ksenia Tereshchenko, Konstantin Okhotnikov, Georgiy Ermoshin, Alexander Grzhegorzhevskii, Kirill Molecular Recognition on the Multisite Binding Surface of the Keplerate {Mo 72 Fe 30 } Giving Supramolecular Texturing and Modulating the Function of Guest Molecules Inorganic Chemistry (ACS), Inorganic Chemistry. – 2024. – Т. 63. – №. 38. – С. 17388-17405. (год публикации - 2024)
10.1021/acs.inorgchem.4c01338

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках создания гибридных многослойных гидрогелевых патчей для регенерации обширных ран нами получены результаты, которые можно разделить на три блока. Первый относится к синтезу новых ингибиторов бактериального чувства кворума (Quorum Sensing Inhibitor), второй блок связан с установлением фундаментальных зависимостей состава и структуры гидрогеля, полученного в условиях фотополимеризации, третий блок посвящен результатам анализа биосовместимости и QSI-активности полученных соединений в условиях in vitro и in vivo. Для настройки противомикробной активности гидрогелевых патчей нами предложена концепция комбинированного рилизинга антибиотика средней силы (тетрациклин) и QSI-агентов, что позволяет избежать формирования условий для возникновения супербактерий, но вместе с тем реализовать эффективное лечение ран, предотвращая развитие бактериальный инфекций. В этом контексте, нами были предложены оригинальные методики синтеза, в рамках которых были получены структурные библиотеки, содержащие 2-(гет)арил-замещенных бензо[d]тиазолы и производные пиридина, несущим остаток адамантана. Для оценки потенциальной QSI-активности данных соединений были выполнены in silico эксперименты по молекулярному докингу к белкам-мишеням: белок LasR штамма P. aeruginosa, белок LsrR штамма E.coli и белок PqsE штамма P.aeruginosa. В результате для четырех соединений было показано, что они имеют сродство к белку-мишени выше, чем у нативного лиганда, при этом профиль нековалентных взаимодействий в центре связывания синтезированных нами соединений существенно отличается от характера связывания молекулы-агонисты. Таким образом, четыре соединения обладают потенциальной QSI-активностью и способны блокировать работы указанных белков. Для изучения возможности пролонгированного рилизинга QSI-агентов и анестетиков из структуры гидрогеля нами был изучен процесс ассоциации тетрациклина (ТС) берберина (В), его производных и группы анестетиков (лидокаин - LC, бупивакаин - BC и артикаин - Art), находящихся в катионной форме в растворе, с нанокластерным полиоксометаллатов (ПОМ) {Mo132} кеплератного типа. Данный ПОМ играет роль темплата, формирующего супрамолекулярную структуру гидрогеля и отвечает за рН-зависимое высвобождение биоактивных молекул, которые с ним ассоциированы, т.к. при рН=7.4 происходит деструкция {Mo132}. Используя группу физико-химических методов нами установлена стехиометрия ассоциатов: (NH4)11{Mo132}TC31¬, (NH4)24{Mo132}LC18, (NH4)26{Mo132}BC16 и (NH4)12{Mo132}Art30, а также подтверждено сохранение структуры кеплерата, определен электрокинетический потенциал и механизм электростатического и координационного взаимодействия гостевых молекул с поверхность ПОМ. Благодаря полученным данным подобраны условия для солюбилизации берберина и его производных в среде Лурия-Бертани, которая используется для культивирования бактериальных клеток в экспериментах по определению QSI-активности. Как было нами обнаружено, ассоциация с ПОМ инактивирует QSI-активность берберина и его производных, обеспечивая иммобилизацию данных компонентов в составе гидрогеля и их активацию после рН-зависимой деструкции {Mo132}. Для производной берберина B-OH была найдена высокая QSI-активность по отношению к лабораторному штамму P.aeruginosa с минимальной концентраций, подавляющей рост биопленки на 40%, в 700 мкмоль/л. С целью включения биоактивных молекул, в частности, ТС, в состав гибридной гидрогелевой композиции нами были выполнены исследования по анализу влияния молекулярной массы полиакриламида (ПААМ) и температуры на реологические свойства системы ПААМ-ПОМ, а также было изучено влияние ТС на процесс фотополимеризации гидрогеля. В результате нами были обнаружены условия, при которых в системе ПААМ-ПОМ наблюдается полностью обратимый переход от неньютоновского к ньютоновскому поведению и установлено, что для формирования гидрогеля необходима комбинация последовательного облучения при 365 нм и 520 нм. Варьирование условий облучения, концентрации ТС и бис-АА позволило нам установить зависимость размера сетки гидрогеля (определенной в рамках теории Флори-Ренера) и кинетики рилизинга ТС от состава гидрогелевой композиции. Показано, что выход ТС достигает максимального значения через 1.5 суток. Дополнительно, нами успешно оптимизирована методика получения ПААМ, ковалентно модифицированного молекулами родамина-Б, что позволило создать основу для воспроизводимой технологии синтеза указанного полимера, имеющего широкий спектр приложений, в частности, обеспечивающей реологические характеристики разрабатываемого нами гидрогеля и его флуоресцентный отклик. Результаты исследований биологического блока связаны как исследованием биосовместимости гидрогеля, так и отдельных его компонентов. Для анализа токсического эффекта гидрогелей, содержащих ТС, в условиях in vitro была выбрана линия фибробластов человека. Тест проводился в бесконтактном режиме, когда фрагмент гидрогеля фиксировался в лунке планшета без прямого контактной величиной размера сетки (6.6-7.7 нм) показали, что по критерию Манна-Уитни нет статистически значимых различий с контрольной группой и гидрогели можно отнести к категории биосовместимых. В качестве моделей по исследованию биосовместимости гидрогелей в условиях in vivo были выбраны белые беспородные лабораторные крысы-самцы. Исследование включало моделирование линейной раны. Животных выводили из эксперимента на 3, 7 и 14 сутки. Из-за низкого потока эксудата линейной раны гидрогель теряет значительное количество воды в первые два дня, что мешает протеканию регенеративного процесса и сопровождается остаточным проявлением воспалительной реакции. В группе гель к 14-м суткам происходит закрытие раневого дефекта новообразованным эпидермисом. Необходимо провести дополнительные эксперименты по подбору оптимальной раневой модели, исходя из необходимого потока эксудата, обеспечивающего гидратированное состояние геля. На текущий момент применение получаемых гидрогелей, вероятно, лежит в области лечения обширных рваных или ожоговых ран.

Публикации