Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Все работы, осуществленные в 2024 г., были выполнены в полном соответствии с заявленным планом работ на год, а также с общим планом работ по проекту. В ходе выполнения проекта в 2024 г. был получен ряд важных результатов, позволивших получить новые сравнительные данные о радикал-перехватывающих свойствах и ферментоподобной активности наноматериалов на основе диоксида церия, стабилизированных низкомолекулярными органическими соединениями. 1. Разработана методика синтеза устойчивых коллоидных растворов нанодисперсного диоксида церия (гидродинамический диаметр 10–30 нм), стабилизированного природными антиоксидантами. Впервые проведена модификация неорганических наночастиц мочевой кислотой, карнозином (β-аланил-L-гистидином) и тролоксом (3,4-дигидро-6-гидрокси-2,5,7,8-тетраметил-2Н-1-бензопиран-2-карбоновой кислотой). Получено подтверждение связывания лигандов с поверхностью наночастиц, при этом в результате стабилизации тролоксом и аскорбат-анионом вероятно частичное восстановление ионов церия в составе нанокристаллического CeO2. Предложена модель позволяющая оценить степень покрытия поверхности наночастиц CeO2 органическим лигандом. Показано соответствие результатов проведенных оценок с результатами динамического рассеяния света коллоидных растворов. 2. Золи CeO2, стабилизированные цитратом аммония использованы в качестве модельного объекта при экспериментальной проверке математической модели, описывающей диффузию коллоидных частиц через мембраны с ультрамалым размером пор (< 10 нм). 3. Анализ антиоксидантной активности коллоидных растворов CeO2 в модельной реакции окисления люминола в присутствии алкилпероксильных радикалов показал, что наиболее выраженное количественное влияние на антиоксидантные свойства диоксида церия оказывают тролокс, аскорбат натрия и урат калия. Установлено, что стабилизация золя СеО2 тролоксом в диапазоне мольных соотношений лиганд:СеО2 0.25:1-2:1 приводит к увеличению значений антиоксидантной ёмкости в 1.4 раза. Стабилизация золя СеО2 аскорбатом натрия в том же диапазоне мольных соотношений лиганд:СеО2 приводит к увеличению антиоксидантных свойств диоксида церия в 8 раз, а уратом калия – в 2 раза. Показано, что стабилизация золя диоксида церия тролоксом, аскорбатом натрия и уратом калия, приводит к увеличению скорости инактивирования свободных радикалов на несколько порядков по сравнению с нестабилизированным золем СеО2. 4. Количественное сопоставление антиоксидантных свойств полученных наноматериалов и индивидуальных антиоксидантов (тролокса и аскорбата натрия) показало, что наибольшей антиоксидантной активностью по сравнению с водным раствором соответствующего лиганда аналогичной концентрации обладает золь СеО2, стабилизированный тролоксом при мольном соотношении лиганд:СеО2 0.25:1,. Среди аскорбат-стабилизированных золей СеО2, наибольшей общей антиоксидантной ёмкостью по сравнению с индивидуальным аскорбатом натрия обладает золь СеО2, стабилизированный при мольном соотношении лиганд:СеО2 2:1. Установлено, что аскорбат-стабилизированные золи СеО2 и золи СеО2, стабилизированные тролоксом, являются наиболее перспективными материалами с выраженным антиоксидантным действием, превышающим более чем на порядок антиоксидантную активность α-токоферола и кофермента Q10. 5. Проведена оценка фотоингибирующего действия нанокристаллического диоксида церия по отношению к -токоферолу и карнозину. Установлено, что золь нестабилизированного CeO2 защищает α-токоферол от прямого УФ-излучения, замедляя его фоторазложение. Добавление нестабилизированного CeO2 к водному раствору карнозина, напротив, повышает скорость разложения органического вещества. При равном соотношении наночастиц и органического лиганда степень фотодеградации карнозина увеличивалась на порядок по отношению к контролю. 6. проведен анализ токсичности по отношению к мезенхимальным стволовым клеткам человека и клеткам эндотелия человека нестабилизированных золей нанокристаллического диоксида церия, а также золей CeO2, стабилизированных тролоксом, аскорбатом натрия, карнозином, цитратом аммония, а также растворов индивидуальных стабилизаторов. По отношению к мезенхимальным стволовым клеткам человека лишь нанокристаллический CeO2, модифицированные аскорбатом, показал незначительный цитотоксический эффект, снижая митохондриальный мембранный потенциал, индуцируя нарушение окислительного фосфорилирования, но при этом не приводя к значительному снижению жизнеспособности клеточной культуры или ее гибели. В то же время, индивидуальные стабилизаторы (в особенности аскорбат натрия) оказывали, как правило, более выраженные цитотоксические эффекты, нежели соответствующие стабилизированные золи. Цитрат-стабилизированный CeO2 продемонстрировали выраженный стимулирующий пролиферацию эффект. В свою очередь, чувствительность клеток эндотелия человека к наноматериалам на основе диоксида церия существенно зависела от типа стабилизатора. Наиболее выраженный негативный эффект оказывали тролокс-стабилизированные наночастицы, при этом индивидуальный тролокс не оказывал значимого токсического эффекта. Наночастицы, стабилизированные карнозином, также продемонстрировали цитотоксический эффект, значительно снижая метаболическую активность клеток и их жизнеспособность. Высокую степень биосовместимости показал цитрат- и аскорбат-стабилизированный СеО2 при концентрациях 1 мМ и ниже. Стабилизация наночастиц аскорбатом приводила к уменьшению токсичности, присущей индивидуальному стабилизатору. Проведенный анализ генотоксичности исследуемых образцов на культурах МСК и эндотелия человека показал, что ни один из образцов золей (как стабилизированных, так и не содержащих стабилизаторов) не вызывал выраженных морфологических изменений ядерного аппарата и появления значительного количества микроядер во всех исследуемых концентрациях (0.1–1 мМ).

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Работы, осуществленные в 2025 г., были выполнены в полном соответствии с заявленным планом работ на год, а также с общим планом работ по проекту. Наиболее значимые результаты выполнения проекта в 2025 г.: 1. Впервые проведено сопоставление результатов количественного анализа пероксидазоподобной активности наноматериалов на основе CeO2 с помощью принципиально разных аналитических подходов – колориметрического и хемилюминесцентного. Установлено, что пероксидазоподобная активность CeO2, стабилизированного цитрат- и аскорбат-анионами, с молярным соотношением лиганд:CeO2 1:1, сопоставима с активностью пероксидазы из корней хрена. При этом по данным колориметрического анализа каталитическая активность золей на два порядка ниже, чем природного фермента, а по данным хемилюминесцентного анализа – на три порядка ниже. 2. Впервые показано, что окисление 3,3’,5,5’-тетраметилбензидина пероксидом водорода в присутствии наноматериалов на основе CeO2 соответствует модели Михаэлиса-Ментен. Установлено влияние мольного соотношения лиганд:CeO2 на кинетические параметры реакции. Пероксидазоподобная активность CeO2 подтверждена хемилюминесцентным методом, предложена схема реакций и рассчитаны константы скоростей. Предложена схема реакций, протекающих в ходе взаимодействия люцигенина с супероксидным анион-радикалами (SOD-подобная активность) в присутствии СеО2, и рассчитаны константы скоростей. 3. Показано, что нанокристаллический CeO2 при периодическом добавлении субстрата (люминола) способен многократно участвовать в реакции его окисления пероксидом водорода в качестве катализатора (прооксиданта). Для цитрат-стабилизированных наночастиц через 10 каталитических циклов скорость окисления люминола снижалась не более чем на порядок. Напротив, активность аскорбат-стабилизированного СеО2 существенно снижалась уже после пятого каталитического цикла, что, по-видимому, связано с полным окислением лиганда. Пероксидазоподобная активность нестабилизированного золя CeO2 снижается на 60% при хранении при +4С в течение 2 мес. Цитрат-стабилизированные золи CeO2, несмотря на меньшую каталитическую активность, продемонстрировали более высокую устойчивость при долговременном хранении – их активность не менялась в течение 2 месяцев. Энзимоподобная активность наноматериалов на основе CeO2 экспоненциально увеличивалась в диапазоне температур 25–70°С, в отличие от природной пероксидазы, которая полностью теряет каталитическую активность при >40C. 4. Установлено, что нанокристаллический диоксид церия в составе конъюгатов с природными ферментами (супероксиддисмутазой (SOD), пероксидазой (HRP), каталазой (CAT)) повышает их устойчивость к деструкции при УФ-облучении (50–100 мДж/см2). Конъюгация SOD и HRP с CeO2 позволяет снизить деградацию их активности при воздействии УФ-облучения в 1.7 и 5.4 раза, соответственно. 5. Показано, что конъюгат СеО2 с супероксиддисмутазой (SOD) превосходит по антиоксидантной активности природный фермент в ~1.5 раза. При этом конъюгат СеО2-HRP демонстрирует в 8 раз меньшую прооксидантную активность по сравнению с природным энзимом. Конъюгат СеО2-CAT проявляет выраженные прооксидантные свойства, отсутствующие у природной каталазы. 6. Выявлено, что нанокристаллический CeO2, стабилизированный цитрат-ионами, способен активировать пролиферацию мезенхимальных стволовых клеток (МСК) человека, обладая выраженным цитопротекторным эффектом за счет снижения уровня внутриклеточных активных форм кислорода (АФК). CeO2, стабилизированный аскорбат-ионами, проявлял выраженные прооксидантные свойства, способствовал увеличению доли нежизнеспособных МСК и ингибировал их пролиферативную активность за счет значительного (на более чем 50%) увеличения уровня внутриклеточных АФК и гиперполяризации митохондрий. Показано, что инкубация с наночастицами CeO2 различных типов приводит к изменению уровня экспрессии ключевых генов, ответственных за антиоксидантный статус и воспаление. В частности, для аскорбат-стабилизированных наночастиц наблюдали гиперэкспрессию гена интерлейкина-1б. 7. Выявлено, что стабилизированные карнозином наночастицы CeO2 нетоксичны по отношению к эмбриональным фибробластам легких человека (ФЛЭЧ) и МСК при концентрациях до 0,53 мМ. В течение первых трех часов инкубации наночастицы активно проникают в оба типа клеток. По отношению к ФЛЭЧ как стабилизированный карнозином СеО2, так и нестабилизированный CeO2 оказывал умеренное оксидативное повреждение без активации систем репарации. По отношению к NOX4 карнозин-стабилизированный CeO2 вызывал ингибирующее действие без влияния на NRF2. Высказано предположение, что действие карнозин-модифицированного CeO2 вызывает прямую активацию сигнального каскада STAT3/BCL2, способствующего пролиферации и ингибирующего апоптоз клеток, при отсутствии влияния на окислительный метаболизм. По отношению к МСК нестабилизированные наночастицы CeO2 вызывали повышенную экспрессию генов NOX4, STAT3, NF-κB, окислительное повреждение ДНК и двуцепочечные разрывы, активацию систем репарации ДНК без влияния на пролиферацию и аутофагию. Модификация карнозином смягчала прооксидантный эффект. Полученные результаты убедительно показывают, что выбор стабилизатора и контроль условий хранения обеспечивают получение наноматериалов на основе нанокристаллического CeO2 с воспроизводимыми энзимоподобными свойствами. Полученные данные способствуют пониманию биохимических свойств диоксида церия как регулятора клеточного метаболизма, вносят вклад в разработку новых молекулярных моделей для изучения сигнальных путей и разработки нанофармацевтических препаратов. Результаты демонстрируют перспективность применения нанокристаллического диоксида церия как эффективной фотопротекторной платформы при разработке современных космецевтических средств. В частности, модифицированный карнозином CeO2 можно рассматривать способствующий выживанию клеток активатор пролиферации при культивировании и трансплантации гемопоэтических стволовых клеток, поддержании целостности кишечного барьера, а также для целей регенеративной медицины.