Разработка многослойных наноагентов с диссоцирующими слоями на основе ДНК-интерфейсов для применения в тераностике

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 24-13-20032

НазваниеРазработка многослойных наноагентов с диссоцирующими слоями на основе ДНК-интерфейсов для применения в тераностике

Руководитель Дроздов Андрей Сергеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Научно-технологический Университет "СИРИУС" , Краснодарский край

Конкурс №91 - Конкурс 2024 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; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова нанообъекты с перестраиваемой структурой; наночастицы in vivo; биокомпьютинг; молекулярные логические машины; адресная доставка лекарств; тераностика; самособирающиеся системы; нуклеиновые кислоты; молекулярная коммутация.

Код ГРНТИ31.15.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Недавнее открытие в НТУ Сириус феномена молекулярной коммутации и основанного на нем нового способа хранения и передачи информации в биологических системах (Nikitin MP, Nature Chemistry, 2023) дало новые возможности для изучения, оценки, а возможно, и переосмысления влияния, которое могут оказывать процессы взаимодействия нуклеиновых кислот (НК) in vivo и in vitro с учетом этой парадигмы. В тоже время, в 2014 году в журнале Nature Nanotechnology членами коллектива настоящего проекта была опубликована другая прорывная работа по созданию терапевтических и диагностических наноагентов нового поколения: многослойно-структурированных наноагентов с диссоцирующими слоями (МДС-агенты), способных идентифицировать мишень (например, раковые клетки) по одновременному анализу содержания множества биомаркеров в собственном микроокружении (Nikitin MP,…, Shipunova V.O., et al. Nature Nanotechnology, 2014). Суть разработанной технологии заключается в конструировании многослойного наноагента, самособирающегося из различных наночастиц и биомолекул с помощью белковых интерфейсов, способного диссоциировать в присутствии специфических биомаркеров. Такая диссоциация слоев наноагента приводит к активации или инактивации агента, т.е. управляет его способностью соединиться со своей мишенью согласно правилам булевой алгебры в зависимости от присутствия/отсутствия целевых молекул. Такой контроль открыл широкий спектр возможностей по созданию диагностических, терапевтических и тераностических агентов, действующих исходя из мультифакторного анализа биологической среды, в которой они будут применяться, что было в дальнейшем исследовано и описано в ряде последовавших работ. В данном проекте предлагается разработать биокомпьютерные МДС-наноагенты на основе ДНК-интерфейсов (ДНК-МДС-агенты), обладающие чувствительностью к коротким НК-последовательностям – крайне интересным объектам исследования с учетом возрастающего понимания важности коротких цепей ДНК/РНК в биологических системах, в том числе с учетом открытого в России феномена молекулярной коммутации. Созданные в проекте системы станут очень важным шагом на пути создания наноагентов как диагностического, так и терапевтического применения, способных регулировать свою специфичность к широкому спектру физиологических мишеней в зависимости от профиля нуклеиновых кислот в своем микроокружении. Кроме того, подобные биокомпьютерные системы станут чрезвычайно полезным инструментом для изучения тонких взаимодействий НК-структур с широким спектром комплементарности, в том числе с учетом феномена молекулярной коммутации. Успех в этом направлении не только укрепит приоритет российской науки в этом в высшей степени перспективном мультидисциплинарном направлении, но и позволит в перспективе создать безопасные наноагенты для лечения социально значимых-заболеваний.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Первый год выполнения проекта был посвящен дизайну, МДС-агентов, выбору и синтезу компонентов динамической системы, подбору условий конъюгации одноцепочечных олигонуклеотидов на поверхности синтезированных микро и наночастиц и оптимизации условий осуществления динамической перестройки структуры МДС-агентов в ответ на внесение сигнальной молекулы, в роли которой выступала модельная олигонуклеотидная последовательность. В течение первого года были разработаны оригинальные методики синтеза нескольких новых типов нано- и микро-частиц, а именно: стабильный гидрозоль кобально-феррита без применения кислот и поверхностно-активных веществ, а также золотые наночастицы со скелетной структурой. Кроме того были разработаны методики получения кластерных магнитных наночастиц, покрытых слоем диоксида кремния и модифицировнных на поверхности тозилатными и азидными функциональными группами. Был предложен принципиальный дизайн МДС-агента на основе ДНК, способный осуществлять логическую операцию «ДА». Исходя из этого дизайна синтезированные наночастицы были модифицированы модельными последовательностями олигонуклеотидов, после чего была осуществлена самосборка комплексных гибридных МДС-агентов. Были исследованы оптимальные условия протекания процессов сборки и разборки конструкции, а также исследованы варианты и методы детекции аналитического сигнала, генерируемого системой. Анализ полученных данных позволил выявить ключевые параметры, влияющие на функциональность системы. На основании полученных данных были предложены принципиальные схемы VLC-агентов, способных выполнять логические операции «НЕТ», «И» и «ИЛИ». По результатам проделанной работы опубликована 1 статья в Q1 журнале (засчитываемая по правилам РНФ как 2 публикации), индексируемого в Scopus и Web of Science.

Публикации

1. Колесникова О.А.,∙ Комедчикова Е.Н., Зверева С.Д., Обозина А.С., Дорож О.В., Афанасьев Ю.Д., Никитин П.И., Мочалова Е.Н., Никитин М.П., Шипунова В.О. Albumin incorporation into recognising layer of HER2-specific magnetic nanoparticles as a tool for optimal targeting of the acidic tumor microenvironment Heliyon, Heliyon Volume 10, Issue 14 2024, e34211 (год публикации - 2024)
10.1016/j.heliyon.2024.e34211

2. Черкасов В.Р., Мочалова Е.Н., Бабенышев А.В., Никитин М.П. All-in-one Biocomputing Nanoagents with Multilayered Transformable Architecture based on DNA Interfaces Theranostics, Theranostics, 2025, 15, 16, 8451-8472 (год публикации - 2025)
10.7150/thno.113059

3. Чеботарева Ю.П., Сунгатуллина А.Р., Пидгирная К.В., Елкина Д.А., Иванцова П.М., Никитин М.П.M., Nikitin M.P. Water-compatible carbene-stabilized inorganic nanoparticles: A review Inorganic Chemistry Communications, Inorganic Chemistry Communications, 180, 2, 115033 (год публикации - 2025)
10.1016/j.inoche.2025.115033

4. Шаповалова О.Е., Баринова Е.Е., Пряхин Е.Е., Заколпина А.Н., Дроздов А.С., Никитин М.П.m P Nikitin Biocomputing systems based on carbon materials and DNA Nanoscale, Nanoscale, 2025,17, 19055-19069 (год публикации - 2025)
10.1039/D5NR02383A

5. Сунгатуллина А.Р., Иванцова П.М., Дроздов А.С., Никитин М.П. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ЗОЛОТА И НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Вторые Самарцевские Чтения по квантовой оптике и фотонному эху IWQO / ФЭКС — 2025»: Сборник статей и тезисов. Сириус, 29 ноября 2 декабря 2025 г, Вторые Самарцевские Чтения по квантовой оптике и фотонному эху IWQO / ФЭКС — 2025»: Сборник статей и тезисов. Сириус, 29 ноября 2 декабря 2025 г, c. 40 (год публикации - 2025)

6. Дроздов А.С., Сунгатуллина А.Р., Иванцова П.М. СИНТЕЗ НАНОКОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НА ОСНОВЕ ДНК- ИНТЕРФЕЙСОВ Международный симпозиум «Актуальные проблемы функциональных материалов» - 2025»: сборник тезисов (16-20 июня 2025 г., Ставрополь) - Ставрополь, 2025. - 142 с., Международный симпозиум «Актуальные проблемы функциональных материалов» - 2025»: сборник тезисов (16-20 июня 2025 г., Ставрополь) - Ставрополь, 2025. - с. 30 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В результате выполнения работ по второму этапу проекта были выполнены все запланированные на 2025 год задачи. В ходе работ по синтезу компонентов МДС-агентов на основе ДНК-интерфейсов были подобраны условия получения методами свободно-радикальной полимеризации частиц с тозилатными функциональными группами на поверхности, оптимизированных для целей создания на их основе базовых частиц с ДНК интерфейсами в системах «биокомпьютинга на основе разборки частиц». Были изучены возможности по реализации дизайна организации ДНК-интерфейса для реализации базовых логических функций, на основе биомолекулярных взаимодействий с агентами, отличными от олигонуклеотидов. Были разработаны рациональные варианты архитектоники логических гейтов на основе взаимодействия МДС-агентов с олигонуклеотидами, и экспериментально показано влияние таких параметров, как: последовательность нуклеотидов, длина комплементарной области и общая длина олигонуклеотидной цепи на функциональные свойства разрабатываемых материалов. Было исследовано влияние локализации рецепторного участка в структуре ДНК-МДС-агента на его функциональные свойства и предложено три варианта его расположения: непосредственно на нуклеотидной последовательности, ответственной за связывание с «экранирующей» наночастицей, на отдельном олигонуклеотиде, прикрепленном к центральной частице, и на дополнительной промежуточной частице, которая могла связываться с центральной частицей после ее деблокирования. Была осуществлена практическая реализация двух-входовых ДНК-гейтов на МДС-агентах. Были оптимизированы условия получения таких гейтов и условий их функционирования. Была продемонстрирована возможность разрабатываемых МДС-агентов демонстрировать сопоставимые по амплитуде выходные сигналы при реализации логического гейта «ИЛИ». Были определены диапазоны работоспособности разрабатываемых ДНК-МДС агентов в средах, содержащих посторонних ионов, биомолекул, и ПАВ, а также их влияние на чувствительность систем и соотношение сигнал/шум. Была продемонстрирована возможность взаимодействия ДНК-МДС-агентов с объектами живой природы, таких как клетки различных линий, и возможность реализовать логические операции в соответствующих условиях. Методами проточной цитометрии была продемонстрирована высокая специфичность взаимодействия таких агентов с клеточными линиями, экспрессирующими модельный биологический рецептор. Было продемонстрировано практически полное отсутствие неспецифического взаимодействия разрабатываемых систем с модельными клетками, не имевших соответствующего биологического маркера. Были получены предварительные результаты по исследованию биоактивных композитных материалов на основе ферритов кобальта и скелетоподобных золотых наночастиц в качестве потенциальных компонентов МДС-агентов. Было опубликовано 3 статьи Q1 в журналах белого списка, индексируемых в WoS и Scopus, что по правилам РНФ соответствует 6 статьям при 2 обещанных в Заявке. Часть результатов выполнения проекта были освещены в СМИ. Например: https://zanauku.mipt.ru/2025/09/09/dnk-transformery-sobralis-v-logicheskij-ventil-s-rakovymi-kletkami/ https://zhukovsky.life/news/6118/ https://snob.ru/news/rossiiskie-uchenye-razrabotali-dnk-nanostruktury-dlia-tochechnoi-terapii-opukholei/

Публикации