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 24-15-00137
НазваниеРазработка многофункциональных биосовместимых гибридных наночастиц пористый кремний-золото для повышения эффективности лучевой терапии
Руководитель Осминкина Любовь Андреевна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва
Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-603 - Рентгенология, радиационная медицина, медицинская визуализация
Ключевые слова Гибридные наночастицы, пористый кремний, наночастицы золота, наноконтейнеры, доставка лекарств, комбинационное рассеяние света, онкология, лучевая терапия, радиосенсибилизаторы
Код ГРНТИ76.00.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Лучевую терапию в настоящее время используется примерно в 50% случаев лечения рака, и для достижения эффекта часто ее комбинируют с курсами химиотерапии. Однако, несмотря на общую эффективность, некоторые виды лучевой терапии, особенно при использовании гамма- и рентгеновских лучей, могут негативно влиять на здоровые ткани за пределами опухоли.
Применение наночастиц в роли радиосенсибилизаторов позволяет локализовано усиливать воздействие ионизирующего излучения в области их накопления. Это способствует снижению дозы облучения и минимизации побочных эффектов. Особый интерес для медицинских применений представляют гибридные наночастицы с мультифункциональными возможностями для производства на их основе универсальных и эффективных агентов диагностики и комбинированной терапии.
Целью настоящего проекта является разработать многофункциональные гибридные наночастицы на основе пористого кремния и золота с высокой биосовместимостью, и исследовать потенциал их применения для высокочувствительной диагностики, а также таргетированной доставки лекарств и радиосенсибилизации для лучевой терапии.
Выбор в качестве основы композитного гибридного наноматериала наночастиц пористого кремния (pSiNPs) связан с такими их уникальными свойствами, как высокая биосовместимость, биодеградируемость в нетоксичную кремниевую кислоту, высокая эффективность загрузки для доставки как гидрофильных, так и гидрофобных лекарств, простые методы синтеза и перестраиваемая морфология, возможность химической функционализации для осуществления адресной доставки. Наличие у полупроводниковых pSiNPs эффективной фотолюминесценции в красной области спектра, а также характерного сигнала комбинационного (Рамановского) рассеяния позволяет отслеживать процессы интернализации и биодеградации наночастиц в клетках. Наночастицы золота (AuNPs) известны своими свойствами высокой биосовместимости и биоинтертности, однако они также обладают свойством высокой абсорбции рентгеновского излучения, что открывает их потенциал применения в качестве контрастных агентов в компьютерной томографии (КТ) и как радиосенсибилизаторов в лучевой терапии.
Новизна представленного проекта связана с разработкой новых методов синтеза гибридных наноструктур пористый кремний-золото, а также с открытием новых направлений их применений в качестве контрастных агентов в КТ диагностике, и комбинированной терапии – одновременного использования для целевой доставки лекарств и радиосенсибилизации.
Разрабатываемые гибридные наночастицы будут обладать высоким уровнем биосоместимости и выраженными радиосенсибилизирующими свойствами в отношении опухолевых клеток за счет их адресного накопления. С помощью люминесцентной и КР микроскопии in vitro будут исследованы процессы интернализации наночастиц в клетках и доставки лекарств. Контрастирование опухоли с наночастицами методом КТ in vivo, подтвердит возможность их использования для диагностики раковых клеток. Непосредственное взаимодействие рентгеновского излучения с гибридными наночастицами внутри клетки обеспечит генерацию активных форм кислорода и свободных радикалов, что приведет к повреждениям и разрушению клеточных структур опухолевых клеток. Дополнительная модальность наночастиц контролируемой адресной доставки и высвобождения лекарств обеспечит синергетический эффект уничтожения опухолевых клеток. Комплексный анализ цитотоксического действия разрабатываемых наносистем in vitro и затем in vivo, вместе с анализом молекулярных механизмов радиосенсибилизирующего действия позволит разработать эффективную схему их синтеза и использования в диагностике и терапии.
На всех этапах работ по проекту будут задействована мультидисциплинарная команда физиков, химиков и биологов - мотивированных студентов и аспирантов и молодых ученых, а также опытных сотрудников, что обеспечит оптимальное достижение поставленных в проекте инновационных научных задач.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработана методика синтеза гибридных нанокомпозитов кремний-золото (Au-НЧ-ПК) с контролируемыми размерами и структурными характеристиками. Исследования с использованием сканирующей (СЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) электронной микроскопии, инфракрасной спектроскопии (ИК), метода динамического рассеяния света (ДРС) и комбинационного рассеяния света (КРС) подтвердили формирование оксидного слоя на поверхности композитов, что обеспечивало их гидрофильность. Данные ДРС выявили стабильность структуры, подтвержденную дзета-потенциалом −30 мВ. Спектры КРС показали, что 33% композита составляют кристаллический кремний с размером нанокристаллов ~4 нм, остальная часть представлена аморфным кремнием. Наночастицы золота в порах кремния снижали фотолюминесценцию кремниевых нанокристаллов за счет тушения экситонной ФЛ. Полученные нанокомпозиты демонстрируют перспективность для биомедицинских применений благодаря их стабильности и функциональным свойствам.
Разработаны методики функционализации гибридных наночастиц кремний-золото с использованием полиэтиленгликоля (ПЭГ), гиалуроновой кислоты (ГК) и аптамеров. Данные ДРС показали, что гидродинамический диаметр наночастиц остался неизменным после функционализации. Разработанные покрытия обеспечивают гидрофильность, стабильность и потенциальную селективность наночастиц, делая их пригодными для биомедицинских исследований.
Проведено исследование коллоидной стабильности нанокомпозитов кремний-золото при инкубации в различных средах: этаноле, воде, фосфатном буфере (ПБС) и культуральной среде. Анализ с использованием ИК и КРС показал изменения химического состава и структуры поверхности наночастиц. Полученные данные подтверждают, что использование спиртовых растворов и низких температур хранения позволяет сохранить структуру, размер и стабильность наночастиц, что важно для их биомедицинского применения.
Разработаны и протестированы методики загрузки противораковых препаратов доксорубицина (DOX) и сунитиниба (SU) в поры мезопористых наночастиц Au-НЧ-ПК. Процесс включал инкубацию наночастиц с растворами лекарств в ПБС, обеспечив загрузку DOX на 38,8% и SU на 35,4%. Кинетика высвобождения показала, что для DOX половина вещества высвобождается за 8 часов, а полное высвобождение завершается через 25 часов. SU высвобождается быстрее: 30,6% за первый час и 100% через 48 часов. Электростатическое притяжение между положительно заряженными молекулами лекарств и отрицательно заряженной поверхностью нанокомпозитов способствует высокой эффективности загрузки, делая данные системы перспективными для целевой доставки препаратов.
Исследование комбинационного рассеяния света показало значительное усиление сигналов загруженных лекарств благодаря локализованному плазмонному резонансу в наночастицах золота. Усиление сигналов SU достигало 10^6 раз, что подтверждено теоретическими расчетами. Карты КРС клеток линии HCT показали локализацию SU-Au-НЧ-ПК внутри клеток, подтверждая успешную доставку лекарства и его взаимодействие с клеточными структурами. Эти данные подчеркивают потенциал наночастиц для высокочувствительного спектрального анализа, диагностики и целевой доставки лекарств.
Эксперименты по оценке цитотоксичности нанокомпозитов кремний-золото показали высокую биосовместимость. Нанокомпозиты при концентрациях до 1000 мкг/мл не индуцировали апоптоз или некроз на клеточных линиях, что подтверждено анализом маркеров апоптоза и проточной цитофлуориметрией. Модификация наночастиц ПЭГ и ГК дополнительно улучшила биосовместимость. Загруженные SU нанокомпозиты продемонстрировали дозозависимую цитотоксичность на клетках линии HCT116, достигая 80–90% гибели клеток при концентрации SU 50 мкМ через 3 дня, что демонстрирует эффективность систем доставки лекарств.
Исследование радиосенсибилизирующих свойств нанокомпозитов кремний-золото показало их высокую эффективность при комбинированном воздействии с рентгеновским излучением. Наночастицы продемонстрировали низкую цитотоксичность без облучения, сохраняя жизнеспособность клеток линии BT-474 на уровне 90–100%. При облучении дозой 2 Гр жизнеспособность снижалась до 75% при концентрации наночастиц 50 мкг/мл, а при дозе 4 Гр — до менее 50%. Проточная цитофлуориметрия показала, что концентрация 50 мкг/мл при дозе 4 Гр увеличивала долю апоптотических клеток до 45%, а некротических — до 20%. Клоногенный анализ выявил снижение числа колоний почти в 8 раз при сочетании дозы 4 Гр и наночастиц. Эти результаты подтверждают способность нанокомпозитов усиливать радиационное воздействие на опухолевые клетки, открывая перспективы их использования в лучевой терапии и комбинированной противораковой терапии.
По результатам работ в 2024 году принято в печать 3 статьи в рецензируемых журналах. Результаты работ представлены в 9 докладах на международных и российских научных конференциях (1 пленарный, 2 приглашенных, 5 устных и 1 постерный доклады). К работам активно привлечены студенты и аспиранты.
Публикации
1. Кудряшова Я.О., Назаровская Д.А., Ломовская Я.В., Кудрявцев А.А., Осминкина Л.А. Спектроскопия комбинационного рассеяния света для изучения биодеградации германиевых наночастиц Всероссийская междисциплинарная научно-практическая конференция с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ», Всероссийская междисциплинарная научно-практическая конференция с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ», 8-11 сентября 2024г., Нижний Новгород, Россия, стр. 48. (год публикации - 2024)
2. Осминкина Л.А. Фотолюминесцентная микроскопия и комбинационное рассеяние света для анализа наноконтейнеров на основе пористого кремния в биологических системах Всероссийская междисциплинарная научно-практическая конференция с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ», Всероссийская междисциплинарная научно-практическая конференция с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ», 8-11 сентября 2024г., Нижний Новгород, Россия, стр. 57. (год публикации - 2024)
3. Назаровская Д., Васильева М., Тюрин-Кузьмин П.А., Самсонова Ж., Осминкина Л.А. SERS detection of anticancer drugs using a composite nanostructure based on porous silicon and gold nanoparticles The 31st international conference advanced laser technologies (ALT 2024), The 31st international conference advanced laser technologies (ALT 2024), 23-27 september 2024, Vladivostok, Russia, Far Eastern Federal University, section «Laser diagnostics and spectroscopy», p. 164. (год публикации - 2024)
4. Сумарокова М.В., Назаровская Д.А., Крюков Р.Н., Гончар К.А., Николичев Д.Е., Осминкина Л.А. Исследование растворения нанонитей и наночастиц кремния различных морфологий в буферных растворах при разных значениях pH Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), 30 сентября -5 октября 2024, г. Воронеж, Россия, ВГУ, с. 200-201. (год публикации - 2024)
5.
Гонгальский М.Б., Цурикова У.А., Кудрявцев А.А., Первушин Н.В., Свиридов А.П., Кумерия Т., Егошина В.Д., Тюрин-Кузьмин П.А., Найдов И.А., Гончар К.А., Копеина Г.С., Андреев В.Г., Животовский Б., Осминкина Л.А.
Amphiphilic photoluminescent porous silicon nanoparticles as effective agents for ultrasound-amplified cancer therapy
ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 1, 374–385 (год публикации - 2025)
10.1021/acsami.4c15725
6. Назаровская Д.А., Васильева М.И., Самсонова Ж.В., Осминкина Л.А. Изучение сигналов гигантского комбинационного рассеяния света лекарств, загруженных в наноконтейнеры на основе пористого кремния и золота Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника — 2024», Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника — 2024», 16-20 сентября 2024, Красноярск, Россия, Сибирский федеральный университет, секция «Биофотоника», с. 115-116. (год публикации - 2024)
7. Васильева М.И., Назаровская Д.А., Первушин Н.В., Самсонова Ж.В., Осминкина Л.А. Диагностика эффективности доставки лекарств в раковые клетки методом гигантского комбинационного рассеяния Всероссийская междисциплинарная научно-практическая конференция с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ», Всероссийская междисциплинарная научно-практическая конференция с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ», 8-11 сентября 2024г., Нижний Новгород, Россия, стр. 33. (год публикации - 2024)
8. Осминкина Л.А. Кремниевые наноструктуры с золотыми наночастицами: усиление комбинационного рассеяния для анализа клеток Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), 30 сентября -5 октября 2024, г. Воронеж, Россия, ВГУ, с. 31-33. (год публикации - 2024)
9. Осминкина Л.А. Биомедицинская нанофотоника: оптимизация диагностики и терапии через оптические свойства наночастиц на основе пористого кремния Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника — 2024», Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника — 2024», 16-20 сентября 2024, Красноярск, Россия, Сибирский федеральный университет, секция «Биофотоника», с. 89-90. (год публикации - 2024)
10. Хамитов Б.Р., Осминкина Л.А. Исследование разогрева суспензий композитных наночастиц пористый кремний-золото под воздействием лазерного облучения Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), 30 сентября -5 октября 2024, г. Воронеж, Россия, ВГУ, с. 209-210. (год публикации - 2024)
11.
Осминкина Л.А., Тюрин-Кузьмин П.А., Сумарокова М.В., Кудрявцев А.А.
Влияние пористости наночастиц кремния на их свойства сенсибилизации медицинского ультразвука низкой интенсивности
Современные технологии в медицине, Современные технологии в медицине, том 17, № 1, с. 40-49 (год публикации - 2025)
10.17691/stm2025.17.1.04
12. Осминкина Л.А. Hybrid porous silicon-gold nanoparticles: photonic properties and biomedical applications The 32nd international conference advanced laser technologies (ALT 2025), The 32nd international conference advanced laser technologies (ALT 2025), 22-26 september 2025, Kazan, Russia, p. 91 (год публикации - 2025)
13. Гончар К.А., Карташова А.Д., Осминкина Л.А. Silver/Gold modified silicon nanowires for optical diagnostics of hazardous substances The 32nd international conference advanced laser technologies (ALT 2025), The 32nd international conference advanced laser technologies (ALT 2025), 22-26 september 2025, Kazan, Russia, p. 184 (год публикации - 2025)
14. Ерохина А.А., Лавренкова А.Р., Домнин П.А., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А. Пористые кремниевые пленки, покрытые наночастицами серебра, для детектирования бактерий методом гигантского комбинационного рассеяния Российская конференция по комбинационному рассеянию света – 8-й Сибирский семинар по спектроскопии комбинационного рассеяния света – Школа молодых ученых по актуальным проблемам комбинационного рассеяния света, Российская конференция по комбинационному рассеянию света – 8-й Сибирский семинар по спектроскопии комбинационного рассеяния света – Школа молодых ученых по актуальным проблемам комбинационного рассеяния света. 22-26 сентября 2025, Красноярск, Россия, Институт физики СО РАН Красноярск, с. 11-12. (год публикации - 2025)
15. Собина И.О., Тюрин-Кузьмин П.А., Первушин Н.В., Кудрявцев А.А., Божьев И.В., Гришко А.Ю., Мяконьких А.В., Ломовская Я.В., Дресвянкин Д.Н., Дьяков С.А., Елисеев А.А., Осминкина Л.А. Кремниевые микроиглы, декорированные наночастицами золота, для доставки лекарств и анализа молекулярного состава раковых клеток методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света Российская конференция по комбинационному рассеянию света – 8-й Сибирский семинар по спектроскопии комбинационного рассеяния света – Школа молодых ученых по актуальным проблемам комбинационного рассеяния света, Российская конференция по комбинационному рассеянию света – 8-й Сибирский семинар по спектроскопии комбинационного рассеяния света – Школа молодых ученых по актуальным проблемам комбинационного рассеяния света. 22-26 сентября 2025, Красноярск, Россия, Институт физики СО РАН Красноярск, с. 18-19. (год публикации - 2025)
16. Назаровская Д., Тюрин-Кузьмин П., Яббаров Н., Хамитов Б., Петрова Ю., Васильева М., Моллаева М., Никольская Е., Осминкина Л. Nanostructured platforms for light-triggered thermal effects in biomedical applications The 32nd international conference advanced laser technologies (ALT 2025), The 32nd international conference advanced laser technologies (ALT 2025), 22-26 september 2025, Kazan, Russia, p. 89 (год публикации - 2025)
17.
Собина Игорь О., Тюрин-Кузьмин Пётр А., Первушин Николай В., Кудрявцев Андрей А., Божев Иван В., Гришко Алексей Ю., Мяконких Андрей В., Ломовская Яна В., Дресвянкин Дмитрий Н., Дьяков Сергей А., Елисеев Андрей А., Осминкина Любовь А.
Gold-modified silicon microneedles for real-time SERS analysis and drug delivery at single-cell resolution
Microchemical Journal, Microchemical Journal, Volume 215, 2025, 114178 (год публикации - 2025)
10.1016/j.microc.2025.114178
18.
Васильева М.И., Назаровская Д.А., Первушин Н.В., Тюрин-Кузьмин П.А., Осминкина Л.А.
Композитные наночастицы кремния-золота: физические механизмы усиления сигнала комбинационного рассеяния и контролируемая доставка лекарств
Физико-химическая биология в год 270-летия МГУ, Физико-химическая биология в год 270-летия МГУ, 20-22 февраля 2025, Москва, Россия, МГУ, с. 98-99 (год публикации - 2025)
10.55959/MSU012229-9-2025
19. Васильева М.И., Назаровская Д.А., Тюрин-Кузьмин П.А., Осминкина Л.А. Наноконтейнеры пористого кремния-золота для тераностики онкозаболеваний Невская фотоника-2025. Всероссийская научная конференция с международным участием., Невская фотоника-2025. Всероссийская научная конференция с международным участием. 13-18 октября 2025 г., Санкт-Петербург, Россия, ИТМО, с. 237. (год публикации - 2025)