Развитие методов микрофлюидики для микрореакторного синтеза тераностических агентов на основе магнитных липосом

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 24-25-00056

НазваниеРазвитие методов микрофлюидики для микрореакторного синтеза тераностических агентов на основе магнитных липосом

Руководитель Королев Дмитрий Владимирович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации , г Санкт-Петербург

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-109 - Клиническая лабораторная диагностика и нанотехнологии в медицине

Ключевые слова Микрофлюидика, липосомы, магнитные наночастицы, тераностика, микрофлюидная система, микрореакторный синтез, магнитоуправляемая доставка, трансляционная медицина

Код ГРНТИ76.31.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современная концепция медицины включает в себя понятие “персонализированной медицины”, подразумевающее применение индивидуальных профилей лечения для каждого клинического случая заболевания. Практическая реализация такого подхода требует слаженной совместной работы группы высококвалифицированных специалистов в области молекулярной биологии, генетики, клинической лабораторной диагностики, химии и физики нанотехнологий и терапевтического звена. В силу высокой стоимости тераностических препаратов, обусловленной необходимостью биосинтеза моноклональных антител или пептидного синтеза их коротких фрагментов, проведения генетического типирования заболевания методом полногеномного секвенирования и ряда других причин, повышение эффективности их разработки и применения является особенно актуальной задачей. Одним из препятствий на пути эффективного применения тераностических агентов является низкая проницаемость физиологических барьеров, включая гемато-энцефалический, гемато-тестикулярный, гемато-окулярный и иные гистогематические барьеры, для многих препаратов в форме макромолекул или наночастиц (НЧ). С целью повышения проницаемости барьеров для НЧ могут использоваться различные приемы, включая управление поверхностным зарядом, формой НЧ, приложение электрических и магнитных полей, ультразвуковое и лазерное воздействие. Другим, альтернативным, подходом является использование липосомальных форм лекарственных препаратов. Помимо действующего вещества липосома может содержать в себе молекулы флуоресцентных красителей или магнитные НЧ (далее - магнитная липосома, МЛ), имея все признаки тераностического агента. Традиционным способом получения липосом, в т.ч. МЛ, является применение объемного реактора на основе ротационного испарителя. Данный способ является хорошо отработанным и обеспечивает достаточную производительность технологического процесса. Вместе с тем, получаемые МЛ могут иметь существенный разброс по размерам, содержанию в своем составе магнитных НЧ и иных наполнителей, а также требуют существенных материальных, временных и энергетических затрат на проведение процесса. Разработка новых подходов к получению МЛ на основе микрореакторного синтеза в микрофлюидной системе (МФС) позволит существенно оптимизировать временные и материальные затраты, упростить контроль подачи реагентов, повысить гибкость процесса в части температурного режима, состава газовой среды и других, а также повысить воспроизводимость получаемого продукта за счет снижения роли человеческого фактора, обусловленного участием оператора технологического оборудования, и достичь более высокой химической чистоты и биологической стерильности за счет возможности проведения процесса в изолированных асептических условиях. В рамках настоящего проекта впервые предлагается применить для получения тераностических препаратов на основе МЛ методы микрореакторного синтеза совместно с элементами традиционного синтеза в объемных реакторах для получения инкапсулируемых в МЛ магнитных НЧ на основе оксидов железа. Создание портативной модификации комплекса для получения МЛ на основе МФС, управляющего контроллера и системы обеспечения температурного и газового режимов позволит в дальнейшем осуществить коммерциализацию данной разработки за счет снижения требований к уровню оснащения и квалификации персонала в организациях, являющихся потенциальными заказчиками. Реализация проекта позволит в дальнейшем осуществить трансляцию полученных практических результатов на клинической базе НМИЦ им. В.А. Алмазова и других медицинских организаций Санкт-Петербурга и России.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках отчетного периода были проведены исследования, направленные на разработку и оптимизацию технологий создания микрофлюидных систем (МФС) для синтеза магнитных липосом (МЛ) и магнитных наночастиц (НЧ). Работы охватывали несколько ключевых направлений: разработка прототипов МФС, испытания их функциональности, анализ полученных результатов и экспериментальная оптимизация технологических процессов. 1. Обоснована технология изготовления прототипов модульных микрофлюидных систем. Для обеспечения высокой химической стойкости в агрессивных условиях синтеза магнитных липосом использовался пленочный фоторезист ORDYL FP 440. Методика включала ламинирование при 125C, экспонирование ультрафиолетовым излучением, удаление незаполимеризованных участков фоторезиста и герметизацию термокомпрессионным связыванием. Оптимизированная технология позволила повысить устойчивость микрофлюидных структур к органическим растворителям. 2. Разработана топология узла МФС, позволяющего синтезировать НЧ магнетита в потоке. Для этого использовалась конструкция с разветвленной системой каналов, включающей порты подачи реагентов и порт удаления продуктов реакции. Химический процесс осаждения магнетита обеспечивал образование кристаллитов размером 15–20 нм при pH=8–9. Для масштабируемости процесса применялся метод подачи реагентов под давлением, что обеспечивало его непрерывность. Прототипы узлов МФС изготавливались из полидиметилсилоксана (ПДМС) методом мягкой литографии. Особое внимание уделялось герметизации каналов, которая достигалась обработкой в плазме. Однако на начальных этапах испытаний выявлялись проблемы агрегации НЧ на стенках каналов. Это приводило к их закупориванию и снижению эффективности синтеза. Были исследованы различные добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ), однако их применение не привело к устранению проблемы. 3. Для решения выявленных трудностей оптимизирована топология узла синтеза, что позволило минимизировать агрегацию НЧ. Путем изменения расположения порта удаления продуктов реакции удалось обеспечить их выведение непосредственно из зоны химической реакции. В результате оптимизации синтезированные НЧ обладали улучшенными характеристиками однородности и магнитными свойствами, превосходя аналогичные показатели при объемном синтезе. 4. Созданы топологии и прототипы узлов МФС для синтеза магнитных липосом. Используемые микрофлюидные системы обеспечивали формирование микрокапельных структур в условиях регулируемого смешивания реагентов. Для изготовления функционального слоя применялся фоторезист с высокой химической стойкостью. Рельеф микрофлюидных каналов создавался методом лазерной абляции, что обеспечивало требуемую точность и воспроизводимость топологии. 5. При испытаниях разработанных систем липосомы оценивались в биологических гелях, имитирующих ткани. Исследование показало, что гели на основе агарозы и полиакриламида обладают высокой проницаемостью для магнитных липосом, в то время как желатиновые гели значительно затрудняют их проникновение. Данные результаты подтверждают перспективность предложенного подхода для разработки таргетных методов доставки лекарственных препаратов. 6. На основании проведенных исследований сформирована многослойная структура на основе предметного стекла и пленочного фоторезиста с интегрированными узлами подвода реагентов. Создан прототип реакционной камеры с температурным контролем, обеспечивающий стабильные условия для проведения экспериментов. Реакционная камера включает корпус с термоизоляцией, нагреватель и термодатчик с дисплеем, что позволяет вести синтез в заданных температурных условиях. Итоги проведенных работ подчеркивают значимость разработанных технологий для создания микрофлюидных систем, пригодных для масштабируемого синтеза магнитных наночастиц и липосом. Результаты являются основой для последующих исследований в области персонализированной и таргетной терапии.

Публикации

1. А. И. Никифоров, Е. О. Лазарева, Е. В. Едемская, В. Г. Семенов, К. Г. Гареев, Д. В. Королев Microfluidic Synthesis of Magnetite Nanoparticles and its Comparison with Synthesis in a Batch Reactor Pleiades Publishing, ISSN 1061-933X, Colloid Journal, 2024, Vol. 86, No. 4, pp. 547–558. © Pleiades Publishing, Ltd., 2024. (год публикации - 2024)
10.31857/S0023291224040062

2. К. Е. Брусина, Н. О. Ситков, К. Г. Гареев, А. И. Никифоров, Т. М. Зимина, Н. Н. Потрахов, Д. В. Королев Исследование проникающей способности магнитных липосом в биологические гели с помощью микрофлюидных систем ЖУРНАЛ «МЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНИКА» (год публикации - 2025)