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 25-14-00295
НазваниеРазработка метода электрохимического прижизненного мониторинга развития патологии болезни Альцгеймера на животных моделях с целью поиска терапевтических препаратов
Руководитель Ерофеев Александр Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва
Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-204 - Биофизика
Ключевые слова Наноэлектроды, сканирующая ион-проводящая микроскопия, нанокапиллярные сенсоры, активные формы кислорода, мышиные модели болезни Альцгеймера, амилодные бляшки, фибриллы, тераностика, BODIPY, хелаторы
Код ГРНТИ34.15.05
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Болезнь Альцгеймера (БА) — нейродегенеративное расстройство, характеризующееся накоплением бета-амилоидных бляшек и прогрессирующим снижением когнитивных способностей. Патогенез БА многофакторный и, безусловно, в настоящее время не полностью изучен. Одним из факторов развития БА является окислительный стресс. Окислительный стресс и бета-амилоидный пептид (Ab) связаны друг с другом, поскольку Ab индуцирует окислительный стресс, при этом окислительный стресс увеличивает выработку Ab. Окислительный стресс становится существенным фактором повреждения и гибели нейронов и прогрессирования заболевания. Накопление ионов металлов, таких как медь и цинк, в мозге усугубляет окислительный стресс и способствует агрегации Ab. В настоящее время хелатирование ионов металлов рассматривается как перспективный подход для ингибирования агрегации Ab и предотвращения окислительных повреждений, связанных с развитием патологии. Мышиные модели БА, в частности трансгенные линии, играют важную роль в выяснении механизмов, лежащих в основе и окислительного стресса, и накопления ионов металлов, например, меди и цинка, и их связи с БА. Данные животные модели позволяют исследовать взаимодействие между накоплением Ab и окислительным стрессом. Однако в настоящее время мышиные модели БА в рамках окислительного стресса и накопления ионов меди в мозгу на различных стадиях прогрессирования БА полностью не изучены.
Несмотря на значительное развитие методов диагностики и терапии, на сегодняшний день существует острая потребность в эффективных методах мониторинга прогрессирования заболевания и тестирования потенциальных терапевтических агентов. Данный проект направлен на разработку метода электрохимического прижизненного мониторинга патологических изменений, связанных с БА, с использованием животных моделей, включающих трансгенные линии мышей 5xFAD и APP/PS1, а также мышей с острой моделью БА. В ходе реализации проекта предполагается изучение роли активных форм кислорода (АФК) и ионов меди на различных стадиях БА в модельных линиях 5xFAD и APP/PS1, а также мышей с острой моделью БА. Одной из гипотез, лежащих в основе проекта, является значительная роль окислительного стресса в патогенезе БА. Для этого планируется измерение уровня АФК с помощью ранее разработанных малоинвазивных наноэлектродов на различных стадиях болезни у мышей 5xFAD, APP/PS1 и мышей с острым амилоидозом. В рамках проекта будет уделено внимание созданию новых потенциальных тераностических агентов, способных не только визуализировать амилоидные бляшки, но и выступать в качестве терапевтических средств, которые способны хелатировать ионы металлов и/ или снижать окислительный стресс за счет ингибирования NOX2. В том числе, разрабатываемые агенты будут направлены на высокочувствительное обнаружение амилоидных агрегатов, что особенно важно для ранней диагностики БА, а также на ингибирование роста Ab фибрилл. Для оценки терапевтического потенциала разрабатываемых агентов планируется проведение испытаний на моделях БА 5xFAD и APP/PS1. Эффективность разработанных терапевтических агентов будет оцениваться по их способности снижать окислительный стресс, хелатировать катионы металлов. Проект обладает высокой научной значимостью, так как направлен на глубокое понимание патогенеза БА с позиции содержания ионов меди и окислительного стресса. Ожидается, что полученные данные откроют новые перспективы для создания методов ранней диагностики и новых потенциальных терапевтических стратегий, направленных на предотвращение или замедление прогрессирования БА.
Ожидаемые результаты
В рамках проекта планируется создание малоинвазивной системы мониторинга развития патологии болезни Альцгеймера на животных моделях с целью поиска потенциальных терапевтических препаратов, направленных на визуализацию амилоидных бляшек, снижение окислительного стресса, хелатирование ионов меди. Данная система позволит проводить прижизненные измерения в режиме реального времени, что значительно повысит релевантность, точность исследований, направленных на изучение динамики окислительного стресса и накопления ионов металлов. Полученные в рамках проекта результаты помогут понять, как хелатирующие агенты могут снизить степень агрегации бета-амилоидных фибрилл, снижая токсичность и предотвращая повреждения и гибель нейронов.
В рамках проекта будут разработаны тераностические соединения, которые позволят: визуализировать амилоидные бляшки и выступать в роли терапевтических агентов с целью связывания и хелатирования ионов меди, а также ингибирования активности NOX2 с целью снижения уровня АФК при патологии. Проведение испытаний на трансгенных мышах (5xFAD и APP/PS1) на различных стадиях патологии позволит оценить эффективность новых агентов в снижении окислительного стресса, ингибировании роста амилоидных фибрилл и связывании ионов металлов. Исследования по оценке цитотоксичности и связыванию с ионами меди подтвердят пригодность данных соединений для дальнейшего развития в качестве потенциальных лекарственных средств.
Таким образом, разработанные в рамках проекта методы прижизненного электрохимического мониторинга позволяют определять наличие патологических изменений, связанных с окислительным стрессом и накоплением амилоидных бляшек, на различных стадиях моделируемой патологии. В дальнейшем, это обеспечит возможность своевременного вмешательства, что является ключом к эффективной терапии и замедлению развития заболевания. Разработка многофункциональных тераностических агентов, способных одновременно выявлять амилоидные отложения и снижать окислительный стресс, предоставляет уникальные возможности для создания инновационных подходов к лечению БА. В дальнейшем ожидается, что результаты проекта будут способствовать созданию новых медицинских технологий и препаратов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. В рамках проекта были разработаны два новых тераностических агента ( бифункциональных конъюгата) на основе флуорофора BODIPY, модифицированных медь-хелатирующим фрагментом клиохинола, благодаря которым возможно визуализировать бета-амилоиды, а также данные конъюгаты могут способствовать ингибированию роста/дезагрегации бета-амилоидов путем хелатирования катионов металлов фрагментом клиохинола. Конъюгат MESO-CLQ был получен трехстадийным синтезом, включающим получение хлорангидрида 4-бромбутановой кислоты из γ-бутиролактона и последующую конденсацию с 2,4-диметилпирролом с образованием мезо-(3-бромпропил) производного BODIPY, которое далее вводилось в реакцию нуклеофильного замещения с клиохинолом. Конъюгат SM-CLQ был синтезирован пятистадийным методом, в котором ключевыми этапами стали получение 3-аминопропил производного клиохинола через защищенный карбамат и синтез мезо-хлор замещенного BODIPY через конденсацию пиррола с трифосгеном. . Разработанные соединения представляют собой первые конъюгаты клиохинола, потенциально способные обнаруживать олигомеры/фибриллы бета-амилоида оптическими методами, и открывают новые перспективы для создания бифункциональных агентов, сочетающих терапевтическое воздействие через хелатирование ионов меди с визуализацией патологических образований при болезни Альцгеймера (БА).
2. Проведена комплексная оценка цитотоксичности разработанных конъюгатов SM-CLQ и MESO-CLQ, а также их медных комплексов на двух клеточных моделях, релевантных для исследования БА. На клеточной линии нейробластомы SH-SY5Y при 72-часовой инкубации установлено, что соединение SM-CLQ не проявляет токсического эффекта в исследованном диапазоне концентраций, тогда как MESO-CLQ демонстрирует умеренную цитотоксичность с IC50 13,58 мкМ. Комплексообразование с ионами меди приводит к усилению токсического действия обоих соединений. Параллельное исследование на первичной смешанной культуре нейронов и астроцитов, более точно отражающей физиологические условия центральной нервной системы, выявило существенно более низкую токсичность разработанных агентов. Полученные результаты подтверждают приемлемый цитотоксический профиль разработанных тераностических агентов и обосновывают целесообразность их дальнейшего исследования в качестве потенциальных средств для диагностики и терапии БА.
3. Оценена способность разработанных конъюгатов SM-CLQ и MESO-CLQ связываться с различными формами бета-амилоида методом флуоресцентной спектроскопии. Показано, что SM-CLQ демонстрирует выраженную структурную селективность с преимущественным связыванием фибрилл, о чем свидетельствует значительное усиление флуоресценции и исчезновение второго пика эмиссии при 530 нм, в то время как MESO-CLQ проявляет универсальную чувствительность ко всем формам амилоида с умеренным увеличением интенсивности флуоресценции и сдвигом максимума эмиссии с 510 до 490 нм. Сравнительный анализ селективности показал, что SM-CLQ демонстрирует в 2,5 раза более высокое взаимодействие с амилоидными фибриллами по сравнению с бычьим сывороточным альбумином, тогда как для MESO-CLQ это различие составляет 1,25 раза.
4. С использованием уникальной научной установки «Сканирующий ион-проводящий микроскоп с конфокальным модулем» методом атомно-силовой микроскопии установлено, что инкубация клеток нейробластомы SHSY-5Y с олигомерами Aβ приводит к достоверному увеличению модуля Юнга. Показано, что оба исследуемых соединения, SM-CLQ и MESO-CLQ, эффективно нивелируют данный эффект при совместной инкубации с Aβ, снижая модуль Юнга до контрольных значений При исследовании первичной культуры нейронов и астроцитов выявлена принципиальная разница в биологической активности стереоизомеров. MESO-CLQ индуцирует значительное повышение модуля Юнга после воздействия Aβ, что интерпретируется как проявление цитотоксичности. SM-CLQ демонстрирует защитный эффект, нормализуя модуль Юнга. Методом корреляционной конфокальной СИПМ установлена колокализация флуоресцентного сигнала MESO-CLQ с участками нарушения целостности плазматической мембраны, что свидетельствует о селективном взаимодействии соединения с Aβ-агрегатами на поверхности мембраны.
5. Методом электрохимических измерений с использованием наноэлектродов проведена количественная оценка внутриклеточного уровня АФК в клетках нейробластомы SH-SY5Y на клеточной модели амилоидоза с последующим добавлением SM-CLQ и MESO-CLQ. Установлено, что добавление Aβ42 приводит к увеличению концентрации АФК, что подтверждает развитие окислительного стресса. SM-CLQ не индуцирует изменения базального уровня АФК и при совместной инкубации с Aβ42 обеспечивает статистически значимое (p < 0,05) снижение концентрации АФК. MESO-CLQ проявляет собственную прооксидантную активность и не снижает Aβ42-индуцированный окислительный стресс. Полученные данные обосновывают приоритетность SM-CLQ для дальнейшей разработки терапевтических агентов с минимальной прооксидантной активностью.
6. Разработаны и апробированы два электрохимических подхода для прижизненного in vivo мониторинга АФК и ионов меди в головном мозге мышей с БА. Для определения АФК изготовлены платиновые наноэлектроды методом двухэтапной модификации кварцевых нанопипеток. Для детекции Cu²⁺ использован наносенсор на основе золотых нанопипеток, модифицированных лигандом GHK. Разработанные методы впервые позволяют осуществлять прямое электрохимическое определение АФК и ионов меди в мозге мышей 5xFAD и APP/PS1 с высоким пространственным и временным разрешением.
7. Методом электрохимического определения с использованием платиновых наноэлектродов проведен количественный анализ уровня АФК в коре головного мозга трансгенных мышей APP/PS1 и 5xFAD на ранней стадии развития БА (3 месяца) в коре, гиппокампе и стриатуме.
Установлено повышение концентрации АФК у трансгенных животных обеих линий по сравнению с мышами дикого типа на всех исследованных глубинах. У мышей APP/PS1 наблюдается умеренное увеличение уровня АФК при переходе к более глубоким слоям коры с максимальными различиями относительно контроля.Выявленное повышение уровня АФК в возрасте 3 месяцев, предшествующее выраженным поведенческим нарушениям и массивному отложению амилоида, подтверждает формирование окислительного стресса на ранних этапах патогенеза БА. В дальнейших этапах исследования будут продолжены на мышах с более поздними стадиями прогрессирования БА.
Публикации
1. Абрамчук Д.С., Воскресенская А.С., Ванеев А.Н., Куанаева Р.М., Абакумов М.А., Ерофеев А.С., Белоглазкина Е.К., Красновская О.О. РАЗРАБОТКА ПРЕПАРАТОВ ДЛЯ ТЕРАНОСТИКИ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДНЫХ ФЛУОРОФОРОВ BODIPY СБОРНИК ТЕЗИСОВ Всероссийской научной конференции МАРКОВНИКОВСКИЕ ЧТЕНИЯ: ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ОТ МАРКОВНИКОВА ДО НАШИХ ДНЕЙ (год публикации - 2025)
2. Ванеев А.Н., Абрамчук Д.С., Абакумова Т.О., Чапров К.Д., Митькевич В.А., Красновская О.О., Ерофеев А.С. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОДХОДА ДЛЯ ПРИЖИЗНЕННОГО МОНИТОРИНГА IN VIVO С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ТЕРАНОСТИЧЕСКИХ АГЕНТОВ НА ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС ПРИ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА СБОРНИК СТАТЕЙ. Международная научно-техническая конференция «Микроэлектронные имплантируемые нейроинтерфейсы 2025» (МИН-2025), 21–22 октября 2025 г., Москва, СБОРНИК СТАТЕЙ. Международная научно-техническая конференция «Микроэлектронные имплантируемые нейроинтерфейсы 2025» (МИН-2025), 21–22 октября 2025 г., Москва. — М.: ООО «Наш стиль». — 2025. — с. 264. (год публикации - 2025)
3. Ванеев А.Н., Тимошенко Р.В., Гаранина А.С., Абрамчук Д.С., Красновская О.О., Якимова Т.М., Клячко Н.Л., Хоченков Д.А., Акасов Р.А., Горелкин П.В., Ерофеев А.С. КОРРЕЛЯТИВНАЯ IN VITRO/ IN VIVO ОЦЕНКА БИОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТАРГЕТНЫХ МЕТАЛООРГАНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕНЕРАЦИИ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА ПОД ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕМ Biochemistry (год публикации - 2025)
4. Абрамчук Д.С., Воскресенская А.С., Ванеев А.Н., Куанаева Р.М., Абакумов М.А., Ерофеев А.С., Белоглазкина Е.К., Красновская О.О. Создание новых агентов для фотодинамической терапии и оптической диагностики болезни Альцгеймера на основе производных BODIPY Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции (г. Москва, 22-24 октября 2025 г.), Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции (г. Москва, 22-24 октября 2025 г.) / редакционная коллегия: М.А. Грин [и др.] –М.: МИРЭА — Российский технологический университет, 2025 – 180 с. (год публикации - 2025)