Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка биомагнитных наноустройств и приборов ранней диагностики и управляемой электромагнитными полями таргетной терапии

Докладчик: Соколов Алексей Эдуардович

Должность: научный сотрудник

Цель проекта:
Цель. Разработать фундаментальные и инженерно-физические основы и технологии получения и использования в медицинских целях гибридных биологически функциональных наноустройств на основе ДНК-аптамеров и наночастиц металлов, магнитные, химические и физические свойства которых делают их пригодными не только для ранней диагностики, но и управляемой электромагнитными полями тераностики онкологических заболеваний. Задачи Задача 1. Разработка технологии получения гибридных биомагнитных наноустройств нужной физической функциональности и чувствительности к биологическим объектам исследования на основе ферромагнитных наночастиц, покрытых золотом и ДНК-аптамерами. Задача 2. Получение ДНК-аптамеров к опухолевым клеткам молочной железы человека высокой специфичности, афинности и нужной терапевтической функциональности, а на их основе экспериментальных образцов биомагнитных наноустройств для управляемого электромагнитными полями адресного физического и биологически значимого воздействия на клетки мишени. Задача 3. Исследование физических методов использования биомагнитных наноустройств, позволяющих различать между собой продукты канцерогенеза (микроэмболы, циркулирующие опухолевые клетки, апоптотические тельца, экзосомы, белки-биомаркеры) в биологических жидкостях и определять их концентрацию. Задача 4. Исследования на экспериментальных и теоретических моделях физических методов управления биомагнитными наноустройствами в солидных опухолях и здоровых тканях, разработка и создание научно-исследовательской установки для управляемого электромагнитными полями адресного физического и биологически значимого воздействия на клетки мишени опухоли, физической индикации и локации. Задача 5. Исследования биологической функциональности и диагностических возможностей биомагнитных наноустройств тераностики злокачественных новообразований, разработка физических методов управляемой внешними электромагнитными полями таргетной терапии.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты:
1. Вновь разработанные технические (технологические) принципы, методические подходы, методы получения биомагнитных наноустройств нужной физической функциональности и чувствительности к биологическим объектам исследования;
2. Физические и математические модели для комплексных исследований свойств биомагнитных наноустройств в биологических жидкостях и тканях под влиянием постоянных и переменных электромагнитных полей;
3. Описание научно-исследовательской установки для управляемого электромагнитными полями адресного физического и биологически значимого воздействия на клетки-мишени опухоли, физической индикации и локации;
4. Результаты исследования способов использования биомагнитных наноустройств и разработки методик, позволяющих различать между собой продукты канцерогенеза (микроэмболы, циркулирующие опухолевые клетки, апоптотические тельца, экзосомы, белки-биомаркеры) в биологических жидкостях и определять их концентрацию;
5. Результаты исследования на экспериментальных и теоретических моделях физических методов управления биомагнитными наноустройствами в солидных опухолях и здоровых тканях;
6. Результаты исследования биологической функциональности и диагностических возможностей биомагнитных наноустройств тераностики злокачественных новообразований и разработки физических методов управляемой внешними магнитными и электромагнитными полями таргетной терапии; — обобщение и выводы по результатам ПНИЭР.
7. Стандартная операционная процедура (далее – СОП) получения ДНК-аптамеров к опухолевым клеткам молочной железы, модифицированных тиоловыми группами, обеспечивающими возможность их закрепления на золотой поверхности, и зондами для физической индикации.
8. Лабораторно-технологический регламент (далее – ЛТР) получения гибридных биомагнитных наноустройств с требуемой физической и биологической функциональностью на основе ферромагнитных наночастиц, покрытых золотом и ДНК-аптамерами.
9. Экспериментальные образцы биомагнитных наноустройств.
10. Эскизная конструкторская документация экспериментального образца аппаратно-программного комплекса, предназначенного для управляемого электромагнитными полями адресного физического и биологически значимого воздействия биомагнитных наноустройств на клетки-мишени (далее – АПК).
11. Экспериментальный образец АПК.
12. Проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка на основе гибридных биомагнитных наноустройств опытных образцов медицинских изделий, научно-исследовательских установок и иных инженерно-технических решений, предназначенных для развития методов тераностики на клинических примерах рака молочной железы»

В последнее время в мировой научной литературе начинают появляться статьи, в которых описываются работы, связанные с селекцией аптамеров и их применением в качестве диагностических и терапевтических средств. Имеющийся у коллектива опыт и задел по тематике проекта позволяет рассчитывать на получение результата мирового уровня.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Проект находится на стадии подписания соглашения, в том числе:
1.1. Производится анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.
1.2. Готовятся к подписанию договора, направленные на материально-техническое обеспечение выполнения работ.
1.3. В рамках договора с Индустриальным партнером начата организация совместной с ОАО «КБ Искра», ИФ СО РАН и КрасГМУ ассоциированной научно-производственной лаборатории «Бионаномедтех».
1.4. Заключен договор с ООО ТОРИНС по теме НИР: «Анализ источников научно-технической информации и формирование условий использования экспериментально-расчетных методов моделирования транспорта и нагрева магнитных наночастиц в биологических жидкостях и тканях под воздействием внешних электромагнитных полей»
1.5. Сформирована научная рабочая группа для проведения междисциплинарных ПНИЭР. Создан ВТК при ИФ СО РАН входят сотрудники лаборатории … ИФ СО РАН …. , ИВМ СО РАН, КрасГМУ и СФУ.
1.6. Подготовлен план первоочередных работ обеспечивающих оперативное использование имеющихся заделов опыта и оборудования для выполнения первого этапа и результатов достижения предусмотренных планом графиком работ.
1.7. Использование заделов. Научная группа имеет опыт селекции аптамеров к различным мишеням: клеткам и тканям (Замай О.С., 2011; Замай Г.С., 2012), бактериям (Замай Т.Н., 2012; Labib M., 2012), вирусам (Labib M., Zamay A.S.,2012), антителам (Muharemagic D., 2012), а также определению их биологического эффекта (Zamay A. et al., 2012; Zamay T.N. et al., 2013; Kolovskaya O.S. et al., 2014). В результате проведенных ранее научноисследовательских работ были получены ДНК-аптамеры к опухолевой ткани легкого человека. Исследования показали, что аптамеры способны находить в кровотоке циркулирующие раковые клетки, поэтому с высокой вероятностью должны быть эффективны при диагностике рака легкого и его метастаз (Замай Т.Н., 2012). Кроме того, членами коллектива были получены аптамеры к возбудителям сальмонеллеза, с помощью которых были определены биомаркеры разных серотипов сальмонелл с различной патогенностью и лекарственной устойчивостью, проведено выявление соответствия между биомаркерами различных сальмонелл и последовательностью нуклеотидов в их геномах, разработаны наборы реагентов на основе аптамеров для идентификации Salmonella Enteritidis и Salmonella Typhimurium с помощью проточной цитометрии (Замай Т.Н., 2012; Labib M., 2012). Обнаружен бактериостатический эффект аптамеров к возбудителям сальмонеллеза (Kolovskaya O.S. et al., 2013). Разработан электрохимический биосенсор для выявления возбудителей сальмонеллеза на основе аптамеров (Labib M., Zamay A., 2012). Выявлены наиболее вероятные кандидаты в биомаркеры рака легкого (Замай Г.С., 2012). Первые результаты по идентификации белков мишеней-аптамеров, полученные с помощью масс-спектрометра, были представлены на международных конференциях (Япония, Тайвань, Франция, Италия). Получены ДНК-аптамеры, обладающие способностью подавлять рост асцитной карциномы Эрлиха, идентифицированы белки-мишени аптамеров (Zamay T.N. et al., 2013; Kolovskaya O.S. et al., 2014).
У коллектива имеется значительный опыт в области оптических, магнитных и магнитооптических (Эффект Фарадея, Эффект Керра, Магнитные круговой и линейный дихроизм) исследований кристаллов, пленок и наночастиц магнитных и немагнитных материалов. Проводятся широкомасштабные исследования наночастиц как имплантированных в твердые матрицы, так и находящихся в коллоидных растворах. Участниками коллектива проводятся активные исследования «нетипичных» для магнитооптики образцов. Так например, участниками коллектива впервые в мире проведено исследований оптических и магнитооптических свойств биоминеральных наночастиц ферритина (a-FeOOH), синтезированных бактериями культуры Klebsiella oxytoca, полученными из сапропеля озера Боровое (Красноярского края). Показано, что магнитный круговой дихроизм биоминеральных наночастиц ферритина обусловлен присутствием в них ионов железа. (Сборник трудов XXII международной конференции Новое в Магнетизме и Магнитных Материалах (НМММ-XXII), 17-21 сентября 2012г., г. Астрахань, стр. 352-355.)
В ходе работ проводимыми ИФ СОРАН в рамках междисциплинарного интеграционного проекта фундаментальных исследований №118 участниками коллектива впервые в мире обнаружен магнитный
круговой дихроизм в растворах некоторых природных нефтей и показано, что его природа связана с присутствием в растворах ванадильного комплекса, тесно связанного с местом и возрастом образования
нефтей, что может быть положено в основу нового метода характеризации нефти. (Соколов А., Оптика и
спектроскопия, 2012, том 112, № 5, с. 794–801.) Одним из направлений работы коллектива является исследование коллоидных растворов наночастиц благородных металлов которые при переходе от объемных материалов к наноразмерам радикально меняют свои магнитные и физические свойства. Известно, что изменение химического состава или хиральности органического окружения металлического ядра наночастицы приводит к изменению спектральных зависимостей кругового дихроизма, участниками коллектива изучена зависимость магнитного кругового дихроизма от изменения степени хиральности органического окружения наночастицы. (Соколов А.Э., Письма в ЖЭТФ. – 2013. – Т.97(2))

Текущие результаты проекта:
Проект находится на стадии подписания соглашения.
Научная группа имеет опыт селекции аптамеров к различным мишеням: клеткам и тканям (Замай О.С.,
2011; Замай Г.С., 2012), бактериям (Замай Т.Н., 2012; Labib M., 2012), вирусам (Labib M., Zamay A.S.,
2012), антителам (Muharemagic D., 2012), а также определению их биологического эффекта (Zamay A. et al.,
2012; Zamay T.N. et al., 2013; Kolovskaya O.S. et al., 2014). В результате проведенных ранее научно-
исследовательских работ были получены ДНК-аптамеры к опухолевой ткани легкого человека.
Исследования показали, что аптамеры способны находить в кровотоке циркулирующие раковые клетки,
поэтому с высокой вероятностью должны быть эффективны при диагностике рака легкого и его метастаз
(Замай Т.Н., 2012). Кроме того, членами коллектива были получены аптамеры к возбудителям
сальмонеллеза, с помощью которых были определены биомаркеры разных серотипов сальмонелл с
различной патогенностью и лекарственной устойчивостью, проведено выявление соответствия между
биомаркерами различных сальмонелл и последовательностью нуклеотидов в их геномах, разработаны
наборы реагентов на основе аптамеров для идентификации Salmonella Enteritidis и Salmonella Typhimurium
с помощью проточной цитометрии (Замай Т.Н., 2012; Labib M., 2012). Обнаружен бактериостатический
эффект аптамеров к возбудителям сальмонеллеза (Kolovskaya O.S. et al., 2013). Разработан
электрохимический биосенсор для выявления возбудителей сальмонеллеза на основе аптамеров (Labib M.,
Zamay A., 2012). Выявлены наиболее вероятные кандидаты в биомаркеры рака легкого (Замай Г.С., 2012).
Первые результаты по идентификации белков мишеней-аптамеров, полученные с помощью масс-спектрометра, были
представлены на международных конференциях (Япония, Тайвань, Франция, Италия). Получены ДНК-
аптамеры, обладающие способностью подавлять рост асцитной карциномы Эрлиха, идентифицированы
белки-мишени аптамеров (Zamay T.N. et al., 2013; Kolovskaya O.S. et al., 2014).
У коллектива имеется значительный опыт в области оптических, магнитных и магнитооптических
(Эффект Фарадея, Эффект Керра, Магнитные круговой и линейный дихроизм) исследований кристаллов,
пленок и наночастиц магнитных и немагнитных материалов. Проводятся широкомасштабные
исследования наночастиц как имплантированных в твердые матрицы, так и находящихся в коллоидных
растворах. Участниками коллектива проводятся активные исследования «нетипичных» для магнитооптики
образцов.
Так например, участниками коллектива впервые в мире проведено исследований оптических и магнито-
оптических свойств биоминеральных наночастиц ферритина (a-FeOOH), синтезированных бактериями
культуры Klebsiella oxytoca, полученными из сапропеля озера Боровое (Красноярского края). Показано,
что магнитный круговой дихроизм биоминеральных наночастиц ферритина обусловлен присутствием в
них ионов железа. (Сборник трудов XXII международной конференции Новое в Магнетизме и Магнитных
Материалах (НМММ-XXII), 17-21 сентября 2012г., г. Астрахань, стр. 352-355.)
В ходе работ проводимыми ИФ СОРАН в рамках междисциплинарного интеграционного проекта
фундаментальных исследований №118 участниками коллектива впервые в мире обнаружен магнитный
круговой дихроизм в растворах некоторых природных нефтей и показано, что его природа связана с
присутствием в растворах ванадильного комплекса, тесно связанного с местом и возрастом образования
нефтей, что может быть положено в основу нового метода характеризации нефти. (Соколов А., Оптика и
спектроскопия, 2012, том 112, № 5, с. 794–801.)
Одним из направлений работы коллектива является исследование коллоидных растворов наночастиц
благородных металлов которые при переходе от объемных материалов к наноразмерам радикально
меняют свои магнитные и физические свойства.
Известно, что изменение химического состава или хиральности органического окружения металлического
ядра наночастицы приводит к изменению спектральных зависимостей кругового дихроизма, участниками
коллектива изучена зависимость магнитного кругового дихроизма от изменения степени хиральности
органического окружения наночастицы. (Соколов А.Э., Письма в ЖЭТФ. – 2013. – Т.97(2))
Проведены предварительные эксперименты по исследованию спектров кругового дихроизма растворов возбудителей сальмонеллёза и выявлена качественная и количественная зависимость при взаимодействии аптамеров с клетками возбудителями.