Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0082

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0082
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"
Название доклада
Разработка новых материалов на основе соединений РЗЭ, содержащих реакционноспособные группы для получения люминесцентных бионаноконьюгатов
Докладчик
Борисова Наталия Евгеньевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на разработку новых бионаноконьюгатов для использования во флуоресцентном анализе, обладающих более высокими потребительскими свойствами: меньшей стоимостью, высокой чувствительностью, мультиплексностью, большей стабильностью, за счет использования новых патентно-чистых люминофоров на основе ионов РЗЭ и антител. Для достижения этой цели предполагалось решить ряд задач, в том числе разработку и синтез в необходимых количествах соединения, способные координировать ионы РЗЭ в полости лиганда и осуществлять эффективную передачу возбуждения с лиганда на ион металла, чтобы на последующих этапах синтезировать и испытать сначала комплексы этих лигандов, а затем и бионаноконьюгаты на их основе.
Актуальность и новизна исследования
Анализ литературных данных показал, что при разработке оптических зондов нового поколения необходимо принимать во внимание широкий спектр физических, химических и биологических параметров комплексов, они должны быть адаптированы к конкретным биомедицинским приложениям. При этом, именно комплексы РЗЭ являются перспективными кандидатами для медицинской визуализации благодаря возможностям синтеза и модификации комплексов различными функциональными группами, фотостабильности и относительной безопасности соединений этого типа. Наиболее перспективных результатов можно ожидать при формировании нанобиоконьюгатов, включающих в себя наночастицу, как с одной стороны платформу для связывания люминесцирующих комплексов, а с другой стороны, как эффективный носитель для биомолекул, которые в свою очередь обеспечивают специфичность связывания с мишенью, что приводит к детектированию целевых молекул. Проведенные патентные исследования показали, что указанный подход является существенно новым, патентно-чистым. В области создания люминесцентных комплексов РЗЭ также существуют ниши, не охваченные патентами или общедоступными работами. Выбор между различными лигандами может быть сделан в пользу соединений, содержащих в своем составе пиридиновые циклы и функциональные группы, обеспечивающие прочное связывание ионов металлов. Подобная конструкция комплекса приводит к существенному повышению квантового выхода люминесценции. Кроме того, правильно подобранные заместители могут обеспечить легкое связывание комплекса с биообъектами, что позволяет рассматривать такие соединения и как препараты, имеющие значение в целях биовизуализации.
Описание исследования

На основании обзора литературы и патентных источников сформировано понимание актуальных направлений исследований, а также предлагаются к исследованию структуры новых люминесцентных красителей. Для их получения разработаны методы синтеза лигандов, обеспечивающих прочное удерживание иона РЗЭ и абсорбирующего излучение и передающего его на ион металла, служа своеобразной антенной. Разработка лиганда крайне важна, поскольку именно структура лиганда позволяет управлять и прочностью образующегося комплекса, и его будущими фотофизическими характеристиками. Свойства лиганда, определяющие его полезность для дальнейшего получения комплексов должны включать: растворимость в воде или водно-органических смесях, присутствие полос поглощения в УФ-области (200-380 нм), а также обязательно состоять в высоком сродстве с ионами лантаноидов. Проведено исследование свойств лигандов, важных для получения люминесцирующих комплексов с РЗЭ. 

На примере нескольких лигандов разработаны методы синтеза комплексов РЗЭ. Комплексы РЗЭ исследованы современными методами физико-химического анализа в твердом виде (методом РСА) и в виде растворов (методами мультиядерного ЯМР). Исследованы основные фотофизические характеристики комплексов РЗЭ: квантовый выход и время жизни возбужденного состояния. Оказалось, что не все вещества обладают достаточными свойствами для использования их в качестве люминесцентных красителей индивидуально или в составе бионаноконьюгатов. Проведен анализ связи структуры лиганда с фото-физическими свойствами его комплексов. Проведен анализ применения указанных соединений для получения бионаноконьюгатов и отобраны соответствующие комплексы.

Для разработки методов модификации поверхности наноалмазов (НА) проведен анализ литературы по данной проблеме. Существует несколько способов модификации поверхности НА, из которых наиболее перспективным представляется метод управляемого наращивания слоя силикагеля (силики), поскольку этот метод позволяет создавать гидрофильную развитую поверхности и сохраняет хорошую растворимость НА в воде. Проведена разработка методов, позволяющих контролировать толщину слоя силикагеля на поверхности наночастицы.

Разработаны методы получения экспериментальных образцов бионаноконьюгатов трех типов: на основе НА, на основе НА, модифицированных силикагелем и комплексами РЗЭ, а также комплексами РЗЭ. Исследованы образцы модифицированных комплексами РЗЭ НА на предмет их фотофизических свойств. Указанные свойства образцов НА изучены в суспензиях в водных средах в присутствии биомолекул. Детально изучена стабильность модифицированных силикагелем НА в водных суспензиях (а также в суспензиях в различных буферных средах) в присутствии и в отсутствии адсорбированных комплексов РЗЭ, Изучены методы получения бионаноконьюгатов нового поколения на основе модифицированных НА методом физической адсорбции биомолекул на поверхности наночастицыРазработаны методы модификации биомолекул комплексами РЗЭ и синтезированы соответствующие комплексы европия.

Исследованы свойства образцов бионаноконьюгатов в водных суспензиях с целью установления их стабильности, а также в присутствии биомолекул для понимания основ происходящих на поверхности наночастицы процессов. Детально исследовано взаимодействие различных НА с индивидуальными нуклеотидами, с комплементарными парами нуклеотидов, а также с некоторыми белками. 

Результаты исследования

Синтезированы хелатирующие лиганды, содержащие гетероароматический фрагмент и боковые связывающие группы, на платформах: 2,6-дизамещенных пиридинов, 6,6’-дизамещенных-2,2’-бипиридинов и 2,9-дизамещенных фенатролинов. Боковые фрагменты выбраны из групп: амидных, фосфиноксидных, N-оксидных и фосфорильных. Синтезированы лиганды семи типов, получено 26 новых лигандов. Строение их подтверждено физико-химическими методами анализа, а чистота - данными элементного анализа. Лиганды синтезированы впервые. Сульфированные производные обладают хорошей растворимостью в воде, все лиганды растворяются в водно-органических смесях. Измеренные lgK комплексов с лантаноидами для большинства лигандов выше 5, а для некоторых больше 7, но в водноорганических смесях lgK падает до 4. 

Получено 70 образцов комплексов с различными важными для люминесценции в видимой области металлами: Eu, Sm, Tbи Dy.  Обнаружено, что в кристалле и в растворе комплексы Eu и Sm сохраняют свое строение.  Исследование комплексов показало, что для ряда соединений характерна интенсивная люминесценция (15 - 60% квантовый выход) с высокими временами жизни (1-1.8 мс). Обнаружены люминесцирующие образцы комплексов Sm, Tb и Dy. На основании проведенных исследований отобраны образцы комплексов, чьи свойства позволяют их использовать либо для ковалентной модификации биомолекул, либо для получения бионаноконьюгатов на основе этих комплексов.

Разработана методика модификации НА, позволяющая эффективно регулировать толщину слоя силикагеля на поверхности наночастицы в пределах от 20 до 200 нм. Найдены НА имеющие радиус 44 и 50 нм, что отвечает толщине поверхностного слоя 42 и 48 нм. 

НА всех типов активно взаимодействуют с компонентами ДНК, причем механизм взаимодействия носит электростатический характер. При адсорбции оснований на поверхности наночастицы не происходит разрыва водородных связей между комплементарными парами оснований, что доказывает возможность адсорбции молекул ДНК на поверхности наночастиц без разрыва двухцепочечной структуры.

Наработаны бионаноконьюгаты двух типов: на основе НА и на основе комплекса европия, проявляющие хорошие люминесцентные свойства. 

Доказана жизнеспособность идеи об использовании модифицированных НА в качестве нанопереносчика комплексов и более сложных материалов на их основе в биологические среды. 

В результате на данный момент найдены наиболее интересные и перспективные модели для получения бионаноконьюгатов в виде фосфоресцирующих комплексов ионов РЗЭ с полидентатными гетероциклическими лигандами и фосфорорганическими связывающими группами, нанесение которых на поверхность НА послужат для модификации антител. Разработанные методы модификации НА являются новыми и не использовались ранее. Все предложенные и синтезированные комплексы являются новыми, а получение информации об их строение является достижением в координационной химии f-элементов. Несомненно важными для дальнейшего развития является систематическое исследование фотофизических свойств комплексов РЗЭ, различающихся заместителями в боковых фрагментах лигандов. Полученные данные относительно фотофизических свойств комплексов РЗЭ с серией новых лигандов гетероциклического ряда являются существенно новыми и находятся на уровне мировых достижений. Для ранее описанных веществ использование их для последующего получения бионаноконьгатов или даже просто биоконьюгатов является новым приложением, не предполагавшимся ранее.

Практическая значимость исследования
Основной областью применения разрабатываемых материалов является медицинская диагностика, и существенную долю
рынка составляют прямые продажи красителей для лабораторного использования. В настоящее время в России тест-системы
производятся компаниями "Интерлабсервис", "Вектор-Бест" и "Литех". Всего в России насчитывается около 11.2 тыс.
медицинских лабораторий. Абсолютное большинство из них (около 10 тыс.) работают в государственных учреждениях, еще
около 500- ведомственные, а остальные - частные, как независимые, так и входящие с состав частных медицинских центров.
Этот сегмент все последние годы переживает бурный рост, несмотря на кризисные явления, в то время как число
государственных лабораторий и работники в них сокращаются. В частных лабораториях сегодня выполняется более 70%
платных лабораторных исследований. Если в 2009 объем этого рынка составлял 12.3 млрд. руб., то к 2020 году по оценкам SCR
Group он достигнет 30 млрд. руб. Кроме указанного основного применения, в результате анализа научно-исследовательской
литературы выявлено дополнительное возможное применение синтезированных лигандов - селективное извлечение ионов
РЗЭ, что является коммерчески привлекательной задачей из-за постоянно растущих цен на этот вид сырья. Переработка
первичных и вторичных отходов - фосфогипсов, аккумуляторов и др. электронных изделий позволяет использовать
разрабатываемые лиганды для группового или индивидуального разделения f-элементов. Ключевые потребители: "Уралхим",
"Фосагро", "Акрон", АО "Иртышских металлургический завод" (Казахстан), АО "Чепецкий механический завод" (корпорация
Росатом), ОАО "Соликамский магниевый завод". Переработка рудных концентратов апатитовых руд Хибинской группы (60%
от учтенных гос. запасов); переработка фосфогипса (содержит около 100 тыс. т. РЗМ). Стоимость килограмма РЗМ варьируется
от 150$ до 2000$. Сочетание сокращения Китаем экспертных квот и российских планов по созданию стратегических запасов
РЗЭ позволяет прогнозировать положительную динамику роста рынка. Объемы сегментов рынка РЗЭ оцениваются ~ 2 тыс. т.
для российского рынка и более 100 тыс. т. для международного рынка РЗМ.