Biophysics Lab

Основной проблемой современных препаратов для фотодинамической терапии (ФДТ) рака выделяют токсичность, связанную в первую очередь с не избирательностью действия в организме. Использование препаратов вызывает негативные побочные эффекты для всего организма человека. Снижение негативного эффекта может быть достигнуто посредством увеличения избирательности действия по отношению к опухолевым клеткам. В настоящем проекте будет рассмотрен новый класс препаратов ФДТ — конъюгаты биосовместимых нуклеиновых аптамеров с производными эндофуллеренов, способные к активации и последующей генерации активных форм кислорода только в условиях нарушения метаболизма в раковых тканях относительно здоровых. В проекте будут разработаны конъюгаты, включающие две основных функциональных части: 1) сопряженные ДНК аптамеры, высокоспецифичные к поверхностным белкам раковых клеток, функциональная активность которых регулируется значением pH и концентрацией АТФ; 2) эндоэдральные металлофуллерены M@C82 (M = Pr, Gd, Ho), обладающие высоким выходом в триплетное состояние при возбуждении в видимом диапазоне и способные к эффективной генерации синглетного кислорода. Предлагаемые надмолекулярные комплексы объединяют в своем дизайне различные новаторские идеи последних лет и предполагают всесторонние исследования физико-химических свойств, комплексное биомедицинское изучение, включающее изучение фотодинамических и антиоксидантных свойств, влияния на пролиферацию опухолевых клеток, а также проведение доклинических испытаний на моделях животных с перевиваемыми опухолями различных локализаций. На уровне детализации механизма действия разработанных конъюгатов с помощью фемтосекундной спектроскопии на базе уникальной научной установки «Мультимодальный фемтосекундный аппаратно-аналитический лазерный комплекс» будут получены данные о механизме и эффективности миграции энергии возбуждения и генерации активных форм кислорода, будет составлена полная фото-физическая картина и дана оценка терапевтического действия надмолекулярных комплексов на раковые ткани.

АТФ является одной из наиболее важных сигнальных молекул. Эта биомолекула играет жизненно важную роль источника энергии в клеточном метаболизме и биохимических процессах. АТФ также необходим для создания больших молекул, таких как белки (из аминокислот), активного транспорта ионов через различные части живых организмов и в качестве медиатора электрических сигналов синаптической нервной системы. Помимо использования АТФ в качестве банка энергии, его концентрация в клетках является показателем жизнеспособности клетки и наличия клеточных повреждений (во всех живых клетках концентрация АТФ быстро уменьшается, когда они отмирают). Участие АТФ в критических клеточных процессах, таких как обмен веществ, активный транспорт и работа мышечных клеток, делает необходимым точные измерения его уровня для изучения биохимических, структурных и функциональных признаков блокады сердца. Это важно не только для здоровья человека, но также часто используется для определения микробной активности в почвенных материалах, свежести рыбы и контроля качества крови для переливания. Кроме того, недавние исследования показали, что АТФ является одним из наиболее важных химических сигнальных агентов, играющих центральную роль в передаче сигналов нейронами и одним из типов нейротрансмиттеров, который связан с чувством вкуса. Таким образом, понимание и характеризация путей превращения АТФ в биологических реакциях дают ценную информацию о большом количестве биохимических процессов. За последние несколько десятилетий был разработан ряд молекулярных зондов, специфичных к АТФ. При связывании АТФ с зондами изменяется генерируемый ими отклик, что позволяет оценивать концентрацию этой критической для жизнедеятельности биомолекулы. В силу ограниченной чувствительности разработанных методов полной картины метаболизма и процессов передачи сигналов этими биомолекулами установить не удается. Количественно детекцию можно улучшить с помощью сенсоров с (1) более высокой аффинностью к АТФ, (2) более быстрой кинетикой связывания с АТФ, (3) более высокими показателями сигнал-шум. В рамках данного проекта планируется создать и апробировать сенсор с высокими отношением сигнал-шум, который способен улавливать фемтомолярные концентрации АТФ в растворе. Для конструирования сенсора предлагается впервые объединить уже апробированные решения для конструирования подобных сенсоров: чувствительность плазмонного резонанса гантелевидных металлических частиц к показателю преломления окружающей среды, высокую аффинность ДНК-аптамеров и возможность изотермического замещения одной из нитей в дуплексе ДНК.

С каждым годом растет научный интерес к разработке биосенсоров, который подкрепляется социальными и медицинскими потребностями современного общества. Определение содержания низкомолекулярных (токсины, яды, запрещенные вещества и т. д.) и высокомолекулярных соединений (белки, нуклеиновые кислоты, биомаркеры и т. д.) в еде, окружающей среде и биологических жидкостях является важнейшей задачей естественных наук. Широчайшее применение в этой области нашли аптамеры — никлеиновые кислоты, пространственная конформация которых обеспечивает высокую специфичность к выбранной мишени. Являясь относительно легкими в поиске благодаря технологии SELEX и недорогими в производстве, обладая всеми преимуществами нуклеиновых кислот, аптамеры могут быть успешно использованы в медицине, биохимии, и биосенсорике. Отвечающим за высокую специфичность к мишеням аптамерам требуется часть, которая будет сигнализировать о таком связывании. Оптический отклик является одним из самых востребованных методов определения связывания аптамера с мишенью. В данном случае аптамер сопрягается с оптической меткой, наночастицей или флуоресцентным красителем, спектры которых меняются в результате связывания аптамера с целевой молекулой. Новые схемы работы биосенсоров и сопутствующие фундаментальные исследования крайне востребованы. Чувствительность биосенсора может быть улучшена за счет увеличения единичного отклика на связывание целевой молекулы с сигнальным центром или за счет применения схем в которых одна целевая молекула вызывает несколько единичных откликов за счет поочередного связывания с несколькими сигнальными центрами. В предлагаемом проекте планируется апробировать универсальный и перспективный принцип работы биосенсоров на основе фрагментированных аптамеров, наночастиц, флуоресцентных красителей и предположения о возможности опосредованной гибридизацией адсорбции полиадениновых последовательностей ДНК на поверхность золота. Основным преимуществом работы предлагаемого биосенсора является многократный отклик на одну целевую молекулу, что должно увеличить его чувствительность относительно аналогичных биосенсоров на основе однократных откликов.

Основной проблемой современных препаратов для фотодинамической терапии (ФДТ) рака выделяют токсичность, связанную в первую очередь с не избирательностью действия в организме. Использование препаратов вызывает негативные побочные эффекты для всего организма человека. Снижение негативного эффекта может быть достигнуто посредством увеличения избирательности действия по отношению к опухолевым клеткам. В настоящем проекте будет рассмотрен новый класс препаратов ФДТ — конъюгаты биосовместимых нуклеиновых аптамеров с производными эндофуллеренов, способные к активации и последующей генерации активных форм кислорода только в условиях нарушения метаболизма в раковых тканях относительно здоровых. В проекте будут разработаны конъюгаты, включающие две основных функциональных части: 1) сопряженные ДНК аптамеры, высокоспецифичные к поверхностным белкам раковых клеток, функциональная активность которых регулируется значением pH и концентрацией АТФ; 2) эндоэдральные металлофуллерены M@C82 (M = Pr, Gd, Ho), обладающие высоким выходом в триплетное состояние при возбуждении в видимом диапазоне и способные к эффективной генерации синглетного кислорода. Предлагаемые надмолекулярные комплексы объединяют в своем дизайне различные новаторские идеи последних лет и предполагают всесторонние исследования физико-химических свойств, комплексное биомедицинское изучение, включающее изучение фотодинамических и антиоксидантных свойств, влияния на пролиферацию опухолевых клеток, а также проведение доклинических испытаний на моделях животных с перевиваемыми опухолями различных локализаций. На уровне детализации механизма действия разработанных конъюгатов с помощью фемтосекундной спектроскопии на базе уникальной научной установки «Мультимодальный фемтосекундный аппаратно-аналитический лазерный комплекс» будут получены данные о механизме и эффективности миграции энергии возбуждения и генерации активных форм кислорода, будет составлена полная фото-физическая картина и дана оценка терапевтического действия надмолекулярных комплексов на раковые ткани.