![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Проект направлен на развитие экспериментально доступных безреагентных электрохимических методов идентификации и количественного определения нуклеиновых кислот и цитохрома с. Количественный уровень и наличие мутаций циркулирующей опухолевой ДНК, а также РНК или микроРНК, может выступать в роли диагностического и прогностического биомаркера при различных видах онкозаболеваний. Одновременно с этим при лечении онкозаболеваний наблюдается значительное повышение в кровеносном русле концентрации цитохрома с, который является индикатором клеточного апоптоза и может быть использован в качестве меры эффективности противоопухолевой терапии конкретными лекарственными препаратами. Одновременная идентификация и количественный анализ этих биомаркеров значительно повышает эффективность противоопухолевой терапии для каждого конкретного пациента, демонстрируя собой один из вариантов персонифицированной медицины. Чувствительность электрохимического анализа данных биомаркеров определяется эффективностью сопряжения анализируемого объекта с нанокомпозитным материалом, используемым для модификации электродов. Предлагаемый проект направлен на исследование принципов формирования, строения и свойств нанокомпозитов на основе углеродных наноматериалов/наночастиц металлов (наночастиц золота или серебра), солюбилизированных амфифильными ионогенными диблоксополимерами, и создания на их основе улучшенных биосенсорных покрытий для высокочувствительного анализа нуклеиновых кислот и гемопротеинов. Проект предполагает поисковое исследование принципов формирования нанокомпозитов, в которых связующее полимерной природы на основе ионогенных амфифильных диблоксополимеров выполняет тройную роль. Гидрофобный блок диблоксополимера используется для солюбилизации трудно смачиваемого и диспергируемого углеродного материала, в то время как ионогенный (заряженный) блок служит матрицей для удержания и стабилизации наночастиц металлов, а также обеспечивает специфическое взаимодействие с анализируемыми биомолекулами (гемопротеинами, такими как цитохром с, или с (поли)нуклеотидами). Углеродным наноматериалам в составе нанокомпозитов (многостенные углеродные нанотрубки, оксид графена) отводится роль компонента, улучшающего проводимость композита и эффективность переноса электронов, в то время как присутствие в нанокомпозите наночастиц металлов будет содействовать протеканию электрохимических процессов. Ожидается, что их совокупный синергетический эффект позволит значительно повысить чувствительность электрохимического анализа. В качестве анализируемых биообъектов в проекте будут задействованы цитохром с, а также нуклеиновые кислоты. Изучение биоаналитических свойств будет включать систематическое исследование и выявление оптимального состава и конструкции наноструктурированного покрытия. Для наиболее эффективных биосенсорных конструкций будут получены аналитические биосенсорные характеристики и на основе таких биосенсоров будут разработаны практически значимые методы количественного электрохимического анализа вышеупомянутых биообъектов на основе прямой (безреагентной) электрохимической регистрации. Будет исследована применимость разработанных биосенсорных покрытий для анализа реальных объектов (цельная кровь, плазма или сыворотка крови).
The project aims at the development of experimentally available reagentless electrochemical methods for identification and quantification of nucleic acids and hemoproteins. The level of circulating tumor DNA, RNA, or microRNA can be taken as a measure for diagnostic and prognostic approaches to different types of cancer. Simultaneously, a considerable release of hemoprotein cytochrome c occurs during the treatment of cancer cells with anti-cancer drugs, and this level can then be taken as measure for the efficiency of a certain drug, the screening of new potential drug candidates or, in turn, as an indicator for cell resistance towards anticancer therapy. Simultaneous detection and quantification of both these biomarkers could considerably increase the efficiency of anticancer therapy with respect to (subtle) differences between different patients and help in developing strategies for personalized medicine. The sensitivity of direct electrochemical analysis strictly depends on the extent of integration of the analyte within the working electrode, in our case a nanocomposite material used for modification of electrodes. For this purpose, a combination of carbon nanomaterials (carbon nanotubes or graphene oxide), noble metal nanoparticles (gold or silver nanoparticles), and ionic amphiphilic diblock copolymers will be used. Therefore, we first focus on principles of organic/inorganic nanocomposite fabrication based on uniformly solubilized carbon nanomaterials and, eventually, noble metal nanoparticles. The employed ionic amphiphilic diblock copolymers will serve a triple role. First, they are used as dispersing agent for the carbon nanomaterial due to hydrophobic interactions between the latter and the hydrophobic block. Further, the hydrophilic (and ionic) part of the material can be used to complex metal ions, followed by reduction to metal nanoparticles. Finally, after deposition on suitable substrates the ionic amphiphilic diblock copolymer serves as matrix material for specific interaction with target biomolecules. The role of the carbon nanomaterial is to improve conductivity of the entire composite and the efficiency of electron transfer. Finally, the presence of metal nanoparticles is expected to catalyze electrochemical reactions. In total, these effects will synergistically provide a considerable improvement of biosensor sensitivity and selectivity for direct electrochemical analysis of both nucleic acids and cytochrome c. During this project, a thorough examination of bioanalytical properties will involve a systematic investigation towards optimal construction and composition of the ionic amphiphilic diblock copolymer/carbon nanomaterial/metal nanoparticle hybrid material. Subsequently, best working constructs will be used to assess biosensor characteristics, followed by the development of application strategies for direct electrochemical analysis of real samples (whole blood, plasma or serum).
В результате выполнения данного проекта: 1. Будут синтезированы и охарактеризованы различные по составу и строению узкодисперсные диблоксополимеры. 2. Будут разработаны методы получения устойчивых (в особенности в водной среде) дисперсий углеродных наноматериалов. Будет проведено физико-химическое исследование полученных дисперсий. Будут опробированы различные способы нанесения дисперсий углеродных наноматериалов на проводящие поверхности и оценены электрохимические свойства получающихся в результате модифицированных поверхностей. Это позволит значительно повысить воспроизводимость, производительность и технологичность модификации поверхностей углеродными наноматериалами, что помимо конкретных задач данного проекта крайне востребовано в различных областях конструирования современных наноматериалов. 3. Будет исследовано комплексообразование ионогенного блока диблоксополимера с металлосодержащими противоионами с последующим восстановлением ионов металлов подходящими способами до наночастиц металлов. Будет проведено физико-химическое исследование полученных модифицированных наночастицами металлов диблоксополимеров и модифицированных наночастицами металлов дисперсий углеродных наноматериалов в растворах. Будут изучены способы нанесения модифицированных наночастицами металлов дисперсий углеродных наноматериалов на проводящие поверхности и оценены электрохимические свойства получающихся в результате модифицированных поверхностей. Это позволит оптимизировать диапазон рабочего окна потенциалов используемых электродов, значительно повысит эффективность электрохимических процессов и увеличит уровни измеряемых электрохимических откликов. Полученные данные буду обладать высокой научной и практической ценностью, поскольку такой универсальный нанокомпозитный материал и способ модификации им поверхностей рабочих электродов могут применяться для электрохимического анализа разнообразных (био)химических объектов. 4. Будет изучено взаимодействие цитохрома с с оптимизированными нанокомпозитными поверхностями, подобраны и оптимизированы условия адсорбции, исследована биосовместимость, разработаны количественные методы прямой электрохимической регистрации, получены калибровочные зависимости, исследованы диапазоны определяемых концентраций и определены пределы детекции цитохрома с в буферных растворах, в тестовых растворах Рингера-Люка, моделирующих плазму крови, а также в спайк-растворах в плазме крови здоровых доноров. Разработанный в рамках проекта способ прямой электрохимической регистрации цитохрома с может быть использован в медицине качестве меры эффективности противоопухолевой терапии конкретными лекарственными препаратами. 5. Будет изучено взаимодействие нуклеотидов (АМР, GMP, TMP, CMP, methyl-СMP) с оптимизированными нанокомпозитными поверхностями и исследована зависимость потенциала их окисления от состава нанокомпозита, в особенности от типа и размера наночастиц металлов. Для наиболее перспективных составов нанокомпозитов будут разработаны количественные методы прямой электрохимической регистрации каждого из нуклеотидов, получены калибровочные зависимости, исследованы диапазоны определяемых концентраций и определены пределы детекции в буферных растворах. Будет проведен анализ образцов внеклеточной ДНК, выделенной из плазмы крови информированных доноров и разработан метод расчета концентрации ДНК в пробе на основе анализа интенсивности сигналов электроокисления отдельных гетероциклических оснований. Одновременная идентификация и количественный анализ внеклеточной ДНК в комбинации с цитохромом с смогут значительно повысить эффективность противоопухолевой терапии для каждого конкретного пациента и, тем самым, продвинуться далее в области персонифицированной медицины.
Научный коллектив обладает значительным опытом работы по формированию белок-полиэлектролитных пленок методом последовательной адсорбции и пониманием факторов, влияющих на физико-химические характеристики и устойчивость покрытий, а также на активность биокомпонента, включенного в их состав. К таким факторам относятся: (1) физико-химические свойства используемой исходной поверхности, в частности ее заряд, гидрофильно-гидрофобные свойства, шероховатость; (2) строение и свойства полимерного компонента, в особенности степень его заряженности и гидрофильно-гидрофобный баланс; (3) заряд биомолекул; (4) условия, при которых происходит адсорбция полимерного компонента и его последующее взаимодействие с биомолекулами, в том числе, рН, температура, солевой состав водной среды и проч.; (5) присутствие в системе дополнительных модифицирующих агентов (наночастиц, углеродных наноматериалов и т.д.). Обширный опыт работы членов научного коллектива в области электрохимии гемопротеинов, включая цитохромы (в том числе, цитохром с) привел к созданию различных биосенсорных методов их детектирования на планарных графитовых электродах, модифицированных органо-неорганическими композитными материалами в комбинации с низкомолекулярными поверхностно-активными веществами.
Получены и охарактеризованы устойчивые на коллоидном уровне водные дисперсии коммерческих препаратов многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) и других углеродных наноматериалов: оксида графена (ГО) и оксида графена, допированного азотом (ГО-N), солюбилизированных катионными амфифильными диблок-сополимерами с варьируемым соотношением длин гидрофобного и ионогенного блоков; анионными амфифильными диблок-сополимерами с варьируемым соотношением длин гидрофобного и ионогенного блоков; полиамфолитными функционализированными полимерами на основе полидегидроаланина с различными боковыми заместителями и полиионными жидкостями. Подобраны условия диспергирования, такие как концентрация амфифильного (со)полимера, количество углеродного наноматериала, время и мощность озвучивания. Исследована коллоидная устойчивость водных дисперсий углеродных наноматериалов от рН раствора полимерного дисперсанта. Получены изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) для образцов дисперсий, подтверждающие значительное содержание отдельных МУНТ/чешуек ГО, а также некоторое количество агрегатов (пучков МУНТ или агрегатов чешуек ГО), свидетельствующие о присутствии свободного полимерного материала. Их фракции определяются типом используемого углеродного наноматериала, полимерного дисперсанта и составом дисперсии. Установлено, что дисперсии в целом сохраняют высокую коллоидную устойчивость в течение длительного времени (по меньшей мере, в течение нескольких месяцев). Гомогенными, устойчивыми на коллоидном уровне водными дисперсиями углеродных наноматериалов модифицированы поверхности коммерческих (печатных) планарных графитовых электродов. Получены изображения сканирующей электронной микроскопии для поверхности модифицированных электродов в вариантах вид сверху и в поперечном сечении, по которым охарактеризованы качество покрытия, степень шероховатости, толщины нанокомпозитных модифицирующих слоев. Установлена корреляция между гомогенностью и качеством диспергирования углеродного наноматериала с одной стороны и равномерностью покрытия электрода, достигаемым при его модификации приготовленной дисперсией с другой. Показано, что модификация позволяет значительно (в ряде случаев от 10 до 35 раз) увеличивать электроактивную площадь поверхности электрода, что делает модифицированные электроды, обладающие подобным нанокомпозитным покрытием, перспективной платформой для количественного анализа биологически активных молекул. Получены и охарактеризованы препараты серебряных и золотых наночастиц с использованием в качестве полимерных матриц полистирол-блок-полидегидроаланина (ПС37-б-ПДГА46); полистирол-блок-полиакриловой кислоты (ПС100-б-ПАК230); полидегидроаланина, содержащего боковые эпоксиоктильные заместители (ПДГАEoct); линейного поли(диметиламиноэтилметакрилата) (ПДМАЭМА558); поли-1,2-бутадиен-блок-поли(диметиламиноэтилметакрилата) (ПБ290-б-ПДМАЭМА240); а также поли-н-бутилметакрилат-блок-полидиметиламиноэтилметакрилатов различного состава (ПнБМА40-б-ПДМАЭМА40, ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120, ПнБМА70-б-ПДМАЭМА120). При синтезе наночастиц варьировали тип и концентрацию полимера, соотношение мольного количества заряженных групп полимерной цепи к мольному количеству металлосодержащих ионов, рН среды, концентрацию восстановителя. Формирование металлических наночастиц подтверждено методом оптической спектроскопии по появлению соответствующих полос поглощения поверхностного плазмонного резонанса. Методом лазерного микроэлектрофореза и динамического светорассеяния охарактеризованы заряд и гидродинамические размеры образующихся частиц металлополимерных гибридов. С помощью метода просвечивающей электронной микроскопии определены размеры металлических наночастиц для отдельных препаратов, их распределения по размерам, а также выявлена локализация на полимерных матрицах. В основном препараты металлических наночастиц, стабилизированных полимерными цепями, представляли собой коллоидно-устойчивые взвеси достаточно мелких наночастиц с узким распределение по размерам. Средний размер металлических наночастиц не превышал 5 нм и не зависел от выбора полимерного объекта, условий синтеза, типа металлосодержащего иона и соотношения взаимодействующих компонентов. Получены препараты коллоидно-устойчивых трехкомпонентных гибридов с использованием в качестве полимерных матриц ПС37-б-ПДГА46, ПДГАEoct и ПС100-б-ПАК230. Для этого сначала получали дисперсии МУНТ в водном растворе соответствующего полимера, а затем проводили синтез наночастиц серебра по стандартным методикам. Визуализация полученных трехкомпонентных гибридов методом просвечивающей электронной микроскопии подтвердила присутствие в образцах достаточно хорошо диспергированных углеродных нанотрубок, наночастиц серебра (золото-серебряных сплавов) и полимерной фазы. Наночастицы металлов были обнаружены также непосредственно вблизи поверхности углеродных нанотрубок, что подтверждало присутствие в образцах трехкомпонентных гибридных объектов: углеродных нанотрубок, покрытых слоем полимера, на ионогенных фрагментах которого происходило образование наночастиц металлов. Синтезированы биметаллические золотосеребряные наночастицы («наносплавы») с использованием в качестве полимерной матрицы бис-гидрофильного полиамфолитного сополимера, представляющего собой ПДГА, модифицированный полиэтиленоксидом (ПДГА-ПЭО). Их характеристики были определены методами просвечивающей электронной микроскопии, оптической спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Установлено, что на полимерных матрицах на основе ПДМАЭМА при определенных условиях (рН 7) и совместном присутствии солей золота и серебра может происходить независимый параллельный синтез чисто золотых и чисто серебряных наночастиц. Таким образом, показана возможность синтеза комбинированных препаратов наночастиц, содержащих совместно присутствующие чисто золотые и чисто серебряные наночастицы, стабилизированные полимерными цепями. Разработан метод электроанализа цитохрома с на планарных графитовых электродах, модифицированных МУНТ/ПнБА100-б-ПАК140 и МУНТ/ПнБА100-б-ПАК300. Данный метод позволяет регистрировать полную «сигнатуру» или «электрохимический штрих-код» гемопротеина как в гемовой области (-0,3 – +0,3 В), так и в области электрохимического окисления аминокислот (+0,5 – +0,7 В) и порфиринового кольца (+0,8 В). Достигнутая чувствительность регистрации гемопротеина (1–2 мкМ) соответствует его концентрации в биопробах при апоптотических и некротических процессах. Это может быть использовано для детектирования этих процессов с использованием цитохрома с как маркера апоптоза или некроза в образцах клеточных лизатов, в плазме или сыворотке крови, при тестировании и поиске новых лекарственных препаратов. Электроанализ цитохрома с также протестирован на широком круге электродов с гибридными нанокомпозитными покрытиями на основе ПДГА, ПДГАEoct и ПС100-б-ПАК230, содержащими: (1) дисперсии МУНТ (дисперсии МУНТ, стабилизированные полимерами); (2) металлополимерные гибридные наноматериалы (наночастицы металлов, синтезированные на полимерных цепях); (3) трехкомпонентные гибридные наноматериалы (дисперсии МУНТ, стабилизированные полимерами и дополнительно модифицированные наночастицами металлов) различного состава и/или нанесенные в различной последовательности. Электроды, модифицированные дополнительным слоем наночастиц серебра AgНЧ/ПС37-б-ПДГА46, продемонстрировали более высокую чувствительность при анализе цитохрома с. Обнаружено, что, наночастицы серебра способствуют улучшению электроаналитических характеристик модифицированных электродов. Применение AgНЧ не только повышает чувствительность, но и увеличивает концентрацию электроактивного белка на поверхности электрода. Необходимо отметить отсутствие дополнительных шумов на вольтамперограмме фона в анализируемой области. Разработана электрохимическая система анализа нуклеиновых кислот и их компонентов на электродах с нанокомпозитными покрытиями на основе полиионных жидкостей поли-N-этилвинилимидазолий бромида (ПИЖ-Э) и поли-N-бутилвинилимидазолий бромида (ПИЖ-Б) (МУНТ/ПИЖ-Э, МУНТ/ПИЖ-Б). Для этой оптимальной модификации (МУНТ/ПИЖ-Б) определены величины потенциалов пиков окисления гуанина и аденина в составе гуанозинтрифосфата, аденозинтрифосфата, а также модельной двуцепочечной ДНК из молок осетровых рыб. Для оптимизированных условий получены калибровочные зависимости величин токов, соответствующих пикам окисления гуанина и аденина, от концентрации ДНК. Определены аналитические параметры, в том числе линейный диапазон, который составил 5-500 мкг/мл (по пику гуанина) и 0,5-50 мкг/мл (по пику аденина); чувствительность, которая составила 0,14 мкА/(мкг*мл-1*см2) (по пику гуанина) и 3,36 мкА/(мкг*мл-1*см2) (по пику аденина), а также предел детекции, который составил 5 мкг/мл (по пику гуанина) и 0,5 мкг/мл (по пику аденина), что соответствует 0.1 мкМ концентрации (при средней молярной массе ДНК 20 кДа). Разработанная электрохимическая система анализа ДНК использована для определения однонуклеотидных замен в коротких фрагментах ДНК. Установлено, что с ее помощью можно надежно регистрировать изменение состава коротких последовательностей нуклеотидов по отличиям в величинах пиков окисления гуанина и аденина. Разработана электрохимическая система анализа нуклеиновых кислот на электродах с нанокомпозитным покрытием MУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240. Линейный диапазон определяемых концентраций ДНК по гуанину при потенциале +0.591 ± 0.05 В составил 50–1500 мкг/мл, по аденину при потенциале +0.874 ± 0.05 В также составил 50 – 1500 мкг/мл. Чувствительность определения ДНК по гуанину составила 0.53 мкA/(мкг*мл-1*см2), по аденину - 1.07 мкA/(мкг*мл-1*см2). Модификация на основе ПБ290-б-ПДМАЭМА240 была использована для исследования взаимодействия ДНК с рифампицином (РФ) и наноформой рифампицина (НРФ), полученной на основе фосфолипидной транспортной системы, для оценки эффективности данных лекарственных форм в отношении ДНК как мишени действия лекарственных препаратов. Разработана электрохимическая система анализа нуклеиновых кислот на электродах с нанокомпозитным покрытием МУНТ/ПнБМАх-б-ПДМАЭМАу на основе синтезированных катионных амфифильных диблок-сополимеров поли-н-бутилметакрилат–блок-полидиметиламиноэтил метакрилатов с различными длинами (соотношением длин) ионогенного и гидрофобного блоков: ПнБМА40-б-ПДМАЭМА40, ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120, ПнБМА70-б-ПДМАЭМА120. Электроанализ ДНК методом дифференциально-импульсной вольтамперометрии показал существенное улучшение аналитических характеристик (регистрируемое по сигналам электроокисления гуанина и аденина) на данных сенсорных конструкциях. Установлено, что модификации электродов дисперсиями МУНТ/ПнБМАх-б-ПДМАЭМАу обнаруживают исключительные электрохимические параметры окисления-восстановления ферро/феррицианида калия K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] и значительное увеличение электроактивной площади по сравнению с немодифицированными электродами. Оптимизация состава дисперсий по типу полимера и содержанию МУНТ, а также увеличение времени инкубации образцов ДНК на поверхности модифицированного электрода позволило повысить чувствительность анализа. Достигнутый предел определяемых концентраций для реакции электроокисления гуанина составил 5 мкг/мл, для электроокисления аденина 1 мкг/мл. Сенсорные конструкции на основе МУНТ/ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120 были использованы для анализа ДНК в присутствии сыворотки крови, а также для анализа лейкоцитарной ДНК человека. Такой подход может иметь аналитическое и биомедицинское применение. Разработан метод количественного электрохимического анализа диклофенака (нестероидного противовоспалительного препарата) на электродах, модифицированных водной дисперсией МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240. Показано, что его окисление происходит при потенциале +0,53 В (отн. Ag/AgCl). Установлено, что линейный диапазон определяемых концентраций диклофенака составляет 100 нM – 50 мкM, с пределом определяемых концентраций 35 нМ. Разработан метод количественного электрохимического анализа ацетаминофена (парацетамол, N–ацетил-п-аминофенол) с использованием таких же сенсорных конструкций. Показано, что его окисление происходит при потенциале +0,35 В (отн. Ag/AgCl). Обнаружено, что линейный диапазон определяемых концентраций ацетаминофена составляет 100 нM – 100 мкM, с пределом определяемых концентраций 40 нМ. Установлено, что по сравнению с немодифицированным электродом, сигнал анодного пика электрохимического окисления ацетаминофена на сенсорной конструкции МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240 смещается в сторону отрицательных потенциалов на 0,13 В, в то время как сигнал анодного пика электрохимического окисления диклофенака +0,53 В смещается лишь незначительно. Установлено, что благодаря такому смещению возможно проводить одновременную независимую регистрацию диклофенака (при +0,53 В) и ацетаминофена (при +0.35 В) в смесях. Применимость метода для количественной оценки этих лекарственных средств в биообразцах, при соответствующей пробоподготовке, продемонстрирована на примере определения диклофенака и ацетаминофена в присутствии сыворотки крови по анодным пикам в диапазоне потенциалов 0 - +0,8 В. Разработан метод количественного электрохимического анализа рифампицина (РФ) – (антибиотика ансамициновой группы, который широко используется в составе комбинированной терапии ряда заболеваний) с применением электродов с нанокомпозитным покрытием, получаемых из дисперсий МУНТ в водных растворах полиионной жидкости ПИЖ-Э. В аэробных условиях окисление РФ на электродах, модифицированных водной дисперсией МУНТ/ПИЖ-Э, происходит при потенциале +0,56 В (отн. Ag/AgCl) с дополнительной регистрацией «плеча» при потенциале +0,92 В; линейный диапазон определяемых концентраций РФ составил 35 мкМ – 700 мкM. Разработанный «рифампицин-чувствительный» сенсор может быть использован для количественного анализа РФ, в том числе в биологических образцах. Установлено, что модификация электродов МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240, используемая для электрохимического анализа ДНК, является «рифампицин-инертной»: анализ показал полное отсутствие пиков электроокисления для РФ в диапазоне потенциалов +0.6 - +0.8 В вплоть до концентрации РФ 700 мкМ. «Рифампицин-инертный» сенсор был применен для исследования механизмов взаимодействия РФ с ДНК как молекулярный мишенью действия лекарственных препаратов. В частности, электроды, модифицированные стабильными дисперсиями МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240, были использованы для сравнительного анализа взаимодействия РФ и наноформы рифампицина (НРФ) (рифампицина, включенного в состав фосфолипидных наночастиц) с ДНК в диапазоне концентраций РФ/НРФ 50 - 600 мкМ. На основе экспериментально полученных параметров электроокисления пуриновых нуклеотидов в присутствии РФ или НРФ рассчитаны константы связывания Кв для комплексов ДНК/РФ и ДНК/НРФ индивидуально для гуанина и аденина. Значения Кв, полученные для ДНК/РФ, свидетельствуют о интеркаляционном типе взаимодействия в комплексе ДНК/РФ, а значения Кв, полученные для ДНК/НРФ, позволяют сделать предположение о смешанном интеркаляционно-электростатическом характере взаимодействия ДНК/НРФ.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Гибридные материалы на основе блоксополимеров в применении к прямому электрохимическому анализу нуклеиновых кислот и гемопротеинов |
Результаты этапа: В течение первого года выполнения проекта (этап 2018 года) разработан эффективный подход к диспергированию углеродных наноматериалов в водных средах с помощью амфифильных (со)полимеров (ионогенных амфифильных диблоксополимеров, полиионных жидкостей, полиамфолитных амфифильных (со)полимеров). В частности получены обладающие высокой коллоидной устойчивостью дисперсии углеродных нанотрубок в водных растворах амфифильных (со)полимеров и исследована их коллоидная устойчивость в зависимости от рН окружающей среды. Показано, что водные дисперсии углеродных нанотрубок теряют свою коллоидную стабильность при понижении степени ионизации солюбилизирующего углеродные наноматериалы амфифильного (со)полимера, что приводит к образованию нерастворимого продукта, причем последний процесс является обратимым. Установлено, что устойчивые на коллоидном уровне дисперсии углеродных нанотрубок в водных растворах амфифильных (со)полимеров содержат значительное количество отдельных нанотрубок, а также некоторое количество агрегатов (пучков) нанотрубок, фракция которых определяется типом углеродного наноматериала, типом амфифильного (со)полимера, а также составом получаемой дисперсии. Оптимальное содержание амфифильного (со)полимера, необходимое для получения устойчивых на коллоидном уровне дисперсий углеродных нанотрубок, составляет 5 мг (со)полимера на 1 мг углеродного наноматериала. Обнаружено, что модификация печатных графитовых электродов полученными дисперсиями углеродных нанотрубок в водных растворах амфифильных (со)полимеров позволяет в несколько раз (до 10 раз) увеличить электроактивную площадь поверхности электрода. Установлено, что модифицированные электроды с нанокомпозитным покрытием являются перспективной платформой для количественного анализа биологически активных молекул, таких как ДНК, олигонуклеотиды, цитохром с, а также различные лекарственные соединения. В частности показано, что планарные графитовые электроды, модифицированные дисперсиями углеродных нанотрубок в водных растворах анионных диблоксополимеров (поли-н-бутилакрилат-блок-полиакриловая кислота), можно применять для прямой электрохимической детекции цитохрома с. Исследовано влияние рН и состава дисперсий, используемых для модификации планарных графитовых электродов, а также количества наносимого на электрод модификатора на электрохимические параметры циклической вольтамперометрии цитохрома с. Помимо этого изучено влияние длины анионного блока сополимера, рН раствора, из которого происходит адсорбция белка, а также значения рН, при котором осуществляют измерение электрохимического отклика, на аналитические параметры электрохимического определения цитохрома с. Проведено сравнительное исследование применимости планарных графитовых электродов, модифицированных дисперсиями углеродных нанотрубок в водных растворах катионных диблоксополимероов (поли-1,2-бутадиен-блок-полидиметиламиноэтилметакрилат) или в водных растворах полиионной жидкости (поли-N-бутилимидазолий бромид), для количественного анализа модельной двуцепочечной ДНК из молок осетровых рыб на основе прямого электроокисления остатков аденина и гуанина. На примере коротких олигонуклеотидов продемонстрирована возможность электрохимической регистрации точечных мутаций ДНК. Установлена возможность электрохимической регистрации интеркаляции лекарственных соединений или их наноформ (на примере рифампицина и его наноформы) в ДНК. Проведено сравнительное исследование применимости планарных графитовых электродов, модифицированных дисперсиями углеродных нанотрубок в водных растворах катионных диблоксополимероов (поли-1,2-бутадиен-блок-полиэиметиламиноэтилметакрилат) или в водных растворах полиионных жидкостей (поли-N-бутилимидазолий бромид, поли-N-этилимидазолий бромид), для количественного анализа лекарственных соединений путем регистрации их электроокисления. Оптимизированы условия проведения электрохимического окисления диклофенака, ацетаминофена, ибупрофена, аскорбиновой кислоты на модифицированных дисперсиями углеродных нанотрубок печатных графитовых электродах и определены аналитические характеристики электроокисления лекарственных соединений. Опробована применимость разработанной методики для анализа лекарственных препаратов в сыворотке крови человека. | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Гибридные материалы на основе блоксополимеров в применении к прямому электрохимическому анализу нуклеиновых кислот и гемопротеинов |
Результаты этапа: На втором этапе выполнения проекта (этап 2019 года) исследована диспергируемость углеродных наноматериалов (многостенных углеродных нанотрубок) в водных растворах (1) катионых амфифильных диблоксополимеров с варьируемым соотношением длин гидрофобного и ионогенного блоков на основе поли-н-бутилметакрилат-блок-полидиметиламиноэтилметакрилата; (2) анионных амфифильных диблоксополимеров с варьируемым соотношением длин гидрофобного и ионогенного блоков на основе полистирол-блок-полиакриловой кислоты; (3) полиамфолитных диблок- и привитых сополимеров на основе полидегидроаланина. Полученные водные дисперсии углеродных наноматериалов охарактеризованы методами оптической спектроскопии просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). С помощью полученных гомогенных, устойчивых на коллоидном уровне дисперсий углеродных наноматериалов проведена модифицикация коммерческих (печатных) планарных графитовых электродов, качество модификации исследовано методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Показано, что она позволяет значительно (до 10 раз) увеличивать электроактивную площадь поверхности электрода, что делает модифицированные электроды, обладающие подобным нанокомпозитным покрытием, перспективной платформой для количественного анализа биологически активных молекул. Отработан синтез золотых и серебряных наночастиц на задействованных в проекте амфифильных диблок- и привитых сополимерах как полимерных матрицах, который включает связывание металлосодержащих ионов или ионов металлов функциональными (ионогенными) группами сополимеров с последующим химическим восстановлением связанных ионов до металлических наночастиц под действием тетрагидробората натрия. Исследовано влияние соотношения мольных количеств ионогенных групп сополимеров и металлосодержащих ионов или ионов металлов, соотношения мольных количеств металлосодержащих ионов или ионов металлов и восстановителя, а также исходного рН среды на этот процесс. Формирование металлических наночастиц подтверждено методом оптической спектроскопии по появлению соответствующих полос поглощения поверхностного плазмонного резонанса. Методом лазерного микроэлектрофореза и динамического светорассеяния охарактеризованы заряд и гидродинамические размеры образующихся частиц металлополимерных гибридов. С помощью метода ПЭМ определены размеры металлических наночастиц, их распределения по размерам, а также выявлена локализация на полимерных матрицах. На полимерной матрице, представляющей собой бис-гидрофильный полиамфолитный диблоксополимер полидегидроаланина и полиэтиленоксида, химическим восстановлением тетрагидроборатом натрия смеси тетрахораурат-ионов и ионов серебра синтезированы биметаллические золотосеребряные наночастицы («наносплавы»). Методами ПЭМ, оптической спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии определены их характеристики. Синтезированы первые варианты тройных гибридов, путем диспергирования углеродных наноматериалов в водных растворах некоторых задействованных в проекте амфифильных сополимеров с последующим синтезом наночастиц серебра по разработанной и оптимизированной методике. Разработан метод электроанализа цитохрома с на планарных графитовых электродах, модифицированных углеродными наноматериалами, диспергированными в водных растворах анионных диблоксополимеров. Данный метод позволяет регистрировать полную «сигнатуру» или «электрохимический штрих-код» гемопротеина как в гемовой области (-0,3 – +0,3 В), так и в области электрохимического окисления аминокислот (+0,5 – +0,7 В) и порфиринового кольца (+0,8 В). Показано, что сопряжение углеродных материалов и наночастиц серебра в нанокомпозитных покрытиях электродов усиливает максимальную амплитуду сигналов окисления и восстановления гема цитохрома с на 250%. Исследована каталитическая активность цитохрома с на планарных графитовых электродах, модифицированных углеродными наноматериалами, диспергированными в водных растворах полиамфифильного диблоксополимера полистирол-блок-полидегидроаланина, на которые сверху дополнительно наносили слой ДНК. Такая система моделирует природное анионное микроокружение этого гемопротеина. Для этой системы в присутствии пероксида водорода как квазисубстрата продемонстрировано концентрационно зависимое усиление сигнала цитохрома с. Достигнутая чувствительность регистрации гемопротеина (1–2 мкМ) соответствует его концентрации в биопробах при апоптотических и некротических процессах. Это может быть использовано для детектирования этих процессов с использованием цитохрома с как маркера апоптоза или некроза в образцах клеточных лизатов, в плазме или сыворотке крови, при тестировании и поиске новых лекарственных препаратов. Проведено сравнительное тестирование электроокисления ДНК на планарных графитовых электродах, модифицированных дисперсиями углеродных наноматериалов в водных растворах различных катионных амфифильных диблоксополимеров и полиамфолитных диблок- и привитых сополимеров. Это позволило выявить наиболее эффективные модификации, для которых амплитуда анодного тока электроокисления как гуанина, так и аденина возрастает более чем на 300 % при одновременном смещении потенциала электроокисления остатков гуанина и аденина в сторону отрицательных значений на 50±10 мВ, что свидетельствует об улучшении электротранспортных свойств модифицированных электродов. Такое существенное повышение чувствительности может быть использовано для анализа ДНК в образцах плазмы крови, запланированное на третий этап выполнения проекта (этап 2020 года). В ходе оптимизации процесса измерения и анализа лекарственных средств были существенно улучшены электроаналитические характеристики детекции диклофенака, а также разработан метод количественного электрохимического анализа ацетаминофена на планарных графитовых электродах, модифицированных углеродными наноматериалами, диспергированными в водном растворе катионного амфифильного диблоксополимера поли-бутадиен-блок-полидиметиламиноэтилметакрилате. Показано, что окисление диклофенака и ацетаминофена на таких электродах происходит при потенциалах 0,53 ± 0,02 В и +0,35 ± 0,02 В (относительно референсного электрода сравнения Ag/AgCl), соответственно, позволяя регистрировать данные лекарственные соединения с низкими пределами обнаружения (35 нМ для диклофенака и 40 нМ для ацетаминофена). Продемонстрировано, что данная модификация электродов позволяет проводить одновременный независимый анализ каждого из лекарственных соединений с высокой разрешающей способностью в их смесях. Показана возможность электрохимического анализа ацетаминофена и диклофенака в сыворотке крови, что позволяет применить метод для количественной оценки этих лекарственных средств в биопробах при минимальной пробоподготовке. | ||
3 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Гибридные материалы на основе блоксополимеров в применении к прямому электрохимическому анализу нуклеиновых кислот и гемопротеинов |
Результаты этапа: Отработан синтез серебряных и золотых наночастиц с использованием в качестве полимерных матриц полистирол-блок-полидегидроаланина (ПС37-б-ПДГА46); полистирол-блок-полиакриловой кислоты (ПС100-б-ПАК230); полидегидроаланина, содержащего боковые эпоксиоктильные заместители (ПДГАEoct); линейного поли(диметиламиноэтилметакрилата) (ПДМАЭМА558); поли-1,2-бутадиен-блок-поли(диметиламиноэтилметакрилата) (ПБ290-б-ПДМАЭМА240); а также поли-н-бутилметакрилат-блок-полидиметиламиноэтилметакрилатов различного состава (ПнБМА40-б-ПДМАЭМА40, ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120, ПнБМА70-б-ПДМАЭМА120). При этом варьировали тип и концентрацию полимера, соотношение мольного количества заряженных групп полимерной цепи к мольному количеству металлосодержащих ионов, рН среды. Формирование металлических наночастиц подтверждено методом оптической спектроскопии по появлению соответствующих полос поглощения поверхностного плазмонного резонанса. Методом лазерного микроэлектрофореза и динамического светорассеяния охарактеризованы заряд и гидродинамические размеры образующихся частиц металлополимерных гибридов. С помощью метода просвечивающей электронной микроскопии определены размеры металлических наночастиц для отдельных препаратов, их распределения по размерам, а также выявлена локализация на полимерных матрицах. В основном препараты металлических наночастиц, стабилизированных полимерными цепями, представляли собой коллоидно-устойчивые взвеси достаточно мелких наночастиц с узким распределение по размерам. Средний размер металлических наночастиц не превышал 5 нм и не зависел от выбора полимерного объекта, условий синтеза, типа металлосодержащего иона и соотношения взаимодействующих компонентов. Исключение составили только препараты наночастиц серебра, синтезированные на ПС37-б-ПДГА46, характеризующиеся медленным оседанием в течение нескольких дней, что, по-видимому, связано с ограниченной растворимостью ПС37-б-ПДГА46 в водной среде. Таким образом, в результате проделанной работы на большом числе полимерных матриц (в том числе синтезированных в рамках проекта) удалось получить в основном стабильные хорошо охарактеризованные препараты золотых и серебряных наночастиц. Получены препараты коллоидно-устойчивых трехкомпонентных гибридов с использованием в качестве полимерных матриц ПС37-б-ПДГА46, ПДГАEoct и ПС100-б-ПАК230. Для этого сначала получали дисперсии МУНТ в водном растворе соответствующего полимера, а затем проводили синтез наночастиц серебра по стандартным методикам. Визуализация полученных трехкомпонентных гибридов методом просвечивающей электронной микроскопии подтвердила присутствие в образцах достаточно хорошо диспергированных углеродных нанотрубок, наночастиц серебра (золото-серебряных сплавов) и полимерной фазы. Наночастицы металлов были обнаружены также непосредственно вблизи поверхности углеродных нанотрубок, что подтверждало присутствие в образцах трехкомпонентных гибридных объектов: углеродных нанотрубок, покрытых слоем полимера, на ионогенных фрагментах которого происходило образование наночастиц металлов. Установлено, что на полимерных матрицах на основе ПДМАЭМА при определенных условиях (рН 7) и совместном присутствии солей золота и серебра может происходить независимый параллельный синтез чисто золотых и чисто серебряных наночастиц. Таким образом, показана возможность синтеза комбинированных препаратов наночастиц, содержащих совместно присутствующие чисто золотые и чисто серебряные наночастицы, стабилизированные полимерными цепями. Электроанализ цитохрома с протестирован на широком круге электродов с гибридными нанокомпозитными покрытиями, сформированными: (1) дисперсиями МУНТ, стабилизированными полимерами ПС37-б-ПДГА46, ПДГАEoct и ПС100-б-ПАК230; (2) металлополимерными гибридами (содержащими наночастицы серебра, синтезированные на вышеуказанных полимерах); (3) трехкомпонентными гибридами (дисперсиями МУНТ, стабилизированными вышеуказанными полимерами и дополнительно модифицированными наночастицами серебра) различного состава и/или нанесенные в различной последовательности. Для модификаций электродов на основе МУНТ/ПС37-б-ПДГА46 потенциалы пиков восстановления и окисления гема цитохрома с с лежат в области, характерной для этого гемопротеина и соответствующей 0 ± 100 мВ. Введение в состав электродной модификации дополнительного слоя AgНЧ/ПС37-б-ПДГА46 способствует улучшению электроаналитических характеристик модифицированных электродов и приводит повышению чувствительности сенсоров в 2 раза. Величины интенсивности пиков окисления/восстановления цитохрома с достигают максимального значения при концентрации МУНТ в дисперсии 1,5 мг/мл: интенсивность сигнала пика окисления возрастает в 1,5 раза, а интенсивность сигнала пика восстановления возрастает в 1,8 раз. Применение AgНЧ не только повышает чувствительность, но и в несколько раз увеличивает концентрацию электроактивного белка на поверхности электрода. Для наиболее перспективной модификации оценены аналитические параметры для количественного анализа цитохрома с в диапазоне концентраций 100 мкМ – 2 мМ. Для модификаций, содержащих тройной гибрид МУНТ/AgНЧ/ПС37-б-ПДГА46, обнаружено, что одновременное присутствие МУНТ и AgНЧ приводит к появлению на циклической вольтамперограмме дополнительных пиков большой интенсивности интерферирующих с пиками гема цитохрома с. Другие варианты модификаций электродов дисперсиями на основе ПДГАEoct и ПС100-б-ПАК230, а также двойными или тройными гибридами на их основе, содержащими наночастицы серебра, не позволил зарегистрировать характерные пики окисления и восстановления гема белка в области потенциалов -0,3 – +0,3 В. Установлено, что модификации электродов дисперсиями МУНТ в водных растворах катионных диблок-сополимеров: поли-н-бутилметакрилат-блок-полидиметиламиноэтил метакрилатов, ПнБМА40-б-ПДМАЭМА40, ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120 и ПнБМА70-б-ПДМАЭМА120, различающихся соотношением гидрофобного и ионогенного блоков и их длиной, обнаруживают исключительные электрохимические параметры окисления-восстановления ферро/феррицианида калия. Для всех вариантов модификаций обнаружено значительное увеличение откликов по токам, что указывает на улучшенные электрон-транспортные свойства и увеличение массопереноса. Кроме того, для всех вариантов наблюдается значительное увеличение электроактивной площади по сравнению с немодифицированным электродом. Наибольший 11-кратный эффект достигнут для модификации на основе ПнБМА70-б-ПДМАЭМА120. Еще больший 23-34-кратный эффект увеличения электроактивной площади электрода может быть достигнут при увеличении концентрации МУНТ в дисперсиях. Применение трех типов модификаций для прямого электрохимического анализа ДНК, а также оптимизация состава нанокомпозитных дисперсий по типу поликатионного диблок-сополимера и по содержанию МУНТ позволила для композиции МУНТ/ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120 повысить интенсивность максимальной амплитуды пика электроокисления гуанина в 6 раз, а интенсивность максимальной амплитуды пика электроокисления аденина в 3,5 раза. Сенсорные конструкции на основе МУНТ/ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120 были использованы для анализа ДНК в присутствии сыворотки крови. Обнаружено, что компоненты сыворотки при соответствующем разбавлении (1:9) не интерферировали в реакции электроокисления пуриновых гетероциклических оснований, что позволяет использовать модификацию для регистрации ДНК в биообъектах в диапазоне концентраций 50-1500 мкг/мл. Дальнейшая оптимизация по времени инкубации образцов ДНК на поверхности модифицированного электрода с 5 до 60 мин позволила повысить чувствительность анализа и сдвинуть диапазон регистрируемых концентраций ДНК для электроокисления гуанина до 5 мкг/мл, для электроокисления аденина до 1 мкг/мл. Сенсорные конструкции на основе МУНТ/ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120 были использованы для анализа лейкоцитарной ДНК человека. Продемонстрировано, что соотношение сигналов электроокисления гуанина и аденина (Г/А) является индивидуальной сигнатурой различных образцов лейкоцитарной ДНК, выделенной их крови человека. Такой подход может иметь аналитическое и биомедицинское приложение. Параллельно для анализа пуриновых нуклеотидов в составе ДНК разработана сенсорная конструкция, получаемая модификацией электродов дисперсией МУНТ в водном растворе амфифильного катионного диблок-сополимера поли-1,2-бутадиен-блок-полидиметиламиноэтилметакрилата, ПБ290-б-ПДМАЭМА240. Модификация МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240 была использована для исследования взаимодействия ДНК с рифампицином (РФ) и наноформой рифампицина (НРФ), полученной на основе фосфолипидной транспортной системы, для оценки эффективности данных лекарственных форм в отношении ДНК как мишени действия лекарственных препаратов. В частности, электроды, модифицированные стабильными дисперсиями МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240 были использованы для сравнительного анализа взаимодействия РФ и НРФ (РФ, включенного в состав фосфолипидных наночастиц) с ДНК. Отличительной особенностью данной модификации являлась «инертность» по отношению к РФ и НРФ, то есть отсутствие собственных сигналов электроокисления РФ или НРФ в рабочем диапазоне концентраций. Анализ снижения интенсивности сигналов электроокисления гуанина и аденина ДНК после преинкубации с РФ/НРФ, регистрируемых на электродах, модифицированных МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240, позволил классифицировать РФ как умеренно токсичный лекарственный препарат в концентрации до 400 мкМ, в то время как НРФ практически нетоксична при всех проанализированных концентрациях (25 - 600 мкМ). На основе экспериментально полученных параметров электроокисления пуриновых нуклеотидов в присутствии РФ или НРФ рассчитаны константы связывания Кв для комплексов ДНК/РФ и ДНК/НРФ индивидуально для гуанина и аденина. В отличие от спектральных методов исследования комплексообразования ДНК с лекарственными средствами, дающими только интегральный сигнал для пуриновых гетероциклических оснований, электроанализ ДНК позволяет зарегистрировать и выявить взаимодействия индивидуальных пуриновых гетероциклических оснований гуанина и аденина, что дает более полную информацию о природе и механизме биоаффинных взаимодействий. Так, полученные значения Кв для ДНК/РФ свидетельствуют о интеркаляционном типе взаимодействия в комплексе ДНК/РФ. Значения констант связывания ДНК с НРФ позволяют сделать предположение о смешанном интеркаляционно-электростатическом характере взаимодействия ДНК/НРФ. Кроме того, разработан «рифампицин-чувствительный» сенсор для количественного электрохимического анализа РФ с применением электродов с нанокомпозитным покрытием, получаемый их модификацией дисперсиями МУНТ в водном растворе полиионной жидкости поли-N-этилвинилимидазолий бромиде, (ПИЖ-Э). В аэробных условиях окисление РФ на электродах, модифицированных водной дисперсией МУНТ/ПИЖ-Э, происходит при потенциале +0,560 В (отн. Ag/AgCl) с дополнительной регистрацией «плеча» при потенциале +0,920 В; линейный диапазон определяемых концентраций РФ составил 35 мкМ – 700 мкM. Разработанный «рифампицин-чувствительный» сенсор может быть использован для количественного анализа РФ, в том числе в биологических образцах. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".