ИСТИНА

Проект посвящен решению актуальной научной проблемы создания фундаментальной базы новых перспективных технологий биомедицинской радиоэлектроники, обеспечивающих высокоэффективную диагностику и лекарственную терапию, способствующих переходу к высокотехнологичному здравоохранению, к технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов, и основанных на разработке новых биосовместимых средств и методов капсулирования, адресной доставки и управляемого высвобождения функциональных, биологически-активных и лекарственных препаратов в водных средах включая живые системы. Для решения этой проблемы в проекте планируется реализовать комплексный междисциплинарный подход, включающий химический синтез специальных гидрофобных электропроводящих наночастиц золота и создание новых наноструктурированных биомиметических липидных коллоидных везикул (нанокомпозитных липосом), мембраны которых функционализированы такими наночастицами, а также разработку физических радиоэлектронных методов изменения структурно-функциональных характеристик таких везикул в водных средах, основанных на ультракоротких электрических импульсах и обеспечивающих эффективное и безопасное дистанционное избирательное нетермическое управляющее воздействие, приводящее к эффектам электропорации и декапсуляции. В проекте планируется также разработка новых физических теоретических подходов к количественному описанию и моделированию структурно-функциональных характеристик нанокомпозитных везикул, а также к теоретическому описанию механизмов влияния на них внешних электромагнитных воздействий, используемых в данном проекте. Результаты планируемых исследований позволят расширить научные представления о структуре и механизмах физических и химических процессов на нано-уровне в организованных мембранных и нанокомпозитных системах, а также о механизмах влияния импульсных электромагнитных воздействий на модельные мембранные системы и на биологические клеточные структуры. Эти результаты послужат развитию химических и физико-химических методов создания новых функциональных наносистем и наноматериалов включая биоподобные и биосовместимые системы, развитию биофизики мембранных и бионеорганических систем, разработке новых эффективных теоретических и методических подходов к решению актуальных проблем биомедицинской радиоэлектроники.

The project is dedicated to solving the actual scientific problem of creating a fundamental base for new advanced technologies of biomedical radioelectronics that provide highly effective diagnostics and drug therapy that facilitate the transition to high-tech health care, to health saving technologies, including rational use of drugs, and are based on the development of new biocompatible means and methods of encapsulation, targeted delivery and controlled release of functional, biologically active compounds and medicinal drugs in aqueous media including living systems. To solve this problem, the project intends to implement a complex interdisciplinary approach, including the chemical synthesis of special hydrophobic electrically conductive gold nanoparticles and the creation of new nanostructured biomimetic lipid colloidal vesicles (nanocomposite liposomes) whose membranes are functionalized by such nanoparticles, and the development of physical radioelectronic methods for changing structural and functional characteristics of such vesicles in aqueous media based on ultrashort electric pulses and providing an effective and safe remote selective non-thermal control effect, leading to effects of electroporation and decapsulation. The project also plans the development of new physical theoretical approaches to the quantitative description and modeling of the structural and functional characteristics of nanocomposite vesicles, as well as to a theoretical description of the mechanisms of influence on them of external electromagnetic effects used in this project. The results of the planned studies will allow one to expand the scientific understanding of the structure and mechanisms of physical and chemical processes at the nano level in organized membrane and nanocomposite systems, as well as elucidate the mechanisms of the pulsed electromagnetic field effects on model membrane systems and on biological cellular structures. These results will promote the development of chemical and physico-chemical methods for the creation of new functional nanosystems and nanomaterials including biomimetic and biocompatible systems, the development of biophysics of membrane and bioinorganic systems, and the development of new effective theoretical and methodical approaches to solving actual problems in biomedical radioelectronics.

1. Будут отработаны методы синтеза и получены в необходимых количествах электропроводящие наночастицы золота со средним диаметром менее 10 нм. Будут получены результаты анализа эффективности различных методов гидрофобизации золотых наночастиц, разработаны новые методы синтеза и получения гидрофобизованных наночастиц золота в виде стабильного золя в неполярном растворителе (хлороформе). Будут получены наночастицы золота диаметром менее 10 нм, покрытые слоем молекул гидрофобного лиганда (стеариновая кислота, октадецилтиол), обеспечивающего возможности локализации таких наночастиц в гидрофобной внутримембранной области бислойных липидных мембран. Гидрофобизованные наночастицы золота будут получены в количествах, достаточных для выполнения экспериментальных работ в рамках проекта. 2. Будут отработаны методы включения гидрофобизованных наночастиц золота в структуру модельных биомиметических липидных мембранных систем (ленгмюровские монослои и пленки Ленгмюра-Блоджетт). Будут получены результаты исследования структурных и термодинамических характеристик нанокомпозитных липидных планарных систем и данные о пространственном распределении гидрофобизованных наночастиц золота в гидрофобном планарном липидном матриксе. 3. Будут отработаны экспериментальные методики включения гидрофобизованных наночастиц золота в структуру липидных мембран и впервые получены новые уникальные нанокомпозитные липосомы диаметром 50-300 нм с гидрофобизованными наночастицами золота, локализованными во внутренней гидрофобной области липидной везикулярной мембраны. Будут получены результаты исследования физико-химических свойств и характеристик новых нанокомпозитных везикул. Будут получены данные о влиянии, которое оказывает включение гидрофобизованных наночастиц магнетита в структуру липидных мембран, на структурно-функциональные характеристики липидного матрикса полученных нанокомпозитных везикул, будет получена информация о распределении наночастиц золота в липидном матриксе мембраны, о коллоидной стабильности получаемых нанокомпозитных липосом. 4. Будут получены результаты исследования возможностей использования новых нанокомпозитных везикул для целей капсулирования различных соединений. Будут отработаны методики капсулирования и включения во внутрилипосомальное пространство модельных соединений (раствор электролита NaCl, молекулы красителя карбоксифлуоресцеина). Будут получены данные о стабильности коллоидных нанокомпозитных везикул, содержащих капсулированные соединения, в водной фазе различного состава, в том числе в физиологическом растворе (0,9% NaCl). На основе полученных результатов будет проведена оптимизация состава, свойств и функциональных характеристик нанокомпозитных везикул с целью обеспечения возможностей их использования для эффективного капсулирования различных веществ в водной фазе. 5. Будут получены результаты экспериментального исследования эффектов нетеплового импульсного электрического воздействия на водные системы различного состава, содержащие разработанные нами нанокомпозитные везикулы с капсулированным модельным соединением (раствор электролита NaCl, молекулы красителя карбоксифлуоресцеина) Ожидается реализация эффекта управляемой избирательной декапсуляции нанокомпозитных везикул с помощью импульсного электрического нетеплового воздействия в различных водных средах, в том числе соответствующих по составу электролита и свойствам реальным биологическим жидкостям ( в физиологическом растворе 0,9% NaCl). 6. Будут получены результаты экспериментального исследования эффектов нетеплового импульсного электрического воздействия на водные системы различного состава, содержащие живые клетки в присутствии или в отсутствие в водной среде нанокомпозитных везикул. 7. Будут получены результаты теоретического описания и количественного моделирования эффектов воздействия ультракоротких электрических импульсов на водные суспензии липосом и нанокомпозитных липидных везикул, различающиеся концентрацией раствора электролита (соли NaCl) во внутрилипосомальном объеме и в наружной водной фазе суспензии. Будет количественно определена устойчивость к разрушению нанокомпозитных липосом и найдены критические значения параметров импульсов внешнего электрического поля, приводящих к разрушению нанокомпозитной липосомальной мембраны различного состава и строения в различных водных средах. Будут найдены зависимости пороговых значений параметров внешнего электрического импульсного воздействия, приводящего к декапсуляции нанокомпозитных везикул, от структурных параметров электропроводящих наночастиц, состава липосомальной мембраны, свойств водной фазы и физических размеров нанокомпозитных везикул. Также будут определены критерии, позволяющие прогнозировать и выбирать оптимальный состав нанокомпозитных везикул, а также оптимальный размер и форму электропроводящих наночастиц, иммобилизованных в мембранах таких везикул с целью обеспечения минимальных значений критического электрического поля, приводящего к избирательной декапсуляции таких везикул. 8. Будут получены результаты исследования цитотоксичности разработанных и синтезированных в ходе выполнения проекта нанокомпозитных липосомальных везикул. На основании этих результатов будет оптимизирован состав и структура создаваемых нанокомпозитных везикул с целью минимизации их цитотоксичности. 9. Будут получены результаты исследования структурно-функциональных характеристик соединений, наночастиц золота и новых нанокомпозитных везикул, получаемых и изучаемых в ходе выполнения экспериментальных работ по проекту, с использованием комплекса современных физических методов структурно-функциональной диагностики включая методы динамического светорассеяния, ИК-спектроскопии, электрофореза, электронного магнитного резонанса, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, флуориметрии, сканирующей зондовой микроскопии, оптической и люминесцентной микроскопии. 10. Основным и главным ожидаемым результатом выполнения проекта является создание создание новых уникальных биосовместимых средств капсулирования биологически активных и лекарственных препаратов на основе биомиметических нанокомпозитных липидных везикул, и разработка оригинальных высокоэффективных радиоэлектронных методов изменения структурно-функциональных характеристик этих средств капсулирования в водных средах, обеспечивающих дистанционное избирательное безопасное нетермическое управляющее импульсное электрическое воздействие, приводящее к эффектам избирательной декапсуляции и локального адресного управляемого высвобождения капсулированных биологически активных и лекарственных препаратов в водных средах включая живые системы.

Участниками проекта успешно освоены методы химического синтеза различных неорганических наночастиц и наноструктур, нанопленочных нанокомпозитных планарных материалов и мембранных липидных везикул, а также разработан ряд собственных оригинальных синтетических методов получения высокоорганизованных неорганических, органических, гибридных органико-неорганических, био-неорганических, био-полимерных, композитных наноструктур различной размерности и тонкопленочных наноструктурированных материалов. Также, участники проекта обладают существенным научным заделом в области создания средств генерации электрических полей и изучения их взаимодействия с различными материалами и системами, в том числе биологической природы. Разрабатываемые нами биомиметические синтетические стратегии с позволили ранее успешно создать ряд функциональных наносистем с уникальными и рекордными структурно-функциональными характеристиками, в которых реализуются нетривиальные физические эффекты и процессы. В последние годы нами разработаны новые нанокомпозитные липосомы, содержащие электропроводящие наночастицы (золото) и наночастицы магнетита, которые могут служить средствами капсулирования для различных соединений. С использованием таких везикул впервые установлен эффект избирательной электродекапсуляции, при котором в результате дистанционного нетермического воздействия сверхкоротких электрических импульсов на водные суспензии таких нанокомпозитных везикул происходят существенные изменения структуры нанокомпозитных мембран, приводящие к эффективной избирательной необратимой электропорации мембран и выходу веществ, капсулированных внутри везикул, во внешнюю водную среду. Этот эффект может использоваться для разработки эффективных физических нетермических дистанционных управляющих воздействий на средства капсулирования и будет использоваться в работах по проекту.