Отдел биоматериалов и бионанотехнологий

Основными направлениями научной деятельности Отдела является разработка и создание микро- и наноразмерных диагностических и терапевтических инструментов на основе полимерных, биологических или неорганических носителей, полупроводниковых или металлических наночастиц, полимерных или неорганических капсул; создание биоматериалов с заданной на наноструктурой; разработка модельных объектов (3D опухолевых моделей). Разработка макроинструментов, позволяющих регистрировать информацию от создаваемых микро- и нано-инструментов, а именно, создание приборов с высоким пространственным разрешением для нужд бионанотехнологии. Выполняемые исследования содержат как фундаментальную, так и прикладную составляющие. Использование уникальных микроскопических и микроспектроскопических методов позволяет получать новые знания о процессах проникновения, транспорта и накопления биологически активных агентов в тканях и клетках, что дает возможность направленно конструировать и создавать новые биоматериалы, диагностические и терапевтические инструменты медицинского назначения. В отделе реализуются темы ГЗ №№ 0101-2019- 0012 и 0101-2019-0038.

Все публикации (показать избранные)

Олейников Владимир Александрович

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. БОН, комн. 325
  • Тел.: +7(495)995-55-57#3862
  • Эл. почта: voleinik@mail.ru

На пути к получению экологически чистых фотодеструкторов органических загрязнителей на основе гуминовых веществ

Группа молекулярной экологии

Природные коллоидные наночастицы - гуминовые кислоты чернозема (ГК) были фракционированы с помощью (1) препаративной эксклюзивной хроматографии низкого давления или (2) многократной ультрафильтрацией на фракции с номинальными молекулярными размерами >100 кДа, 30-100 кДа, 5-30 кДа и <5кДа и протестированы на способность разрушать модельные ароматические соединения   2,4,6-триметилфенол и фурфурол при освещении полихроматическим светом в диапазоне 300-450 нм. 

Впервые было обнаружено, что фракции ГК чернозема с МР менее 5 кДа обладают максимальной способностью разлагать выше названные субстраты, в то время как фракции с МР более 30 кДа этой функцией практически не обладают.

Полученные данные являются фундаментальным научным базисом для промышленного получения экологически чистых препаратов с функцией эффективной фотодеструкции органических поллютантов.

Публикации

  1. Trubetskoi OA, Patsaeva SV, Trubetskaya OE (2019). Photochemical Degradation of Organic Pollutants in Solutions of Soil Humic Acids. EURASIAN SOIL SCI+ 52 (9), 1075–1080

Анизотропные гидрогели с системой ориентированных каналов для направленного роста клеток животных

Лаборатория полимеров для биологии

Актуальной задачей тканевой инженерии является поиск материалов, которые могут быть использованы в качестве альтернативы аллотрансплантатам. Была разработана методика получения гидрогелей с биомиметической структурой, имитирующей периневрий/эпиневрий периферического нерва. Анизотропные гидрогели образуются в результате фазового разделения композиций хитозан-ПВС в присутствии осадителя, сопровождающегося формиро-ванием параллельно ориентированных каналов. Полученные гидрогели характеризуются низким уровнем цитотоксичности и обеспечивают направленный рост клеток животных (глиомы C6).

Методика определения 3-D распределений магнитных нанообъектов в матрице. Определение «анатомии» микрочастиц для мультиплексной диагностики

Лаборатория молекулярной биофизики

Разработана методика определения 3-D распределений магнитных нанообъектов в матрице на основе использования потенциала разработанной ранее в ИБХ РАН уникальной научной установки

Возможности метода продемонстрированы на примере определения 3-D распределения магнитных наночастиц в полимерных микрочастицах (фирма Luminex) для мультиплексной диагностики, включая метаболические заболевания, иммунологию, нейродегенеративные заболевания, токсичность, рак и другие, с использованием минимальных объемов образца.

Керасомы для доставки доксорубицина

Лаборатория биомедицинских материалов

Практически все противораковые лекарства плохо растворимы в воде и обладают низкой селективностью, что приводит к побочным эффектам. Проблему можно решить, загрузив лекарства в наноносители.   Однако, все представленные в настоящее время  на фармацевтическом рынке  лекарства на основе  наноносителей (липосом) не обладают достаточной стабильностью для обеспечения  длительного их циркулирование  в кровотоке. В Лаборатории биомедицинских материалов (рук. Марквичева Е.А.) совместно с коллегами из Московского технологического университета (кампус МИТХТ)  разработали и протестирjвали  в 3D in vitro модели липосомы нового типа – керасомы. Последние представляют собой модифицированные катионные липосомы, покрытые кремний-органической оболочкой, что позволяет обеспечить пролонгированное высвобождение противораковых лекарств, в частности доксорубицина. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Science & Engineering C (IF 5.08).

Публикации

  1. Gileva A, Sarychev G, Kondrya U, Mironova M, Sapach A, Selina O, Budanova U, Burov S, Sebyakin Y, Markvicheva E (2019). Lipoamino acid-based cerasomes for doxorubicin delivery: Preparation and in vitro evaluation. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 100, 724–734

Геномное исследование S. aureus, ассоциированного с маститом коров.

Лаборатория иммунохимии

С помощью метода WGS проведён анализ токсикогенного потенциала S. aureus, ассоциированного с маститом КРС (коров). Проведено полногеномное секвенирование 50 штаммов из различных регионов РФ. Для исследованных образцов составлена карта генома, проведена аннотация с использованием различных ресурсов биоинформатики, геномы зарегистированы в базе данных GenBank.

Исследованные штаммы обладают широким арсеналом факторов вирулентности. Все изоляты несли гены гемолизинов; гены лейкоцидинов встречались в 80%. Также у всех изолятов идентифицированы гены адгезинов и гены, ответственные за формирование биоплёнок. Гены энтеротоксинов идентифицированы у 38% изолятов и представлены  генным кластером egc (seg и sei). Также  у всех изолятов идентифицированы гены эксфолиативных токсинов, хотя их функция при мастите пока не ясна. Частично исследована проблема антибиотикоустойчивости, большинство изолятов относятся к группе MSSA/ MDR S. aureus. Исследование поддержано РНФ 15-16-00020.

Исследование роли белка YB-1 в реакциях врождённого иммунитета.

Лаборатория иммунохимии

В рамках выполнения темы № 59.8. « Исследование роли белка YB-1 в реакциях врождённого иммунитета.» были получены следующие результаты:

Мы подтвердили, что производное бактериальной клеточной стенки GMDP потенцирует ответ В-клеток на антиген Y. pestis V; мы также сообщаем, что основная связывающая мишень для GMDP, белка-хозяина YB-1 сама обладает адъювантными свойствами in vivo и что комбинация YB-1 и GMDP синергически увеличивает количество B-клеток и сродство к V-антигену.

YB-1 смог повысить выживаемость у мышей, получавших инъекцию смертельной дозы E. coli в модели острого бактериального сепсиса и введение рекомбинантного белка для мышей за 12 ч до летального заражения с E. coli, что привело к 50% долгосрочной выживаемости. Данные, полученные нами в модели in vitro и in vivo, позволяют предложить схему биохимических путей реализации сигналинга ГМДП в клетках животных и ключевую роль белка YB-1.

Идентификация флуорофоров в наночастицах растворенного органического вещества из реки Сувани (США)

Группа молекулярной экологии

Одним из основных свойств водного растворенного органического вещества (РОВ), является флуоресценция, широко используемая для быстрого и точного анализа органических загрязнителей. Природа флуоресценции РОВ до сих пор не ясна и механизмы, вызывающие ее появление, основаны на теоретических предположениях или единичных экспериментах. С помощью эксклюзивной ВЭЖХ в сочетании с мультиволновыми детекторами поглощения и флуоресценции было изучено происхождение флуоресценции РОВ из реки Сувани (США) и его фракций, полученных с помощью сочетания электрофореза полиакриламидном геле и эксклюзивной хроматографии низкого давления. Последовательное фракционирование РОВ позволило впервые обнаружить, по меньшей мере, пять индивидуальных гумино-подобных флуорофоров, образующих суммарный широкий спектр флуоресценции РОВ. Достоверное снижение максимумов испускания флуорофоров с 465 до 405 нм соответствовало уменьшению их молекулярных размеров. Работа представляет новые данные в пользу строения наночастиц РОВ в виде супрамолекулярных комплексов.

Новый способ одностадийного выделения ДНК из образцов почвы для ПЦР-диагностики фитопатогенов.

Лаборатория полимеров для биологии

Разработан новый биосепарирующий элемент (БЭ), содержащий полианилин-модифицированный кремнезем и полиальгинатные микросферы, обеспечивающий одностадийное выделение ДНК из почвенных экстрактов с одновременной очисткой ДНК от фракций гуминовых кислот, для ПЦР диагностики фитопатогенов. Все сорбционно-активные компоненты БЭ изготавливаются в лаборатории по оригинальным методикам.

Соответствующая публикация подготовлена и запланирована на I квартал 2019 г. в Colloids and Surfaces B: Biointerfaces (IF 3.997, Q1).

Авторы: Простякова А.И., Зыбин Д.И., Капустин Д.В.

Высокоэффективные био-фотоэлектроды для количественной оценки и измерения фототока, создаваемого единичной молекулой фотореакционного центра

Лаборатория молекулярной биофизики

Предложен новый подход к изготовлению высокоэффективных биофотоэлектродов состоящих из белков фотосинтетического реакционного центра (RC), иммобилизованных на проводящей поверхности. Основой разработки стали новые данные, полученные в результате вольтамперометрических измерений на проводящей границе между единичным фотосинтетическим RC и золотым электродом. Это позволило использовать не только количественную оценку эффективности метода иммобилизации RC, но и измерения тока единичного RC. Показано, что использование ковалентной связи S-Au для иммобилизации RC на поверхности электрода позволяет существенно (на порядок) повысить эффективность системы, что перспективно в плане создания биогибридных фоточувствительных устройств. 

Супрамеры на основе амфифильных молекул липид-олигопептид-биотин

Лаборатория моделирования биомолекулярных систем,  Лаборатория углеводов,  Лаборатория молекулярной биофизики

Обнаружено, что соединения на основе олигопептидов с концевыми липидным и биотиновым фрагментами, в водной среде способны образовывать мицеллоподобные однородные по размерам и внутренней структуре супрамеры (глобулы). Методами оптической спектроскопии, атомно-силовой и электронной микроскопии, а также малоуглового рентгеновского рассеяния и компьютерного моделирования показано, что глобулы весьма однородны по размерам (около 14, 6 нм). Показано, что ядро глобул содержит липидные и, частично, биотиновые фрагменты, а определенным образом свернутые олигопептиды, образуют оболочку. Часть (до 10%) биотиновых фрагментов экспонирована наружу, и может быть использована для селективного присоединения заданных молекул. Мицеллоподобные супрамеры, содержащие естественные для живого организма соединения, могут стать основой новых типов транспортеров для адресной доставки лекарств.

Исследование изолятов Staphylococcus aureus, полученных из молока КРС с субклинической формой мастита.

Лаборатория иммунохимии

Исследована связь субклинической формы мастита коров со свойствами токсикогенных стафилококков. Впервые показано, что патогенные штаммы стафилококка золотистого содержат набор экзотоксинов. Представленность токсинов у животных составляла: альфа-токсин (hlA) - 70%;  лейкосидин (lucS) - 46.6%;  альфа пептид (psmA) - 81.6%;  бета пептид (psmB) -  95%; дельта токсин (hld) - 78.3% штаммов. Пептидный токсин psmB обнаруживался почти у всех штаммов, также, часто встречается hld и psmA. 88% штаммов выделенных от больных животных содержали гены энтеротоксинов sea - 53.3%, seb - 3.3%, sec - 50%, sed - 4%, see - 46.6%, seg - 70%, sei - 10%, selp - 3.3% и tsst1 -1.6%. Уровень продукции токсинов был низкий и не превышал 18 нг/мл. Обнаружены штаммы, продуцирующие одновременно по два и по три энтеротоксина, что повышает их патогенность.

Проведено полногеномное секвенирование и анонсирование геномов пяти штаммов стафилококка золотистого. Анализ геномов подтвердил наличие и локализацию генов токсинов.

Публикации

  1. Fursova KK, Shchannikova MP, Loskutova IV, Shepelyakovskaya AO, Laman AG, Boutanaev AM, Sokolov SL, Artemeva OA, Nikanova DA, Zinovieva NA, Brovko FA (2018). Exotoxin diversity of Staphylococcus aureus isolated from milk of cows with subclinical mastitis in Central Russia. J Dairy Sci 101 (5), 4325–4331
  2. Rudenko NV, Karatovskaya AP, Noskov AN, Shepelyakovskaya AO, Shchannikova MP, Loskutova IV, Artyemieva OA, Nikanova DA, Gladyr EA, Brovko FA (2018). Immunochemical assay with monoclonal antibodies for detection of staphylococcal enterotoxin H. J Food Drug Anal 26 (2), 741–750
  3. Fursova KK, Artemeva OA, Nikanova DA, Larin AK, Zinovieva NA, Brovko FA (2018). Draft genome sequences of five Staphylococcus aureus strains isolated from clinically healthy cows in the Russian Federation. Genome Announc 6 (16),
  4. Artykov AA, Fursova KK, Ryazantsev DY, Shchannikova MP, Loskutova IV, Shepelyakovskaya AO, Laman AG, Zavriev SK, Brovko FA (2017). Detection of staphylococcal enterotoxin a by phage display mediated immuno-PCR method. Russ. J. Bioorganic Chem. 43 (5), 540–543
  5. Артыков ФФ, Фурсова КК, Рязанцев ДЮ, Щанникова МП, Лоскутова ИВ, Шепеляковская АО, Ламан АГ, Завриев СК, Бровко ФА (2017). Детекция стафилоккокового энтеротоксина А методом фаговой иммуно-ПЦР. 43, 518–522
  6. Fursova KK, Shchannikova MP, Shepelyakovskaya AO, Pavlik LL, Brovko FA (2016). Staphylococcal enterotoxin a detection with phage displayed antibodies. Russ. J. Bioorganic Chem. 42 (3), 294–299

Уникальная научная установка «Система зондово-оптической 3D корреляционной микроскопии»

Лаборатория молекулярной биофизики

Разработана, сконструирована, изготовлена и включена в государственный реестр уникальных научных экспериментальных установок  «Система зондово-оптической 3D корреляционной микроскопии».

Новый прибор предназначен для получения трехмерных изображений биологических и других объектов, реконструкции 3- D распределения различных физико-химических параметров по объему объекта, включая определение химического состава в локальных областях объекта с разрешением, соответствующем нанометровому диапазону.  

Доступны все методы сканирующей зондовой микроскопи (контактный, полуконтактный, динамическая контактная (taping mode), атомно-,, магнитно-, электро-силовая микроскопия, Кельвин (Kelvin-mode) и сканирующая микроскопия распределения токов. Имеется также возможность использования конфокальной флуоресцентной спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния, включая (SERS и TERS) и сканирующая микроскопия ближнего поля (SNOM). Разрешение ультрамикротомографии – 20 нм. Инструмент включает программное обеспечение для реконструкции трехмерной реконструкции морфологической / оптической структуры образцов.

На рисунке показан внешний вид уникальной установки, схема действия и пример применения. В качестве домонстрации возможностей применения и получения 3-D информации об микрообъектах, определена «архитектура» магнитно-флуоресцентных микросфер для клинической диагностики и систем доставки лекарств, определенная с использование ультрамикротомографии, флуоресцентной микроспектроскопии и магнитно-силовой микроскопии.

Композиционный материал для рентгеноконтрастной визуализации нерентгеноконтрастных имплантатов.

Лаборатория полимеров для биологии

Разработаны биосовместимые биоразлагаемые полимерные покрытия на основе полимолочной кислоты с включенным гликоланом (или лантаном) для использования в составе полимерных биодеградируемых сосудистых стентов (и других полимерных имплантатов), что обеспечивает за счет условий включения удовлетворительную рентгеноконтрастность не только во время процедуры установки стента пациенту, но и после установки, и одновременно обеспечивает дополнительный положительный эффект за счет терапевтических свойств гликолана. Гликолан– комплексное соединение азотнокислого лантана и триэтиленгликоля – La (NO3) 3 • C6H14O4 • mH2O, обладет антимикробным действием.

 

  • Генералова А.Н., Простякова А.И., Пашкин И.И., Зубов В.П., Капустин Д.В. Композиционный материал для рентгеноконтрастной визуализации нерентгеноконтрастных имплантатов. Патент РФ № 2599510 (15.09.2016).

Трехмерные спектры флуоресценции как тест-система для оценки эффективности препаративного фракционирования гуминовых веществ различного генезиса

Группа молекулярной экологии

В последние годы для изучения сложных гетерогенных смесей, в том числе и природных гуминовых веществ, широкое применение получила трехмерная флуоресцентная спектроскопия, основанная на компьютерном анализе данных, полученных после снятия нескольких десятков спектров испускания одного и того же образца при различных длинах волн возбуждения заданного диапазона. Совокупность данных позволяет получать трехмерные флуоресцентные диаграммы с идентификацией всех возможных максимумов флуоресценции и их интенсивностей. Данный метод был освоен и впервые в России использован в качестве тест-системы для оценки эффективности фракционирования гуминовых веществ различного происхождения с целью выделения и идентификации индивидуальных флуорофоров и фотохимически активных компонентов. На рисунке представлены трехмерные флуоресцентные диаграммы исходного препарата растворенного органического вещества из реки Сувани и его фракций, полученных с помощью препаративной эксклюзивной хроматографии. Трехмерная флуоресцентная диаграмма позволяет не только оценить эффективность фракционирования, но и служит прямым подтверждением супрамолекулярной организации природных гуминовых веществ. Публикации: Trubetskoi O.A., Trubetskaya O.E. Three-dimensional fluorescence analysis of chernozem humic acids and their electrophoretic fractions. Eurasian Soil Science (2017) 50:1018-1024. (Перевод: Почвоведение 2017, № 9, с.1057-1064). DOI:10.7868/S0032180X17090088Трубецкой О.А., Трубецкая О.Е. Идентификация флуорофоров органического вещества природной воды. Водные ресурсы (2017) Принята к опубликованию.

Гибридный наноматериал с эффектом памяти: серебряная наночастица – бактериородопсин (AgНЧ/БР)

Лаборатория молекулярной биофизики

Обнаружен эффект полного подавления фотоцикла бактериородопсина (БР) и "замораживание" состояния ретиналя в результате сильного воздействии серебряных наночастиц на БР. Показано, что при инкубации фрагментов пурпурных мембран с серебряными наночастицами, формируются локальные области усиления эффекта гигантского комбинационного рассеяния (ГКР-активные области), в которых хромофор бактериородопсина ретиналь, фиксируется в той форме, в которой он находился в момент инкубации (в светоадаптированной - all-trans или в темноадаптированной – 13-cis, C=N-cis). Обнаруженный эффект может стать основой создания элементов памяти на единичных молекулах.

Полиакролеиновые частицы содержащие апконвертирующие наночастицы для биоанализа.

Лаборатория полимеров для биологии

Разработан новый способ модификации поверхности апконвертирующих наночастиц (НАФ) на основе неорганической матрицы NaYF4, допированной ионами Yb3 + и Er 3 +, путем введения НАФ в процессе двухстадийной полимеризации акролеина в щелочных условиях. Использование гидроксида тетраметиламмония как в качестве инициатора полимеризации акролеина, так и агента для гидрофилизации НАФ позволило увеличить выход полиакролеина до 90% и получить НАФ-содержащие полиакролеиновые частицы, пригодные для биоанализа. Полученные частицы с контролируемым в процессе синтеза диаметром были коллоидно стабильны в водных растворах и физиологических буферах, сохраняли отличные фотолюминесцентные свойства, химическую стойкость. Продемонстрирована возможность использования фотолюминесцентных полимерных частиц с диаметром 260 нм для оптической визуализации биораспределения in vivo с помощью эпилюминесцентной системы визуализации, разработанной в ИПЛИТ РАН.

Работа проводится совместно с лаб. молекулярной иммунологии ИБХ, ИПЛИТ РАН, МИТХТ им. М.В. Ломоносова, ГУ РОНЦ им. Н.Н. Блохина, МГМУ им. И.М.Сеченова, Macquarie University (Australia.)

Публикации

  1. Generalova AN, Kochneva IK, Khaydukov EV, Semchishen VA, Guller AE, Nechaev AV, Shekhter AB, Zubov VP, Zvyagin AV, Deyev SM (2015). Submicron polyacrolein particles in situ embedded with upconversion nanoparticles for bioassay. Nanoscale 7 (5), 1709–1717
  2. Guller AE, Generalova AN, Petersen EV, Nechaev AV, Trusova IA, Landyshev NN, Nadort A, Grebenik EA, Deyev SM, Shekhter AB, Zvyagin AV (2015). Cytotoxicity and non-specific cellular uptake of bare and surface-modified upconversion nanoparticles in human skin cells. Nano Res 8 (5), 1546–1562

Многоканальный наконечник для экстракции нуклеиновых кислот, белков и пептидов.

Лаборатория полимеров для биологии

Скибина Ю.С., Белоглазов В.И., Тучин В.В., Капустин Д.В., Простякова А.И. «Многоканальный наконечник для экстракции нуклеиновых кислот, белков и пептидов» Патент РФ № 2547597 от 12.03.2015. Получен совместно с ООО «НПП Наноструктурная Технология стекла», г. Саратов, Россия.

Разработан способ модифицирования внутренней поверхности стеклянных мультикапилляров (МК) нанослоями полианилина и способ использования изготовленных на основе МК наконечников для механических дозаторов в процедуре выделения ДНК из крови для последующего ПЦР-анализа. По заключению специалистов ФКУЗ Российского научно-исследовательского противочумного института «Микроб», разработанные системы оказались эффективными в процедуре пробоподготовки при выделении ДНК для определения штаммов Vibrio cholerae и Yersinia pseudotuberculosis в образцах крови.

Композиционный материал для рентгеноконтрастной визуализации нерентгеноконтрастных имплантатов.

Лаборатория полимеров для биологии

В рамках выполнения 2-го этапа НИОКР по Договору между ИБХ РАН и ООО «БИОСТЭН» № 01/08/2014 от 28.08.2014 г. [во исполнение Соглашения с фондом «СКОЛКОВО» о предоставлении  гранта  № 18 от 28 июня 2011 года, заключенного в рамках реализации Инновационного проекта «Разработка универсальных эндоваскулярных имплантантов (стентов) со свойствами биодеградации»] разработано новое биосовместимое биоразлагаемое полимерное покрытие с включенным гликоланом  на поверхности полимерных биодеградируемых сосудистых стентов, а также способы введения гликолана в объем материала стентов, что обеспечивает за счет условий включения гликолана удовлетворительную рентгеноконтрастность не только во время процедуры установки стента пациенту, но и после установки, и одновременно обеспечивает дополнительный положительный эффект за счет терапевтических свойств гликолана.

Эффект аномально высокой оптической активности растворов коллоидных плазмонных или флуоресцентны наночастиц в слабом магнитном поле

Лаборатория молекулярной биофизики

Обнаружен новый эффекте аномально высокой оптической активности – магнитного кругового дихроизма (МКД) растворах коллоидных наночастиц: плазмонных металлических (золото или серебро) и флуоресцентных полупроводниковых (квантовые точки CdSe/ZnS или CdTe) в слабом магнитном поле (до 0,5 Тл). Обнаруженный эффект важен и интересен как с точки зрения понимания механизмов магнитооптических процессов в наноструктурах, так и с точки зрения возможных приложений обнаруженного эффекта. В частности, особенностью эффекта является чувствительность параметров МКД к изменению поверхностных свойств наночастиц и, следовательно, возможность его использования в создании сенсоров, способных работать в мутных средах, что имеет принципиальное значение для использования таких систем в медицине.