Лаборатория полимеров для биологии

Отдел биоматериалов и бионанотехнологий

Руководитель: Зубов Виталий Павлович, д. х. н., профессор
zubov@ibch.ru+7(495)335-10-11

полимерсодержащие нанокомпозиты, сорбенты, биосепарация, биокатализаторы, полимерные дисперсии, флуоресцентные полимерные частицы, полупроводниковые нанокристалы, реакция латексной агглюцинатции, микрокапсулирование животных клеток, биодеградируемые полимерные системы для контролируемой доставки лекарств, инкапсулированные ДНК-вакцины, инкапсулирование пептидов, биоматериалы для клеточной и тканевой инженерии

В Лаборатории создаются композиционные сорбенты для биосепарации, модельные мембраны на основе монослоев и липосом, дисперсные иммунодиагностикумы, системы для микрокапсулирования ферментов и клеток и системы для гибридизационного анализа.

Группа под руководством Дмитрия Валерьевича Капустина занимается разработкой методов прямого синтеза нанокомпозитов с усовершенствованной морфологией, обеспечивающих локализацию процесса полимеризации в поверхностных слоях носителей и введение дополнительных функциональных групп (в том числе, биолигандов) в получаемые материалы. На основе таких нанокомпозитов (в зависимости от природы полимерного модификатора) может быть получен ряд эффективных материалов для биоаналитических целей.

Запатентованы многоцелевые сорбенты (на основе дисперсных носителей, а также капилляров, мембран, монолитов, кремниевых чипов и т. д.), для одностадийного выделения и очистки биополимеров (нуклеиновых кислот, белков и пептидов) (рис. 1). Сорбенты используются при разработке наборов и протоколов для эффективной диагностики патогенов человека, в частности, методом ПЦР, а также в качестве носителей для проведения масс-спектрометрии (патент Patent WO 2011004308 (A1)). В частности, Группа работает над созданием:

  • гетерогенных биокатализаторов на основе композиционных матриц, модифицированных smart-полимерами  с иммобилизованными биолигандами (ферментами), эффективных в водных и органических средах.
  • методов прямого синтеза нанокомпозитов с усовершенствованной морфологией (рис. 1), обеспечивающих локализацию процесса полимеризации в поверхностных слоях носителей и введение дополнительных функциональных групп (в том числе, биолигандов) в получаемые материалы.
  • изучением механизмов сорбции биополимеров на поверхности разработанных материалов. В частности, показано, что хроматографическое поведение разработанных композитов определяется не морфологией поверхностного слоя, а химическим строением полимерного модификатора.
Risunok1.jpg

Рис. 1. Схема одностадийного выделение ДНК из лизатов и примеры разработанных «биосепарационных элементов».

Исследования группы Анны Николаевной Генераловой направлены на разработку методов получения полимерных микросфер для решения различных биоаналитических задач. В частности, за последнее время А.Н. Генераловой с коллегами были разработаны:

  • методы синтеза окрашенных и флуоресцентных полиакролеиновых и сополимерных микросфер для получения новых биоаналитических реагентов для высокочувствительного экспресс-анализа белков, гаптенов и нуклеиновых кислот.
  • композитные сополимерные микросферы, содержащие флуоресцентные CdSe/ZnS нанокристаллы в непосредственной близости к поверхности, что позволяет регистрировать изменения флуоресценции при незначительном изменении условий окружения, таких как рН, ионная сила, температура и т.д. и использовать их в качестве оптических сенсоров (рис. 2).
  • методы получения биосовместимых полимерно-капсулированных реагентов на основе наночастиц с антистоксовой фотолюминесценцией для тераностики (работа проводится совместно с Лабораторией молекулярной иммунологии ИБХ РАН, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН) (рис. 3).

Отдельное направление исследований включает работу в рамках реализации проекта Сколково «Разработка универсальных эндоваскулярных имплантатов со свойствами биодеградации», проводимую совместно с компанией-резидентом Фонда Сколково  ООО «Биостэн»  и НИОКР «Разработка и внедрение технологии для производства полного цикла текстильных сосудистых эндопротезов», проводимую совместно с компанией-резидентом Фонда Сколокво АО «Медтехнопроект».

ris6.jpg

Рис. 2. Включение флуоресцентных CdSe/ZnS нанокристаллов в полимерные микросферы и их применение в биоанализе.

 

Alla.jpg

Рис. 3. Методы модификации НАФ и анализа на их основе.

Лаборатория сотрудничает с лабораториями Института, а также с Центральной клинической больницей, Кентским университетом (Великобритания),  консорциумом «Агробиоген» (Германия), Клиникой «Шарите» (Германия) и др.

Лаборатория «Полимеры для биологии» была создана в 1979 году. Решение о ее создании было принято после нескольких встреч В. П. Зубова (в то время зав. лабораторией кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ) и академика Ю. А. Овчинникова (в то время директора Института химии природных соединений АН СССР, вице-президента Академии наук) на симпозиумах и конференциях. На этих встречах речь шла о роли материаловедения в развитии современной физико-химической биологии, о полной зависимости этой области науки от поставок необходимых реактивов и материалов из-за рубежа, а также об отсутствии в стране специализированных исследовательских подразделений по разработке и выпуску новых материалов для биологии и биотехнологии.

  • Потребность в высокочистых концентрированных препаратах биологически активных соединений, в первую очередь, биополимеров (нуклеиновых кислот и белков), привела к созданию ряда эффективных сорбционных композиционных материалов (сорбентов), объединяющих полезные механические качества жесткого нерастворимого носителя с уникальными сорбционными свойствами полимерных модификаторов (в первую очередь, фторполимеров и полианилинов). В качестве примеров практического использования таких материалов можно привести одностадийные протоколы выделения ДНК из лизатов бактериальных культур, растительных тканей, крови и т.д. Полученные очищенные препараты ДНК пригодны для непосредственного использования в ПЦР-анализе. Указанные материалы с успехом применяли в процедурах экспресс-пробоподготовки при проведении ПЦР-диагностики HBV вируса (гепатита B человека), Mycobacterium tuberculosis complex,ряда бактериальных и грибковых урогенитальных инфекций и др. Разработана и запатентована (совместно с компанией Royal Philips Electronics) новая эффективная биоаналитическая система на основе кремниевого носителя для проведения масс-спектрометрии в формате SELDI, в которой использовано свойство полианилинсодержащих покрытий разделять белки (пептиды) в зависимости от значения pI индивидуальных компонентов, а также накапливать энергию излучения лазера.
  • Использование частично фторированных полимеров для модифицирования носителей также дает возможность иммобилизации различных биолигандов. В лаборатории разработан способ получения стабильного фторполимерсодержащего носителя для твердофазного синтеза олигонуклеотидов на основе пористого кремнезема, предварительно модифицированного фторсополимером, содержащим активные эфирные группы. После соответствующей химической модификации нуклеозидом полученный материал был успешно применен в качестве носителя при твердофазном синтезе олигонуклеотидов.
  • Разработанные синтетические подходы были с успехом применены для создания эффективных биокатализаторов на основе кремнезема, модифицированного термочувствительным сополимером N-винилкапролактама с 2-гидкроксиэтилметакрилатом. На полученный материал иммобилизовали липазу из Pseudomonas fluorescence. Полученный биокатализатор отличается повышенной ферментативной активностью по сравнению с препаратами нативной липазы. При этом ферментативная активность  сохранялась как в водных, так и в органических средах.  
  • Преимущества использования композиционных материалов с наноструктурными элементами были также реализованы при создании биоаналитических систем на основе полимерных частиц, содержащих различные метки (флуоресцентные, хромофорные). Разработанные в лаборатории «Полимеры для биологии» способы получения дисперсий полимерных частиц на основе полиакролеина позволили создать целый ряд окрашенных биоаналитических реагентов для постановки реакции латекс-агглютинации с целью определения различных аналитов, таких как дифтерийный токсин, ферритин, гербициды (2,4-D, атразин, симазин), антитела к липополисахаридам клеточной стенки условно-патогенных бактерий, тиреоглобулин, пероксидаза щитовидной железы, антитела кмикобактерии туберкулеза и др. Работа проводилась совместно с широким кругом научных организаций (НИИ вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова РАМН, НПЦ «Медицинская иммунология», НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и др.).
  • В качестве перспективных флуорофоров большое внимание привлекают полупроводниковые нанокристаллы CdSe/ZnS, также известные как квантовые точки (QDs). Набор коллоидно-стабильных полимерных флуоресцентных частиц различного диаметра (0.15 - 0.52 мкм) получен путем введения QDsв предварительно синтезированные частицы на основе сополимеров акролеина и стирола. Полученные частицы конъюгировали с моноклональными антителами к антигену Yersinia pestis и использовали в реакции пассивной агглютинации как в режиме экспресс-анализа, проводимого на стекле, так и в виде наиболее простого и чувствительного полуколичественного метода иммуноанализа – в планшете. На примере конъюгатов флуоресцентных полимерных частиц с антителами 4D5scFvпродемонстрирована возможность специфического маркирования рецептора HER2/neuна поверхности мембраны клеток аденокарциномы яичника человека SKOV-3 in vitro. Работа проводилась совместно с лабораториями молекулярной биофизики и молекулярной иммунологии ИБХ РАН.       
  • В последнее время большой интерес привлекают наночастицы с антистоксовой фотолюминесценцией (НАФ). Они представляют собой неорганическую матрицу NaYF4, легированную ионами редкоземельных металлов Yb3+, Er3+ или Tm3+. НАФ возбуждаются спектрально выгодным источником света (975 нм) в «окне прозрачности» биологической ткани, который обеспечивает глубокое проникновение света с минимальным поглощением и рассеянием, НАФ обладают гидрофобными свойствами и для создания тераностических реагентов на основе НАФ их необходимо модифицировать. В лаборатории «Полимеры для биологии» разработаны способы модификации с использованием амфифильных полимеров, что позволило создать на их основе таргетные нанокомплексы для мечения онкомаркера HER2/neu (путь 1). Разработка оригинального дизайна нанокомплексов НАФ, где получена «корона» из химически связанных с поверхностью молекул ПЭГ, привела к увеличению времени циркуляции в крови животных и реализации прижизненной доставки НАФ в опухоль (путь 2). Капсулирование НАФ в частицы полиакролеиновых дисперсий в процессе их синтеза явилось основой для создания реагентов при исследовании биораспределения частиц по органам при внутривенном введении (путь 3). Уникальные оптические свойства НАФ легли в основу создания нанокомплексов с рибофлавином, способных генерировать активные формы кислорода под действием ИК излучения за счет реализации FRET эффекта, что позволило использовать эти нанокомплексы для фотодинамической терапии опухолей (путь 4). Работа проводилась совместно с Лабораторией молекулярной иммунологии ИБХ РАН, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Московским технологическим университетом, РОНЦ им. Н.Н. Блохина и Университетом Маккуори (Австралия)).
Ф.И.О.ДолжностьКонтакты
Зубов Виталий Павлович, д. х. н., профессоррук. подр.zubov@ibch.ru+7(495)335-10-11
Марквичева Елена Арнольдовна, д. х. н.в.н.с.lemark@ibch.ru+7(495)336-06-00
Генералова Алла Николаевна, к. х. н.с.н.с.a-generalova@yandex.ru+7(495)336-06-00
Капустин Дмитрий Валерьевич, к. х. н.с.н.с.kapustin@ibch.ru+7(495)336-06-00
Ягудаева Елена Юрьевна, к. х. н.с.н.с.elena-yagudaeva@yandex.ru+7(495)330-67-65, +7(495)336-06-00
Вихров Александр Анатольевич, к. х. н.н.с.+7(495)330-06-00
Жигис Лариса Стефановна, к. х. н.н.с.zhigis@ibch.ru+7(495)330-67-65
Зуева Вера Сергеевна, к. б. н.н.с.itsvera@maiI.ru+7(495)330-67-65
Простякова Анна Игоревна, к. х. н.н.с.profan@list.ru+7(495)336-06-00
Сизова Светлана Викторовна, к. х. н.м.н.с.sv.sizova@gmail.com+7(495)336-06-00
Зайцева-Зотова Дарья Сергеевна, к. х. н.м.н.с.Dariaz.z@gmail.com+7(495)3360600
Разгуляева Ольга Алексеевнаинж.-иссл.+7(495)336-06-00

Ранее здесь работали:

Селина Оксана Евгеньевна, к. х. н.м.н.с.oselina@inbox.ru
Дроздова Мария Георгиевнаасп.drozdovamg@gmail.com
Акасов Роман Александровичасп.roman.akasov@gmail.com
Гилёва Анастасия Михайловнаасп.sumina.anastasia@mail.ru
Хованкина Анна Викторовнаасп.khovankina@gmail.com

Избранные публикации

  1. Attia M.F., Anton N., Akasov R., Chiper M., Markvicheva E., Vandamme T.F. (2016). Biodistribution and Toxicity of X-Ray Iodinated Contrast Agent in Nano-emulsions in Function of Their Size. Pharm. Res. 33 (3), 603–14 [+]

    This study aimed to investigate the impact of the size of X-ray iodinated contrast agent in nano-emulsions, on their toxicity and fate in vivo.

    ID:1435
  2. Demina T.S., Akopova T.A., Vladimirov L.V., Zelenetskii A.N., Markvicheva E.A., Grandfils C.h. (2016). Polylactide-based microspheres prepared using solid-state copolymerized chitosan and d,l-lactide. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 59, 333–8 [+]

    Amphiphilic chitosan-g-poly(d,l-lactide) copolymers have been manufactured via solid-state mechanochemical copolymerization and tailored to design polyester-based microspheres for tissue engineering. A single-step solid-state reactive blending (SSRB) using low-temperature co-extrusion has been used to prepare these copolymers. These materials have been valorized to stabilize microspheres processed by an oil/water emulsion evaporation technique. Introduction of the copolymers either in water or in the oil phase of the emulsion allowed to replace a non-degradable emulsifier typically used for microparticle preparation. To enhance cell adhesion, these copolymers were also tailored to bring amino-saccharide positively charged segments to the microbead surface. Size distribution, surface morphology, and total microparticle yield have been studied and optimized as a function of the copolymer composition.

    ID:1434
  3. Liaw , Yagudaeva , Prostyakova , Lazov , Zybin , Ischenko , Zubov , Kapustin  (2016). Sorption behavior of polyaramides in relation to isolation of nucleic acids and proteins. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 145, 912–921 [+]

    Получена серия полиарамидсодержащих сорбентов на основе пористого кремнезема с закономерно меняющимся химическим составом поверхности. Впервые проведен сравнительный анализ сорбционных и морфологических свойств покрытий на основе фторопласта, полианилина и полиарамидов с промежуточным химическим строением. Показано, что сорбционные свойства при разделении смесей нуклеиновых кислот и белков определяются, в первую очередь, химическим строением полимерного модификатора, присутствием определенных функциональных групп и распределением заряда по поверхности, а не морфологией полимерного покрытия.

    ID:1621
  4. Zhigis L.S., Kotelnikova O.V., Vikhrov A.A., Zinchenko A.A., Serova O.V., Zueva V.S., Razgulyaeva O.A., Gordeeva E.A., Melikhova T.D., Nokel E.A., Alliluev A.P., Drozhzhina E.Y., Rumsh L.D. (2015). A new methodological approach to estimation of IgA1 and IgA2 content in human serum using recombinant IgA1 protease from Neisseria meningitidis. Biotechnol. Lett. 37 (11), 2289–93 [+]

    A new approach to estimation of IgA subclass levels and IgA1/IgA2 ratio using enzymatically active and inactive forms of Neisseria meningitidis IgA1 protease was developed.

    ID:1429
  5. Stetciura I.Y., Yashchenok A., Masic A., Lyubin E.V., Inozemtseva O.A., Drozdova M.G., Markvichova E.A., Khlebtsov B.N., Fedyanin A.A., Sukhorukov G.B., Gorin D.A., Volodkin D. (2015). Composite SERS-based satellites navigated by optical tweezers for single cell analysis. Analyst 140 (15), 4981–6 [+]

    Herein, we have designed composite SERS-active micro-satellites, which exhibit a dual role: (i) effective probes for determining cellular composition and (ii) optically movable and easily detectable markers. The satellites were synthesized by the layer-by-layer assisted decoration of silica microparticles with metal (gold or silver) nanoparticles and astralen in order to ensure satellite SERS-based microenvironment probing and satellite recognition, respectively. A combination of optical tweezers and Raman spectroscopy can be used to navigate the satellites to a certain cellular compartment and probe the intracellular composition following cellular uptake. In the future, this developed approach may serve as a tool for single cell analysis with nanometer precision due to the multilayer surface design, focusing on both extracellular and intracellular studies.

    ID:1432
  6. Akasov R., Borodina T., Zaytseva E., Sumina A., Bukreeva T.V., Burov S., Markvicheva E. (2015). Ultrasonically Assisted Polysaccharide Microcontainers for Delivery of Lipophilic Antitumor Drugs: Preparation and in vitro Evaluation. ACS Appl Mater Interfaces 7 (30), 16581–9 [+]

    High toxicity, poor selectivity, severe side effects are major drawbacks of anticancer drugs. Various drug delivery systems could be proposed to overcome these limitations. The aim of the study was to fabricate polysaccharide microcontainers (MC) loaded with thymoquinone (TQ) by one-step ultrasonication technique and to study their cellular uptake and cytotoxicity in vitro. Two MC fractions with a mean size of 500 nm (MC-0.5) and 2 µM (MC-2) were prepared and characterized. Uptake of the MC by mouse melanoma M-3 cells was evaluated in both 2D (monolayer culture) and 3D (multicellular tumor spheroids) models by confocal microscopy, flow cytometry and fluorimetry. The higher cytotoxicity of the TQ-MC-0.5 sample than that of the TQ-MC-2 fraction was in a good correlation with higher MC-0.5 accumulation in the cells. The MC-0.5 beads were more promising than the MC-2 particles because of a higher cellular uptake in both 2D and 3D models, an enhanced antitumor effect and a lower non-specific toxicity.

    ID:1304
  7. Zinchenko A.A., Alliluev A.P., Serova O.P., Gordeeva E.A., Zhigis L.S., Zueva V.S., Razgulyaeva O.A., Melikhova T.D., Nokel E.A., Drozhzhina E.Y.u., Kotelnikova O.V., Rumsh L.D. (2015). Immunogenic and protective properties recombinant proteins based on meningococcal IgA1 protease. J Meningitis 1 (102), [+]

    Recombinant proteins (M1K2–N963-LEH6, MA28–N963-LEH6 and ME135–H328-LEH6) have been created on the basis of the genome sequence of IgA1 protease of N. meningitidis serogroup B strain H44/76. It is revealed that, similarly to the native enzyme isolated earlier from N. meningitidis serogroup A strain A208, these proteins induce formation of animal protection against the infection with the virulent strain of meningococcus serogroup B. It is shown that these compounds are promising as a basis for a polyvalent anti-meningococcal vaccine.

    ID:1428
  8. Privalova A., Markvicheva E., Sevrin C.h., Drozdova M., Kottgen C., Gilbert B., Ortiz M., Grandfils C.h. (2015). Biodegradable polyester-based microcarriers with modified surface tailored for tissue engineering. J Biomed Mater Res A 103 (3), 939–48 [+]

    Microcarriers have been proposed in tissue engineering, namely for bone, cartilage, skin, vascular, and central nervous system. Although polyester-based microcarriers have been already used for this purpose, their surface properties should be improved to provide better cell growth. The goal of this study was to prepare microbeads based on poly(D,L-lactide) acid, poly(L-lactide) acid, and to study cell behavior (adhesion, spreading, growth, and proliferation) in function of microbead topography and surface chemistry. To improve L-929 fibroblasts adhesion, microbead surface has been modified with three polycations: chitosan, poly(2-dimethylamino ethylmethacrylate) (PDMAEMA), or chitosan-g-oligolactide copolymer (chit-g-OLA). Although modification of the microbead surface with chitosan and PDMAEMA was performed through physical adsorption on the previously prepared microbeads, chit-g-OLA copolymer was introduced directly during microbead processing. This simple approach (1) bypass the use of an emulsifier (polyvinyl alcohol, PVA); (2) avoid surface "contamination" with PVA molecules limiting a control of the surface characteristics. In vitro study of the growth of mouse fibroblasts on the microbeads showed that both surface topography and chemistry affected cell attachment, spreading, and proliferation. Cultivation of L-929 fibroblasts for 7 days resulted in the formation of a 3D cell-scaffold network.

    ID:1433
  9. Generalova A.N., Kochneva I.K., Khaydukov E.V., Semchishen V.A., Guller A.E., Nechaev A.V., Shekhter A.B., Zubov V.P., Zvyagin A.V., Deyev S.M. (2015). Submicron polyacrolein particles in situ embedded with upconversion nanoparticles for bioassay. Nanoscale 7 (5), 1709–17 [+]

    We report a new surface modification approach of upconversion nanoparticles (UCNPs) structured as inorganic hosts NaYF4 codoped with Yb(3+) and Er(3+) based on their encapsulation in a two-stage process of precipitation polymerization of acrolein under alkaline conditions in the presence of UCNPs. The use of tetramethylammonium hydroxide both as an initiator of acrolein polymerization and as an agent for UCNP hydrophilization made it possible to increase the polyacrolein yield up to 90%. This approach enabled the facile, lossless embedment of UCNPs into the polymer particles suitable for bioassay. These particles are readily dispersible in aqueous and physiological buffers, exhibiting excellent photoluminescence properties, chemical stability, and also allow the control of particle diameters. The feasibility of the as-produced photoluminescent polymer particles mean-sized 260 nm for in vivo optical whole-animal imaging was also demonstrated using a home-built epi-luminescence imaging system.

    ID:1431
  10. Privalova A.M., Uglanova S.V., Kuznetsova N.R., Klyachko N.L., Golovin Yu.I., Korenkov V.V., Vodovozova E.L., Markvicheva E.A. (2015). Microencapsulated Multicellular Tumor Spheroids as a Tool to Test Novel Anticancer Nanosized Drug Delivery Systems In Vitro. J. Nanosci. Nanotechnol. 15 (7), 4806–4814 [+]

    In the study, MCF-7 human breast adenocarcinoma cells were used to study cytotoxicity of novel anticancer nanosized formulations, such as docetaxel-loaded nanoemulsion and liposomal formulation of a lipophilic methotrexate (MTX) prodrug. In Vitro study of cytotoxicity was carried out in 2 models, namely using 3D In Vitro model based on multicellular tumor spheroids (MTS) and 2D monolayer culture. MTS were generated by tumor cell cultivation within alginate-oligochitosanmicro-capsules. In the case of the monolayer culture, cell viability was found to be 25, 18 and 12% for the samples containing nanoemulsion at concentrations 20, 300 and 1000 nM of docetaxel, respectively, after 48 hs incubation. For MTS these values were higher, namely 33, 23 and 18%, respectively. Cytotoxicity of liposomal MTX prodrug-based formulation with final concentration of 1, 2, 10, 50, 100 and 1000 nM in both models was also studied. MTX liposomal formulation demonstrated lower cytotoxicity on MTS compared to intact MTX. Moreover, MTS were also more resistant to both liposomal formulation and intact MTX than the monolayer culture. Thus, at 1000 nM MTX in the liposomal form, cell viability in MTS was 1.4-fold higher than that in the monolayer culture. MTS could be proposed as a promising tool to test novel anticancer nanosized formulations In Vitro.

    ID:1142
  11. Guller A.E., Generalova A.N., Petersen E.V., Nechaev A.V., Trusova I.A., Landyshev N.N., Nadort A., Grebenik E.A., Deyev S.M., Shekhter A.B., Zvyagin A.V. (2015). Cytotoxicity and non-specific cellular uptake of bare and surface-modified upconversion nanoparticles in human skin cells. Nano Research 8 (5), 1546–1562 [+]

    The cytotoxicity and non-specific cellular uptake of the most popular composition of upconversion nanoparticle (UCNP), NaYF4:Yb3+:Er3+, is reported using normal human skin cells, including dermal fibroblasts and immortalized human epidermal linear keratinocytes (HaCaT). A new hydrophilization reaction of as-synthesized UCNPs based on tetramethylammonium hydroxide (TMAH) enabled evaluation of the intrinsic cytotoxicity of bare UCNPs. The cytotoxicity effects of the UCNP surface-coating and polystyrene host were investigated over the concentration range 62.5–125 μg/mL with 24-h incubation, using a MTT test and optical microscopy. The fibroblast viability was not compromised by UCNPs, whereas the viability of keratinocytes varied from 52% ± 4% to 100% ± 10% than the control group, depending on the surface modification. Bare UCNPs reduced the keratinocyte viability to 76% ± 3%, while exhibiting profound non-specific cellular uptake. Hydrophilic poly(D,L-lactide)- and poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene)-coated UCNPs were found to be least cytotoxic among the polymer-coated UCNPs, and were readily internalized by human skin cells. Polystyrene microbeads impregnated with UCNPs remained nontoxic. Surprisingly, no correlation was found between UCNP cytotoxicity and the internalization level in cells, although the latter ranged broadly from 0.03% to 59%, benchmarked against 100% uptake level of TMAH-UCNPs.

    https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs12274-014-0641-6/MediaObjects/12274_2014_641_Fig1_HTML.gif
    ID:1430
  12. Kapustin D.V., Prostyakova A.I., Zubov V.P. (2014). Fluoroplast-polyaniline-coated adsorbent for one-step isolation of DNA for PCR detection of viral hepatitides (HBV and TTV). Bioanalysis 6 (7), 957–66 [+]

    To demonstrate the effectiveness of application of the adsorbent successively modified with nano-layers of fluoroplast and polyaniline for one-step isolation of DNA of hepatitis B virus and transfusion-transmitted virus from human serum.

    ID:1423
  13. Kapustin D.V., Prostyakova A.I., Alexeev Y.I., Varlamov D.A., Zubov V.P., Zavriev S.K. (2014). High-throughput Method of One-Step DNA Isolation for PCR Diagnostics of Mycobacterium tuberculosis. Acta Naturae 6 (2), 48–52 [+]

    The efficiency of one-step and multi-step protocols of DNA isolation from lysed sputum samples containing the Mycobacterium tuberculosis complex has been compared. DNA was isolated using spin-cartridges containing a special silica-based sorbent modified with fluoroplast and polyaniline, or using an automated isolation system. One-step isolation using the obtained sorbent has been shown to ensure a significantly lower DNA loss and higher sensitivity in the PCR detection of Mycobacterium tuberculosis as compared to a system based on sorption and desorption of nucleic acids during the isolation.

    ID:1424
  14. Demina T., ZaytsevaZotova D., Yablokov M., Gilman A., Akopova T., Markvicheva E., Zelenetskii A. (2012). DC discharge plasma modification of chitosan/gelatin/PLLA films: Surface properties, chemical structure and cell affinity. Surf. Coating Tech. , [+]

    The work was aimed to study an effect of direct current discharge on chemical structure, surface properties and cell response to the plasma modified composite films. The film samples were prepared by solvent casting from colloidal solution of the ternary blend of chitosan, gelatin and poly(L,L-lactide), PLLA, obtained by solid-state reactive blending (SSRB), in CH2Cl2 and treated with air plasma at pressure of 10–20 Pa and a discharge current of 50 mA for 60 sec. The model film samples casted from the initial components were treated and studied as well. Contact angle of wettability measurements of the films showed that plasma modification led to increase of hydrophilicity and surface energy. Contact angle changes after plasma treatment of chitosan/gelatin/PLLA (CGP) film were more similar to those for the poly(L,L-lactide) film. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) data confirmed that a surface layer of the blend films was enriched with a polyester component. However, study of mouse fibroblasts (L929) attachment and growth on the films showed that the CGP film provided an enhanced cell growth compared to this on the poly(L,L-lactide) film. Plasma modification of the polymer films resulted in a substantial increase in fibroblasts viability on the plasma treated poly(L,L-lactide) films and to a rather strong decrease of cell growth on the plasma treated CGP and chitosan ones. Thus, plasma surface modification could be proposed as a good tool to control cell response on the material surface.

    ID:727
  15. Марквичева Е.А., Дроздова М.Г., Акасов Р.А., ЗайцеваЗотова Д.С. (2011). Биосовместимые материалы в тканевой инженерии, В кн: Клеточные технологии для регенеративной медицины / под ред.: Г.П.Пинаева, М.С.Богдановой, А.М.Кольцовой. – СПБ.: Изд-во Политехн.ун-та. , 103–126 ID:735
  16. Балабашин Д., ЗайцеваЗотова Д., Топорова В., Панина А., Марквичева Е., Свирщевская Е., Алиев Т. (2011). Способы увеличения продукции рекомбинантных антител в клеточных линиях CHO DG44. Современные проблемы науки и образования  (5), [+]

    The cell line CHO DG44 producing recombinant antibodies(Abs) to human tumor necrosis factor-alpha has been obtained. The influence of cell inoculation density and cultivation protocols on the level of Ab biosynthesis has been studied. The highest Ab yields have been observed at the inoculation density 3×106 cells/ml. The alternative method to cells-in-suspension cultivation has been proposed, which is the cell cultivation in calcium alginate hydrogel microgranules or alginate chitosan semipermeable microcapsules. It has been shown that the Ab production level by CHO DG44 cells entrapped into polymer microcapsules exceeds that of the cells-in-suspension cultivation regime.

    ID:540
  17. ZaytsevaZotova D., Balysheva V., Tsoy A., Drozdova M., Akopova T., Vladimirov L., Chevalot I., Marc A., Goergen J.L., Markvicheva E. (2011). Biocompatible Smart Microcapsules Based on Chitosan‐Poly (vinyl alcohol) Copolymers for Cultivation of Animal Cells. Advanced Biomaterials , [+]

    In this study, two novel chitosan-graft-poly(vinyl alcohol) copolymers are synthesized and used as water-soluble at physiological conditions polycations for preparation of smart microcapsules. The microcapsules provide growth and proliferation of eight mammalian cell lines, including hybridoma and tumor cells, at long-term cell cultivation in vitro. The microcapsules are stable in cell culture medium but can be dissolved by changing pH value of the medium (up to 8.0–8.2), thus making possible a simple release of the entrapped cells. Monoclonal antibody production by encapsulated hybridoma cells is demonstrated. Cultivation of tumor cells within the microcapsules allows the formation of 3D multicellular spheroids, which can be proposed as an in vitro model for anticancer drug screening.

    ID:454
  18. ZaytsevaZotova D.S., Udartseva O.O., Andreeva E.R., Bartkowiak A., Bezdetnaya L.N., Guillemin F., Goergen J.L., Markvicheva E.A. (2011). Polyelectrolyte microcapsules with entrapped multicellular tumor spheroids as a novel tool to study the effects of photodynamic therapy. Journal of biomedical materials research. Part B, Applied biomaterials , [+]

    In the current study, semi-permeable alginate-oligochitosan microcapsules for multicellular tumor spheroids (MTS) generation were elaborated and tested, to estimate a response of the microencapsulated MTS (MMTS) to photodynamic therapy (PDT). The microcapsules (mean diameter 600 μm) with entrapped human breast adenocarcinoma MCF-7 cells were obtained using an electrostatic bead generator, and MMTS were generated by in vitro long-term cell cultivation. The formed MMTS were incubated in Chlorin e6 photosensitizer solution and then irradiated using 650-nm laser light. The cell viability was measured by MTT-assay in 24 h after irradiation, and histological analysis was performed. The proposed MTS-based model was found to be more resistant to the PDT than the two-dimensional monolayer cell culture model. Thus, MMTS could be considered as a promising three-dimesional in vitro model to estimate the doses of drugs or parameters for PDT in vitro before carrying out preclinical tests. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater, 2011.

    ID:407
  19. Borodina T., Grigoriev D., Markvicheva E., Mohwald H., Shchukin D. (2011). Vitamin E Microspheres Embedded Within a Biocompatible Film for Planar Delivery. Advanced Engineering Materials 13 (3), B123–B130 [+]

    We demonstrate a new one-batch approach to the fabrication of a biocompatible Ca-alginate film with embedded vitamin E-loaded microspheres that could be used for planar dermal drug delivery. Stable vitamin E microspheres, coated with gum acacia, are produced by ultrasonic treatment of a two-phase liquid system. The Fourier transform infrared spectroscopy indicates an interaction between biopolymer functional groups induced by ultrasonication. Confocal laser fluorescence microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) demonstrate a homogeneous microsphere distribution within the Ca-alginate polymer film. The kinetics of in vitro vitamin E release found for the polymer film with entrapped microspheres was much more sustained (100% in 96 h) compared to the polymer film with vitamin E embedded in the free state (100% in 5 h). The novelty of the proposed research involves the ultrasonic fabrication of loaded microspheres and formation of biodegradable coating directly doped with microspheres.

    ID:428
  20. Tsoy A., ZaytsevaZotova D., Edelweiss E., Bartkowiak A., Goergen J.L., Vodovozova E., Markvicheva E. (2010). Microencapsulated multicellular tumor spheroids as a novel in vitro model for drug screening. Biochemistry (Moscow) Supplement Series B: Biomedical Chemistry 4 (3), 243–250 [+]

    В работе использован метод микрокапсулирования  клеток аденокарциномы молочной железы человека MCF-7 в биосовместимые альгинат-хитозановые микрокапсулы с целью генерирования на основе этих клеток  мультиклеточных опухолевых сфероидов (МОС)  и их дальнейшего исследования в качестве модели in vitro для тестирования противораковых лекарственных средств. На МОС, полученных на основе клеточной линии MCF-7 (аденокарцинома молочной железы человека), было исследовано цитотоксическое действие метотрексата. В зависимости от времени культивирования клеток в микрокапсулах были  получены МОС со средним размером 150, 200 и 300 мкм. После инкубирования МОС с метотрексатом различных концентраций (1, 2, 10, 50 и 100 нМ) в течение 48 часов оценивали количество жизнеспособных клеток. Показано, что МОС гораздо устойчивее к метотрексату, чем монослойная культура. Так, при концентрации метотрексата 100 нМ в МОС размером 300 мкм доля жизнеспособных клеток в 2,5 раза превышала количество живых клеток в монослойной культуре. Таким образом, было показано, что микрокапсулированные  МОС могут более адекватно отражать состояние клеток  в малых солидных опухолях, чем монослойная культура,  и могут в дальнейшем быть предложены в качестве новой модели in vitro для тестирования противораковых лекарств.

    ID:372
  21. Ягудаева Е.Ю., Жигис Л.С., Разгуляева О.А., Зуева В.С., Мельников Э.Э., Зубов В.П., Козлов Л.В., Бичучер А.М., Котельникова О.В., Аллилуев А.П., Аваков А.Э., Румш Л.Д. (2010). Выделение и определение активности IGA1-протеиназы из культуры Neisseria meningitidis. Биоорг. хим. 36 (1), 96–105 [+]

    Разработана методика получения очищенного препарата IgA1-протеиназы из культуры Neisseria meningitidis серогруппы А из трех инактивированных промежуточных продуктов производства вакцины против менингококковой инфекции: культуральной жидкости, а также супернатанта и осадка, полученных при осаждении бактериальных клеток цетавлоном. Показана способность IgA1-протеиназы, выделенной из менингококка серогруппы А, защищать экспериментальных животных (мышей) при инфицировании менингококком серогруппы В.

    ID:209
  22. Ягудаева Е.Ю., Букина Я.А., Простякова А.И., Зубов В.П., Тверской В.А., Капустин Д.В. (2009). Окислительная полимеризация анилина на поверхности кремнезема в присутствии полисульфокислот как способ получения эффективных биосорбентов. Высокомолекулярные соединения 51 (6), 1000–1007 [+]

    Полианилиновые покрытия на поверхности макропористого кремнезема получали окислительной полимеризацией при протонировании анилина полисульфокислотами: поли‑п,п'‑(2,2'‑дисульфокислота)дифениленизофталамидом (изо-ПАСК) и поли‑п,п'‑(2,2'‑дисульфокислота)дифенилентерефталамидом (тере-ПАСК)

    ID:211
  23. Бовин Н.В., Марквичева Е.А., Селина О.Е. (2009). Сорбент для удаления антител из цельной крови и способ его получения. Патент RU 2360707. , ID:400
  24. Selina O.E., Markvicheva E.A., Belov S.Y.u., Vlasova N.N., Balysheva V.I., Churin A.I., Bartkoviak A., Sukhorukov G.B. (2009). BIODEGRADABLE MICROCAPSULES WITH ENTRAPPED DNA FOR DEVELOPMENT OF NEW DNA VACCINES. Russ. J. Bioorgan. Chem. 35 (1), 103–110 [+]

    In this study an universal method for preparation of biodegradable microcapsules for antigen entrapment was proposed and optimized. The multilayer microcapsules were prepared by layer-by-layer adsorption of various polyelectrolytes (such as alginate, poly-L-lysine, κ-carrageenan, chitosan and dextran derivatives). High entrapment efficiency of protein and plasmid DNA (non less than 90%) was shown. To carry out in vivo tests, a set of microcapsules with entrapped pTKShi plasmid encoding the E2 polypeptide of classical swine fever was prepared. It was shown that an injection of these microcapsules into mice induced an immune response. The highest antibody titers of mouse blood sera were got after immunization by microcapsules based on modified dextran/carrageenan and modified chitosan/carrageenan. The proposed method for antigen entrapment in biodegradable microcapsules could be used for development of encapsulated vaccines of a new generation (DNA-vaccines).

    ID:375
  25. Borodina T.N., Rumsh L.D., Kunizhev S.M., Sukhorukov G.B., Vorozhtsov G.N., Feldman B.M., Rusanova A.V., Vasileva T.V., Strukova S.M., Markvicheva E.A. (2008). Entrapment of herbal extracts into biodegradable microcapsules. Biochemistry (Moscow) Supplemental Series B: Biomedical Chemistry 2 (2), 176–182 [+]

    The microcapsules with entrapped herbal water-soluble extracts of plantain Plantago major and calendula Calendula officinalis L. (PCE) were prepared by layer-by-layer (LbL)-adsorption of carrageenan and  oligochitosan onto CaCO3 microparticles with their subsequent dissolving after the treatment of EDTA. Entrapment of PCE was performed by using adsorption and co-precipitation techniques. The co-precipitation provided better entrapment of PCE into the carbonate matrix compared to adsorption. In vitro release kinetics (AGJ) was studied using artificial gastric juice. Using the model of acetate ulcer in rats it has been demonstrated that PCE released from the microcapsules accelerates gastric tissue repair.

    ID:384
  26. Zubov V.P., Kapustin D.V., Generalova A.N., Yagudaeva E.Y.u., Vikhrov A.A., Sizova S.V., Muidinov M.R. (2007). Modification of solids with polymer nanolayers as a process for manufacture of novel biomaterial. POLYMER SCIENCE SERIES A 49 (12), 1247–1264 [+]

    The results of study on the chemical deposition of polymeric coatings of a nanoscale thickness on porous and flat inorganic matrices and encapsulation of nano-and microparticles in polymer shells are discussed. Procedures for the deposition of homogeneous defect-free coatings are detailed by using polytetrafluoroethylene, polyaniline, and their derivatives as examples. The matrices modified with nanosized polytetrafluoroethylene and polyaniline layers are promising biomaterials for one-step isolation of nucleic acids from complex biological mixtures (cell and tissue lysates, whole blood, plant feedstock), as well as for high-performance chromatography of proteins and other biopolymers. Approaches to the fabrication of polymer shells on luminescent nanocrystals of (CdSe)ZnS via the inclusion of the nanocrystals in micrometer-sized particles based on acrolein-styrene copolymers and the formation of polymer shells directly on nanoparticles are discussed. It was shown that polymer-functionalized luminescent nanocrystals hold promise as bioanalytical reagents.

    ID:127
  27. Kapustin D.V., Vikhrov A.A., Gorokhova I.V., Generalova A.N., Kalyazina O.V., Murzabekova T.V., Zubov V.P. (2005). Multicomponent thermosensitive systems for biocatalysts. RUSSIAN CHEMICAL BULLETIN 54 (2), 452–457 [+]

    Composite matrices based on macroporous silica modified by N-vinylcaprolactam copolymers with diallyldimethylammonium chloride and with 2-hydroxyethyl methacrylate were obtained. Lipase from Pseudomonas fluorescens was immobilized on the obtained materials. The temperature dependence of the hydrolytic activity of the immobilized lipase preparations in the triacetin hydrolysis was investigated. The hydrolytic activity of lipase immobilized on the matrix modified by the N-vinylcaprolactam copolymer with 2-hydroxyethyl methacrylate can be regulated by varying the temperature of the reaction medium. The temperature dependence of the hydrolytic activity of the immobilized enzyme has a maximum at 40 °C, the activity of the immobilized lipase being ∼3.5 times higher compared to that at 20 °C. After immobilization on these composite materials, lipase retained the activity in the acetylation of 1-(RS)-phenylethanol with vinyl acetate in ButOMe.

    ID:128

Зубов Виталий Павлович

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. 34, комн. 431
  • Тел.: +7(495)335-10-11
  • Эл. почта: zubov@ibch.ru

Многоканальный наконечник для экстракции нуклеиновых кислот, белков и пептидов. (2016-03-17)

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. (2016-03-17)

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.

Полиакролеиновые частицы содержащие апконвертирующие наночастицы для биоанализа. (2016-03-17)

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 A.N., Kochneva I.K., Khaydukov E.V., Semchishen V.A., Guller A.E., Nechaev A.V., Shekhter A.B., Zubov V.P., Zvyagin A.V., Deyev S.M. (2015). Submicron polyacrolein particles in situ embedded with upconversion nanoparticles for bioassay. Nanoscale 7 (5), 1709–17 [+]

    We report a new surface modification approach of upconversion nanoparticles (UCNPs) structured as inorganic hosts NaYF4 codoped with Yb(3+) and Er(3+) based on their encapsulation in a two-stage process of precipitation polymerization of acrolein under alkaline conditions in the presence of UCNPs. The use of tetramethylammonium hydroxide both as an initiator of acrolein polymerization and as an agent for UCNP hydrophilization made it possible to increase the polyacrolein yield up to 90%. This approach enabled the facile, lossless embedment of UCNPs into the polymer particles suitable for bioassay. These particles are readily dispersible in aqueous and physiological buffers, exhibiting excellent photoluminescence properties, chemical stability, and also allow the control of particle diameters. The feasibility of the as-produced photoluminescent polymer particles mean-sized 260 nm for in vivo optical whole-animal imaging was also demonstrated using a home-built epi-luminescence imaging system.

    ID:1431
  2. Guller A.E., Generalova A.N., Petersen E.V., Nechaev A.V., Trusova I.A., Landyshev N.N., Nadort A., Grebenik E.A., Deyev S.M., Shekhter A.B., Zvyagin A.V. (2015). Cytotoxicity and non-specific cellular uptake of bare and surface-modified upconversion nanoparticles in human skin cells. Nano Research 8 (5), 1546–1562 [+]

    The cytotoxicity and non-specific cellular uptake of the most popular composition of upconversion nanoparticle (UCNP), NaYF4:Yb3+:Er3+, is reported using normal human skin cells, including dermal fibroblasts and immortalized human epidermal linear keratinocytes (HaCaT). A new hydrophilization reaction of as-synthesized UCNPs based on tetramethylammonium hydroxide (TMAH) enabled evaluation of the intrinsic cytotoxicity of bare UCNPs. The cytotoxicity effects of the UCNP surface-coating and polystyrene host were investigated over the concentration range 62.5–125 μg/mL with 24-h incubation, using a MTT test and optical microscopy. The fibroblast viability was not compromised by UCNPs, whereas the viability of keratinocytes varied from 52% ± 4% to 100% ± 10% than the control group, depending on the surface modification. Bare UCNPs reduced the keratinocyte viability to 76% ± 3%, while exhibiting profound non-specific cellular uptake. Hydrophilic poly(D,L-lactide)- and poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene)-coated UCNPs were found to be least cytotoxic among the polymer-coated UCNPs, and were readily internalized by human skin cells. Polystyrene microbeads impregnated with UCNPs remained nontoxic. Surprisingly, no correlation was found between UCNP cytotoxicity and the internalization level in cells, although the latter ranged broadly from 0.03% to 59%, benchmarked against 100% uptake level of TMAH-UCNPs.

    https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs12274-014-0641-6/MediaObjects/12274_2014_641_Fig1_HTML.gif
    ID:1430