Лаборатория «Химический дизайн бионаноматериалов»

Научные результаты:

• Разработаны серии наноформуляций (нанозимов) на основе ферментов-антиоксидантов в составе полиионных комплексов и конъюгатов, обладающих выраженным нейропротекторным и противовоспалительным действием, для лечения воспалительных заболеваний глаз и травматических поражений спинного мозга.
• В рамках ФЦП «ФАРМА» успешно проведены доклинические исследования эффективности и безопасности действия созданного фармацевтического препарата на основе супероксиддисмутазы для лечения увеитов – острых воспалительных процессов в глазу, ведущих к слепоте. Разработаны проекты технологического регламента получения готовой лекарственной формы, проект фармакопейной статьи и проект брошюры исследователя.
• Созданы теоретические и экспериментальные основы технологии дистанционного управления с помощью ультранизкочастотного магнитного поля с частотой 50 Гц функциями биополимеров и других макромолекул, иммобилизованных на магнитных наночастицах (МНЧ). Построены теоретические модели поведения функционализированных магнитных наночастиц в переменном магнитном поле (ПМП) в зависимости от характеристик наночастиц и параметров поля. Найдены диапазоны частот и амплитуд ПМП, обеспечивающие наиболее эффективное преобразование энергии поля в механическую деформацию макромолекул. Оценены пороговые параметры ПМП, необходимые для изменения активности молекул, прикрепленных к наночастицам, разрыхления липидных биомембран и контролируемого выпуска лекарств из липосомальных наноконтейнеров, а также для активации различных откликов и изменения функциональности клетки.
• Выполнен ряд экспериментов с использованием оригинальных приборов, генерирующих магнитные поля и позволяющих проводить биохимические исследования воздействия магнитных полей in vitro, для подтверждения данных молекулярного моделирования. Установлено влияние переменного магнитного поля на каталитическую активность ферментов химотрипсина, β-галактозидазы, дрожжевой алкогольдегидрогеназы, супероксиддисмутазы (СОД1), иммобилизованных на функционализированных МНЧ.
• Показана возможность контролируемого высвобождения лекарственных молекул из носителей на основе МНЧ с помощью однородного низкочастотного (негреющего) ПМП на примере фермента СОД1, нековалентно включенного в наночастицы магнетита, стабилизированные с помощью катионного блок-сополимера полилизин-полиэтиленгликоль.
• Создана аппаратура для исследования биологических тест-объектов с помощью микроскопа в условиях воздействия на них магнитного поля. Разрабатываемая технология не только позволяет осуществлять контролируемый выпуск лекарства из носителей, но и обеспечивает селективность и локальность управляющего действия на клеточном и молекулярном уровнях, а также повышает безопасность существующих методов терапии опасных заболеваний.
• Создан высокоэффективный наноразмерный ферментный катализатор для детоксификации фосфорорганических соединений (ФОС) in vivo, аналогов которому нет в мире. Использование генномодифицированной формы рекомбинантного фермента органофосфатгидролазы с высокой каталитической активностью и технологии NanoZYME позволило получить наноформуляции (гидролитические нанозимы) для применения в медико-биологических целях. Такие наноформуляции стабильны и длительное время циркулируют в кровотоке, не обладают иммунотоксичностью, пригодны для использования как в качестве защитного средства, так и антидота, могут вводиться внутривенно, внутримышечно, внутрибрюшинно, трансбуккально.
• Внутривенное введение гидролитических нанозимов как защитного средства обеспечивает 100%-ное выживание животных даже при их интоксикации двукратной смертельной дозой (2×LD₁₀₀) ФОС. В случае же применения нанозимов в качестве антидота в течение 10–15 минут после интоксикации смертельной дозой ФОС достаточно их однократного внутривенного введения для обеспечения 100% выживаемости животных.
• Выполнены исследования, направленные на изучение особенностей лизиса патогенов и возможности получения лекарственных форм ферментов бактериофагов, эффективных в разрушении грамположительных и грамотрицательных бактерий, в целях создания стабильных и эффективных средств борьбы с бактериальными инфекциями. Так, для антистрептококкового фермента PlyC были получены композиции из неионогенных ПАВ и полиэлектролитов для включения PlyC. Тем самым удалось устранить проблему низкой стабильности, являющуюся основным препятствием для использования данного фермента в качестве терапевтического агента. Было достигнуто сохранение 100%-й активности в течение нескольких месяцев и показана высокая эффективность действия полученных нанозимов фермента PlyC на живых клетках гемолитического стрептококка.
• Стратегия создания процесса эффективного лизиса грамотрицательной микрофлоры, ограниченного за счет наличия внешней мембраны грамотрицательных бактерий, заключалась в получении активного целевого фермента, специфичного к сальмонелле и E. сoli, и подборе агентов, увеличивающих проницаемость внешней мембраны. Важным результатом в этом направлении стало получение конструкции и синтез рекомбинантного эндолизина фага S-394 с высоким выходом по белку.
• Предложено введение дополнительных коротких катионных пептидов, помогающих работе антибактериального фермента. Показано, что лизис живых бактериальных клеток E. сoli под действием эндолизина фага S-394 становится возможным в присутствии поли-Arg и PGLa.

Внедрение результатов исследования:

Успешно проведены доклинические исследования эффективности и безопасности действия фармацевтического препарата в виде глазных капель для лечения воспалительных заболеваний глаз, ведущих к слепоте. Внедрение фармацевтического препарата планируется после проведения клинических испытаний.

Образование и переподготовка кадров:

• В Лаборатории работают 10 студентов 1-6 курсов, проходят подготовку 6 аспирантов.
• Защиты: 3 кандидатские диссертации, 11 дипломных работ.
• Разработаны спецкурсы и проводятся практические занятия для студентов и аспирантов химического и других факультетов МГУ имени М. В. Ломоносова: «Современные проблемы наномедицины и доставки лекарств» (2013, 2014, 2016, 2017, 2018 гг.); «Избранные главы энзимологии и медицинской биотехнологии» (2018), «Современные проблемы энзимологии и медицинской биотехнологии» (2018 г.); «Избранные главы биохимии и биотехнологии» (2018 г.), «Актуальные проблемы биотехнологии» (2017 г.); «Нанобиоматериалы и физика наноструктур» (2016, 2017, 2018, 2019 гг.); «Введение в физику наноструктур» (2013, 2016, 2018 гг.); «Современные проблемы медицины и медицинской энзимологии» (2016, 2018 гг.); «Биотехнология и нанобиотехнология» (2015, 2018 гг.); «Фундаментальная и прикладная энзимология» (2014, 2018 гг.); «Физическая химия ферментов и биотехнология» (2013, 2017 гг.).
• Разработаны и постоянно обновляются авторские учебные курсы: «Современные проблемы энзимологии и медицинской биотехнологии» (2017, 2018 гг.); «Избранные главы энзимологии и медицинской биотехнологии» (2017, 2018 гг.); «Избранные главы биохимии и биотехнологии на английском языке» (2017, 2019 гг.); «Современные проблемы биохимии и биотехнологии на английском языке для аспирантов» (2015, 2019 гг.); «Современные проблемы наномедицины и доставки лекарств» (2014, 2018 гг.).

Сотрудничество:

• Центр нанотехнологий для доставки лекарств Школы фармацевтики имени Эшельмана Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл (США), Медицинский центр Университета Небраски (США): совместные исследования по изучению возможностей адресной доставки лекарственных нанопрепаратов в центральную нервную систему и совместные научные публикации.
• Московский НИИ глазных болезней имени Гельмгольца (Россия): проведение совместных исследований in vivo эффективности терапевтического действия разрабатываемых наноформуляций для лечения заболеваний глаз, в том числе проведение доклинических испытаний фармацевтического препарата для лечения воспалительных заболеваний глаз на основе рекомбинантной супероксиддисмутазы в составе полимерных наночастиц, подготовлен отчет о проведении доклинических исследований в рамках ФЦП «ФАРМА».
• Государственный научный центр социальной и судебной психиатрии имени В. П. Сербского (Россия), Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н. И. Пирогова (Россия): совместные исследования по созданию субстанций на основе супероксиддимутазы в составе полимерных наночастиц для лечения травмы спинного мозга, изучение новых возможностей ранней диагностики опухолей головного мозга, в том числе с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), зарегистрировано несколько патентов.
• ООО «Медицинские нанотехнологии» (Россия): проведение доклинических испытаний разрабатываемых препаратов, проект технологического регламента на производство готовой лекарственной формы препарата для лечения воспалительных заболеваний глаз на основе рекомбинантной супероксиддисмутазы в составе полимерных наночастиц, проект брошюры исследователя, проект фармакопейной статьи. 
• Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (Россия): создание научных подходов, синтез и разработка наноформуляций на основе магнитных наночастиц для адресной доставки лекарств, в том числе для лечения и диагностики злокачественных заболеваний, совместные публикации.