Лаборатория биогибридных технологий

Научные результаты:

• В процессе выполнения работ по проекту синтезированы новые органические молекулы, способные оказывать ингибирующее действие на карбоангидразы, а также проведен поиск эффективных блокаторов активности II изоформы карбоангидразы человека, являющейся подтвержденной мишенью для терапии глаукомы. Синтезирован ряд пептидов ингибиторов фактора роста эпителия сосудов (VEGF) – перспективных лекарств, замедляющих образование микрососудистой системы при определенных заболеваниях глаз. Изучена их эффективность с использованием различных in vitro и in vivo методов. Для эффективной биовизуализации получаемых в проекте систем доставки лекарств, а также для создания в будущем систем для тераностики, синтезированы образцы новых фосфоресцентных меток на основе комплексов золота, иридия и платины, несущие реакционноспособные группы, необходимые для ковалентной конъюгации с полимерными частицами. Показано, что полученные комплексы и их конъюгаты с полимерными носителями обладают временами жизни в микросекундном диапазоне и способностью излучать в ближней ИК области. Полученные соединения исследованы in vitro и in vivo, показана их биосовместимость. Синтез новых полимеров – базовых соединений для формируемых далее наночастиц, развивался в трёх основных направлениях, а именно: создание полимеров для систем доставки малых молекул, синтез и модификация макромолекул с целью создания систем доставки генетических конструкций, получение гидрофильных конъюгатов с anti-VEGF пептидами. Разработаны новые полимерные коллоидные системы, пригодные для использования в качестве систем доставки лекарств, а именно, микро- и наночастицы на основе поли(молочной кислоты), с варьируемым количеством полиэлектролитных слоёв поли(L-лизина) и гепарина на своей поверхности; мицеллы на основе амфифильных хитозана и полиаминокислот; термо- и рН-чувствительные наногели. Синтезированы органические линкеры, выполняющие функцию интермедиатов между лекарственным соединением и полимером/наночастицей/клеточной поверхностью, а также сшивающих цепи полимера агентов, предназначенные для обеспечения контролируемого отщепления/высвобождения терапевтического средства при изменении условий окружающей среды, таких как световое излучение или присутствие определенных ферментов. Все разработанные материалы показали безопасность для клеток тканей человека, включая клетки сетчатки и роговицы глаза, а также способность контролируемо высвобождать инкапсулированный лекарственный агент.

• Показана возможность создания биогибридов с использованием двух подходов: (а) интернализации нагруженных лекарственными препаратами и генным материалом наночастиц внутрь клеток; (б) ковалентной модификации поверхности клеток лекарственным веществом с использованием различных линкеров. По первому методу, наночастицы на основе поли(молочной кислоты), модифицированные верблюжьими антителами, были использованы для инкапсулирования нового лекарственного средства для лечения мультирезистентного туберкулёза – перхлозона. Дозировка лекарства, полученная животными, подвергшимися терапии с использованием частиц, оказалась более чем в 10 раз ниже, чем у животных, получавших лекарство перорально, что обусловило значительно меньшую гепатотоксичность препарата, заключенного в наноконтейнеры. Проведенные исследования указывают на то, что вероятный механизм направленного действия препарата в частицах состоит в поглощении частиц перитонеальными макрофагами с последующей миграцией последних в очаг воспаления по пути хемотаксиса. Разработаны пути контроля за поглощением частиц в клетки. По второму методу, разработана технология ковалентной модификации поверхности живых Т-клеток посредством метаболического мечения тетраацетатом N-азидоацетилманнозамина (Ac4ManNAz) в процессе их культивирования in vitro. Далее гидрофильный флуоресцентный краситель и выбранные anti-VEGF пептиды, модифицированные дибензоциклооктином, связывались с азидными группами на клеточной поверхности посредством клик-реакции азид-алкин циклоприсоединения. Выбранный флуоресцентный краситель использовался для оптимизации технологии получения биогибридов. Модифицированные дибензоциклооктином anti-VEGF пептиды связывали с клетками с целью получения биогибридных систем, способных обнаруживать и селективно связывать белок VEGF и, таким образом, блокировать его сигнальные пути. Показано, что модифицированные клетки сохраняли свою жизнеспособность.

• Разработаны компьютерные алгоритмы, моделирующие фармакокинетику после интравитреальных инъекций в глаз полимерных материалов и биогибридов. Результаты компьютерного моделирования хорошо согласуется с фармакокинетическими данными, полученными путём прямых измерений концентрации лекарственных препаратов в витреальной жидкости. Модели учитывают ключевые параметры, такие как объем стекловидного тела, коэффициент диффузии материала в стекловидном теле и клиренс в переднем отделе глаза. В моделях также учитывалась скорость деградации полимера. Разложение полимера и размер образующихся фрагментов были оценены в исследованиях in vitro.

Внедрение результатов исследования:

Полученные при выполнении проекта результаты имеют важнейшее значение для развития фармакологии, особенно в области терапии глазных заболеваний (глаукома и возрастная макулярная дегенерация). Для этого созданы новые лекарственные соединения (малые молекулы и пептиды), а также разработаны новые подходы к их доставке, увеличивающие эффективность их действия. Разработаны методы создания биогибридов, которые могут в перспективе стать индивидуальной системой доставки лекарств при реализации стратегий персонифицированной медицины. Полученные соединения, системы доставки и разработанные методы создания биогибридов перспективны для терапии различных заболеваний.

В частности, ряд пептидных анти-VEGF последовательностей и их конъюгаты с полиаминокислотами и гиалуроновой кислотой представляют коммерческий интерес в качестве препаратов для терапии ряда заболеваний, сопровождающихся аномальным развитием микрососудистой системы в очаге патологии. В настоящее время ведутся переговоры с крупной российской фармацевтической компанией по совместной разработке технологии получения и последующего внедрения указанных лекарственных формул.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

На базе вновь созданной Лаборатории биогибридных технологий и существующей Межкафедральной лаборатории биомедицинской химии создан и успешно функционирует лабораторный кластер с едиными научно-практическими задачами. Данное объединение имеет современную инструментальную базу, необходимую для получения результатов мирового уровня.

Образование и переподготовка кадров:

• Разработан и включен в образовательную программу новый курс на английском языке «Drug Delivery Systems» для магистрантов, обучающихся в Институте химии СПбГУ по направлению «химия».
• Разработан и включен в образовательную программу новый курс «Биоматериалы» для бакалавров, обучающихся в Институте химии СПбГУ по направлению «химия, физика и механика материалов».
• Разработан и включен в образовательную программу лабораторный практикум «Синтез и исследование углеродных наноматериалов» для студентов магистратуры, обучающихся в Институте химии СПбГУ по направлению «фундаментальные и прикладные аспекты наноматериалов и нанотехнологий».
• Разработан и прошел апробацию лабораторный практикум «Методы молекулярной биологии» для студентов магистратуры, обучающихся в Институте химии СПбГУ по направлению «химия» (дополнение к лекционному курсу «Биохимия»).

Проведены следующие научные мероприятия:

• Meeting of scientific group within Megagrant «Biohybrid technologies for modern medicine», Санкт-Петербург, отель «Новый Петергоф», 17-18 декабря 2018 года.

• «Summer conference on biohybrid technologies», Санкт-Петербург, Высшая школа менеджмента СПбГУ, 10-11 июня 2019 года.

Защищены 2 и подготовлены к защите 2 диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защищена 1 диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук.

В рамках научной коллаборации 6 аспирантов и молодых сотрудников прошли стажировку в Университетах Хельсинки и Восточной Финляндии, а также в Университете Лейбница, Ганновер, Германия.

Сотрудничество:

• Кафедра химии природных соединений, Институт химии СПбГУ;

• Кафедра общей и неорганической химии, Институт химии СПбГУ;

• Кафедра патологии, Медицинский факультет СПбГУ, Санкт-Петербург;

• Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург;

• НИИ акушерства, гинекологии и репродуктологии им. Д.О. Отта, Санкт-Петербург;

• Университет Хельсинки, Факультет биофармацевтики, Хельсинки, Финляндия;

• Университет Восточной Финляндии, Школа фармацевтики, Куопио, Финляндия;

• Университет Лейбница, Институт технической химии, Ганновер, Германия;

• Свободный Университет, Берлин, Германия;

• Университет Флоренции, Факультет нейробиологии, Флоренция, Италия;

• Биотехнологическая международная компания БИОКАД, Санкт-Петербург, Россия.