Разработка новых методов синтеза и функционализации наночастиц берлинской лазури для увеличения их каталитической активности и использования в качестве альтернативы пероксидазе хрена в иммуноферментном и иммунохроматографическом анализе. Российский научный фонд, 2026-2029 гг.
Номер проекта 26-14-00306
НазваниеРазработка новых методов синтеза и функционализации наночастиц берлинской лазури для увеличения их каталитической активности и использования в качестве альтернативы пероксидазе хрена в иммуноферментном и иммунохроматографическом анализе
Руководитель Раев Михаил Борисович, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет" , Пермский край
Конкурс №124 - Конкурс 2026 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)
Аннотация
Одним из самых перспективных направлений в развитии тест-систем для иммунодиагностики заболеваний становится применение наночастиц с каталитической активностью, аналогичной ферментным меткам — прежде всего пероксидазам. Такие наночастицы получили название «нанозимы» (от англ. nano + enzyme).
Традиционно в качестве каталитической метки в иммуноферментных и иммунохемилюминесцентных анализах используют пероксидазу из корней хрена. Однако современные наноматериалы уже достигли и даже превзошли этот фермент по уровню каталитической активности, что позволяет получать сопоставимые или более низкие пределы обнаружения в колориметрических тестах. При этом нанозимы обладают и рядом других важных преимуществ: их синтез не требует растительного сырья, а получаемые конъюгаты превосходят ферментные аналоги по физико-химической стабильности (устойчивости к изменениям рН и температуры). Кроме того, нанозимы открывают новые возможности при создании тест-систем, недоступные для классических ферментов: их активность можно специально усиливать, они не подвержены действию ингибиторов пероксидаз, а собственная окраска делает их особенно эффективными метками для экспресс-тестов с каталитическим усилением сигнала.
Таким образом, совершенствование наноразмерных каталитических меток может привести к тому, что нанозимы вытеснят ферменты по крайней мере в ряде нишевых аналитических применений, где их преимущества дадут значительный выигрыш в аналитических и эксплуатационных характеристиках тест-систем.
Среди известных пероксидазоподобных материалов особый интерес представляют наночастицы берлинской лазури — железосодержащего металлокомплекса. Благодаря уникальному механизму электронного транспорта каталитическая активность берлинской лазури обусловлена не только поверхностными, но и внутренними атомами железа, что позволяет использовать весь объем наночастицы. В отличие от наночастиц на основе платиновых металлов, которые также демонстрируют высокую пероксидазоподобную активность, берлинская лазурь синтезируется из доступных и дешевых реагентов, что делает ее особенно привлекательной для масштабирования и коммерческого применения.
Однако анализ научной литературы показывает, что до сих пор отсутствует полное понимание взаимосвязи между методом синтеза, структурой и каталитической активностью наночастиц берлинской лазури. В результате во многих работах используются не оптимальные методы получения этого материала, что приводит к недооценке его потенциала. Еще одной проблемой остается недостаточная стабильность берлинской лазури в физиологических условиях — она склонна к гидролизу при рН 7 и выше.
Наше исследование направлено на решение этих задач. Мы впервые проведем комплексное исследование взаимосвязи между методом синтеза и каталитическими свойствами наночастиц берлинской лазури. Также мы планируем разработать принципиально новые подходы к повышению их стабильности в физиологических условиях и предложить способы дополнительного усиления каталитической активности. Будут предложены новые способы функционализации наночастиц берлинской лазури, которые будут направлены на снижение неспецифических взаимодействий в ходе иммуноанализа при одновременном сохранении высокого уровня каталитической активности и присоединении необходимого количества распознающих молекул. Результатом работы будут сравнительные исследования диагностических реагентов на основе берлинской лазури и пероксидазы хрена в колориметрическом иммуноанализе.
Мы надеемся, что такой всесторонний подход к оптимизации, а точнее “максимизации” ее функциональных характеристик позволит по итогам выполнения проекта рассматривать берлинскую лазурь как реальную альтернативу пероксидазе хрена при создании современных тест-систем для иммунодиагностики.
Ожидаемые результаты
В 2022 г. разработка наноразмерных миметиков ферментов (нанозимов) была названа ИЮПАК одной из 10 ключевых новейших технологий [10.1515/ci-2022-0402]. В настоящее время исследованиями, связанными с нанозимами, занимаются более 420 научных групп из более чем 40 стран [10.1002/adma.202305249]. Одной из главных задач этого направления исследований является синтез наночастиц, чья каталитическая активность превосходила бы каталитическую активность ферментов [10.1021/acsnano.3c04378]. Пожалуй, наибольший интерес вызывает разработка миметиков фермента пероксидазы хрена, использующегося в качестве метки в широком спектре колориметрических, люминесцентных и электрохимических тест-систем, а также в терапии, тераностике, биоремедиации, синтезе органических молекул и полимеров.
Целью этого проекта является создание технологий, позволяющих существенно улучшить свойства (пероксидазоподобную активность и стабильность) наночастиц берлинской лазури - одних из самых эффективных, дешевых и простых в получении нанозимов. По совокупности своих свойств наночастицы берлинской лазури являются одной из наиболее перспективных альтернатив пероксидазе хрена. Это объясняет все возрастающее количество исследований, посвященных совершенствованию способов синтеза и применения нанозимов берлинской лазури.
Одним из результатов проекта станет систематическое исследование взаимосвязи между способом синтеза, структурой и пероксидазоподобной активностью нанозимов берлинской лазури. Отсутствие в литературе подобных сравнительных исследований привело к тому, что зачастую исследователи используют неоптимальные способы синтеза нанозимов. Получаемые в результате нанозимы не обладают достаточно высокой каталитической активностью, что приводит к низкой эффективности их применения. В частности, в области аналитической химии и клинической лабораторной диагностики это снижение аналитической чувствительности, ухудшение пределов обнаружения и соотношения сигнал/шум. В области тераностики это недостаточные антиоксидантные свойства. В области биоремедиации - снижение эффективности окислительной деструкции загрязняющих агентов и т.д. Мы надеемся, что полученные нами данные смогут в корне изменить эту ситуацию и позволят исследователям существенно улучшить свойства используемых ими нанозимов.
Еще одним результатом выполнения проекта станут принципиально новые подходы к увеличению пероксидазной активности наночастиц берлинской лазури и ее стабильности при длительном хранении, основанные на регуляции содержания одновалентных катионов в ее кристаллической решетке. Одним из ключевых недостатков берлинской лазури является низкая стабильность при нейтральных и слабощелочных рН, ограничивающая спектр ее применений, а также затрудняющая работу с этим материалом. Нами будут разработаны принципиально новые способы увеличения стабильности берлинской лазури, основанные на включении в ее элементарные ячейки ряда одно- и двухвалентных катионов, которые существенно увеличат ее стабильность, и, что более важно, будут при этом улучшать ее каталитическую активность.
В результате выполнения проекта планируется не просто синтезировать и исследовать нанозимы берлинской лазури с перспективными свойствами, но и разработать технологическую основу для их практического применения как диагностических реагентов в тест-системах. Будет проведена оптимизация способов их функционализации, подбор оптимальных методов длительного хранения полученных реагентов, а также проведено прямое сравнение с главным конкурентом, а именно пероксидазой хрена. Для этого будут разработаны и оптимизированы тест-системы в формате планшетного колориметрического анализа и иммунохроматографии с каталитическим усилением (при помощи добавления хромогенного субстрата) для выявления онкомаркера простатспецифического антигена с использованием как фермента, так и нанозимов в качестве метки. Будет проведено подробное сравнение ключевых характеристик тест-систем, а также проведен анализ образцов сывороток крови от доноров-добровольцев. Это позволит дать объективную оценку тому, насколько усовершенствованные нанозимы могут составлять конкуренцию пероксидазе хрена с точки зрения реального применения.
Теоретическая значимость проекта заключается в получении новых знаний о способах управления свойствами нанозимов берлинской лазури, а также о механизмах лежащих в основе этого процесса.
Практическая значимость заключается в том, что будет разработан целый ряд технологий, которые позволят существенно улучшить те свойства нанозимов берлинской лазури, которые являются критичными при создании диагностических реагентов на ее основе. Таким образом, выполнение проекта будет способствовать созданию новых высокотехнологичных продуктов в области клинической лабораторной диагностики.
Ввиду того, что будут использованы принципиально новые способы увеличения каталитической активности и стабильности наночастиц берлинской лазури, а также ввиду несомненной практической значимости полученных результатов для клинической лабораторной диагностики, биосенсорики, биоремедицации, органического синтеза и тераностики, не возникает сомнений, что полученные результаты будут соответствовать мировому уровню исследований.
