Достижения

Показано, что в человеческой популяции существует от 2% до 13% процентов людей-Х, обладающие необычным объединением рецепторных систем, которые позволяют конструировать внутри мозга виртуальный мир новых образов. Такое явление получило название – синестезия. 

Еще в начале ХХ века академик П.П. Лазарев интуитивно выдвинул постулат, что такое объединение возможно, рассмотрев лишь один частный вариант синестезии. В тот период это открытие не было понято и объявлено ложью. Спустя полвека было доказано, что синестезия существует, сегодня интерес к изучению его сильно возрос. 

Доказано влияние синестезии на существенное уменьшение характерного времени запоминания и анализа больших объемов информации.

Оно не является патологией и может иметь как генетическую основу, так и быть приобретаемым в процессе интенсивной целенаправленной работы в творческих процессах (художников, ученых, архитекторов и др.). 

Появление синестезии связано с перестройкой мозговых структур коры мозга, стимулируемых волнами гиппокампа, что приводит к образованию на основе комбинаторного усиления связей в коре мозга между зонами отображения рецепторных систем (см. рис.). Результат перестроек в связях мозга позволяет преобразовывать многопараметрические явления, наблюдаемые человеком во внешнем мире, в вид обобщенных виртуальных образов в виде форм, отличающихся друг от друга своей топологией или цветом. (ФГБУН Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук (ИТЭБ РАН), чл.-корр. РАН Иваницкий Г.Р.)

Рис. Перестройка мозговых структур коры мозга, стимулируемых волнами гиппокампа, что приводит к образованию на основе комбинаторного усиления связей в коре мозга между зонами отображения рецепторных систем.

Результаты опубликованы в журнале Успехи физических наук:

Иваницкий Г.Р. Люди Х, обладающие необычным взаимодействием рецепторных систем, конструирует внутри себя мир новых образов (к 140-летию академика П.П. Лазарева)/ Успехи физических наук 189(7) с.759-784 (2019)

Были выявлены характеристические биологические постоянные, определяющие пределы температурной адаптации для большинства организмов, обладающих нервной системой, включая беспозвоночных, гибернантов и даже человека. Были определены пределы температурной адаптации для большинства организмов, обладающих нервной системой, включая беспозвоночных, гибернантов и даже человека. Полученные характеристические биологические постоянные (6,5ОС, 27ОС, 43ОС) позволяют, в частности, создавать и поддерживать гипометаболические состояния после тяжёлых хирургических операций, а также в длительных космических полётах. В работе получены следующие общебиологические закономерности: 
• Диапазон температур фазового перехода липид-белковой композиции пресинаптической мембраны при [Ca+2]>10-1 mM простирается от 6,5ОС до 27ОС. 
• Диапазон температур фазового перехода липид-белковой композиции пресинаптической мембраны при [Ca+2] <10-4 mM простирается от 27ОС до 43ОС. 
• Увеличению концентрации Ca+2 в 1000 раз соответствует уменьшение температуры фазового перехода самых тугоплавких липид-белковой композиций пресинаптической мембраны на 15ОС, а самых легкоплавких композиций - на 20ОС. 
• Отношение диапазонов предельных температур ТТP-(ТC)min/(ТH)max-ТТP=1,3 определяется температурами фазовых переходов липид - белковых композиций синаптических мембран при возбуждении и в состоянии покоя. (ИТЭБ РАН, д.б.н. Асланиди К.Б.)

Результаты опубликованы в журнале Cell & Bioscience: Aslanidi K.B., Kharakoz D.P. Limits of temperature adaptation and thermopreferendum. Cell Biosci. 2021 Apr 6;11(1):69. doi: 10.1186/s13578-021-00574-9.

1.           

Рис. 1: Температурная адаптация различных организмов. Абсцисса – темпераратура акклиматизации Т_А[⁰C], ордината – характеристические биологические постоянные (Т_С)_min [⁰C], T_PR[⁰C] и (Т_А)_max[⁰C]

Показано, что низкоамплитудная транскраниальная стимуляция электрическим током влияет на когнитивную деятельность: решение логических, геометрических и арифметических задач. Результат зависит от полярности стимула: анодная стимуляция приводит к улучшению показателей когнитивной активности, в то время как при катодной стимуляции эффект едва различим. Анодная стимуляция увеличивает электрическую активность коры, способствует увеличению эффективности когнитивной деятельности и оптимизации автономной активации ресурсов во время когнитивной нагрузки. Катодная стимуляция оказывает влияние на спектральную мощность ЭЭГ в зависимости от индивидуального баланса возбуждения и торможения в головном мозге и увеличивает влияние парасимпатической ветви вегетативной нервной системы. Таким образом, низкоамплитудная транскраниальная стимуляция электрическим током, являясь перспективным неинвазивным методом, может быть использована для улучшения когнитивной деятельности. (ИТЭБ РАН, д.ф.-м.н. Алиев Р.Р.).

2.           

Распределение электрического поля, вызванного активным (красным) и референсным (синим) расположением электрода во время процедуры низкоамплитудной транскраниальной стимуляции

Результаты опубликованы в журнале: Brain Stimulation, импакт фактор 6.078.
Ashikhmin A. V., Shishelova A. Y., Aliev R. R. tDCS provokes sustainable changes in EEG and reorganizes autonomic modulation of heart rate //Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. 2017. 10 (№. 2). 484-486.

Пограничные мембраны между фазами являются сетью из трехмерных белковых ячеек, заполненных липидами с примесью связанной воды. Как в модельных, так и в натурных экспериментах на молекулярном и клеточном уровне были выявлены агенты, которые могут повышать или понижать стабильность границ между фазами. В частности, было показано, что стабилизирующими агентами являются таксифолин и кемпферол, которые ускоряют процесс формирования фибрилл сети, а кверцетин и мирицетин тормозят процесс агрегации белка и препятствуют формированию фибрилл. Кинетикой изменения границ можно управлять не только меняя химический состав агентов, но с помощью физических воздействий (электромагнитные облучения, температура, давление). Разработана кинетическая модель, которая охватывает основные молекулярные события в сетях, включая белок-белковые взаимодействия, активацию и деактивацию GTPases, фосфорилирование и дефосфорилирование, а также регуляцию обратными связями. Способы повышения / понижения барьеров, поддерживающих устойчивость границ-мембран, имеют прикладное значение в качестве инструментария для современной медицины, клеточной и тканевой инженерии, а также при искусственном оплодотворении для сохранение исчезающих видов живых организмов (что было показано на примере амфибий).

(ИТЭБ РАН, чл.-корр. РАН Иваницкий Г.Р.

В 2016 г. на основе данных термодинамических параметров белков были использованы параметры гидратации при температуре 298K и оценены численные значения величин энтальпии, свободной энергии и энтропии этих белков в газовой фазе. Проведены статистические исследования зависимости частоты разрывов связей от нуклеотидной последовательности ДНК, что позволяет оценить погрешности экспериментальных процедур при определении первичных структур ДНК. Исследован рост клеток на различных полимерах и открепление слоёв клеток от них. Выполнены эксперименты по длительному синхронному мониторингу минутных значений пульса и биохимических показателей крови; описана существенная роль ряда биохимических факторов в развитии процесса адаптации организма к вариациям геомагнитного поля. Проведено сравнительное изучение метода всех сочетаний и метода минимальных покрытий, а также гистограммного метода. Исследованы внутрисуточные периоды во временных рядах флуктуаций скорости альфа-распада, и показана их связь с длинноволновой частью спектра собственных колебаний Земли. Описаны новые аспекты решения задачи преломления фронтов автоволн на границе раздела двух однородных участков активной среды. Найдены проявления универсальной системы утраивающихся периодов в широком спектре природных и технических систем. Описан характер генетической изменчивости у P. pica, с Европы, Дальнего Востока, Японии, Кореи и Тайваня. Выполнен анализ биоакустических параметров сигналов P. pica в сравнении с генетическими результатами. Определены механизмы изоляции у близкородственных Acrocephalus dumetorum и Acrocephalus orinus.

На основе созданной базы данных и найденных правил узнавания белком специфических участков ДНК могут быть спроектированы лекарственные средства для лечения генетических заболеваний.

Российскому предприятию, производящему приборы медицинского назначения, отправлены в рамках конкурса ИДЕЯ-2016 значения эффективных частот для магнитотерапии и УВЧ-терапии, полученные в результате изучения универсальной системы утраивающихся периодов.

(ИТЭБ РАН, д.ф.-м.н. Полозов Р.В.)

Разработан новый высокоэффективный биомиметический подход к созданию материалов с выраженным остеогенным, ангиогенным и гемопоэз-индуцирующим потенциалом

Разработан инновационный способ получения костно-замещающих материалов, основанный на биомиметическом осаждении (реминерализации) на поверхность деминерализованных костно-коллагеновых матриц с интактной природной ультраструктурой (ДКМ) низкотемпературных прекурсоров гидроксиапатита (ДКМ+КФС) в присутствии сывороточного альбумина (ДКМ+КФС+БСА). Материалы имплантировались экспериментальным животным в условия внекостного микроокружения (под кожу) для оценки их истинного остеогенного потенциала. Результатом данного подхода стал выраженный и не имеющий аналогов результат, свидетельствующий о выраженном ангиогенном и остеогенном свойствах полученных композитных материалов, заключавшимся не только в ускоренном эктопическом образовании и минерализации полноценной неокостной ткани и формировании зрелой сосудистой сети (рис. 1в, е, ж), но и формировании в межтрабекулярном пространстве полноценного костного мозга de novo (рис. 1а, б, г, д) с гемопоэтической (кровеообразующей) активностью. Предложенный подход может быть с успехом использован при производстве биоактивных материалов для спинальной хирургии или хирургической коррекции объемных дефектов костной ткани, поскольку такие материалы могут одновременно быть как эффективным остеогенным каркасом, так и источником клеток-предшественниц.

Рисунок 1 – Гистологический и количественный анализ материалов группы ДКМ + КФС+ БСA. (А-В) – окрашивание H&E и трихром по Лилли; (Г) – сравнительный анализ количества эритроидных островков и (Д) соответствующий коэффициент Хеджеса; (Е) – сравнительный анализ количества вновь новообразованных сосудов и (Ж) соответствующий коэффициент Хеджеса. Коэффициент Хеджеса g ≥ 0,80 указывает на выраженный эффект. * – p < 0,05. ** – p < 0,01. ДИ — доверительный интервал.

Организации: Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, совместно с Институтом металлургии и материаловеденья им. А.А. Байкова РАН.

Руководители: в.н.с., зав. лаб. ИТЭБ РАН, к.б.н. Фадеева И.С., н.с. ИМЕТ РАН, к.т.н. Тетерина А.Ю.

Авторы: Минайчев В.В., Тетерина А.Ю., Смирнова П.В., Меньших К.А., Сенотов А.С., Кобякова М.И., Смирнов И.В., Пятина К.В., Краснов К.С., Фадеев Р.С., Комлев В.С., Фадеева И.С.

Minaychev V.V., Teterina A.Y., Smirnova P.V., Menshikh K.A., Senotov A.S., Kobyakova M.I., Smirnov I.V., Pyatina K.V., Krasnov K.S., Fadeev R.S., Komlev V.S., Fadeeva I.S. Composite Remineralization of Bone-Collagen Matrices by Low-Temperature Ceramics and Serum Albumin: A New Approach to the Creation of Highly Effective Osteoplastic Materials. J. Funct. Biomater. 2024, 15, 27.

Была выдвинута и подтверждена гипотеза о существовании двух функционально отличных субпопуляций раковых липидных гранул: одна из которых действует внутри раковых клеток и формируется уже на стадии её деления; а вторая попадает во внеклеточное микроокружение с поверхности раковой клетки, тем самым локально повышая уровень внеклеточных липидов, способных подавлять противоопухолевый иммунный ответ. Используя такой двойной защитный механизм, агрессивные раковые клетки приобретают дополнительные преимущества для своего выживания и роста. Способность раковых клеток самим быть источником внутри- и внеклеточных липидов позволила создать метаболическую модель, иллюстрирующую двойные преимущества, которые при этом получают раковые (но не иммунные) клетки, а также выявить потенциальные мишени для коррекции этого патологического состояния (ИТЭБ РАН, д.б.н. П.М. Шварцбурд)

Результаты опубликованы в журнале Cancer communication: Polina Schwartsburd. Lipid droplets: could they be involved in cancer growth and cancer–microenvironment communications? Cancer Communications.2022;42:83–87. https://doi.org/10.1002/cac2.12257

Схема. Модель метаболических взаимодействий между раковыми клетками, их микроокружением и иммунными клетками. Раковые липидные гранулы участвуют в повышении уровня липидов в раковом микроокружении, содействуя снижению противоопухолевого иммунного ответа.

Установлено, что конденсация флавоноидов с токсичными карбонильными соединениями приводит к формированию продуктов, проявляющих высокую антиоксидантную активность. Обнаружены новые эффективные люминофоры, на основе 3-аминопиридонов, которые могут быть использованы для разработки чувствительных методов детекции пероксида водорода и модификации методик ИФА (ИТЭБ РАН, к.б.н. Шаталин Ю.В.)

Результаты опубликованы в журналах Antioxidants и Dyes and Pigments:

1. Shubina V.S., Kozina V.I., Shatalin Y.V. Comparison of Antioxidant Properties of a Conjugate of Taxifolin with Glyoxylic Acid and Selected Flavonoids. Antioxidants, 2021, 10, 1262. 10.3390/antiox10081262.

2. Shatsauskas A., Shatalin Y., Shubina V., Zablodtskii Y., Chernenko S., Samsonenko A., Kostyuchenko A., Fisyuk A. Synthesis and application of new 3-amino-2-pyridone based luminescent dyes for ELISA.  Dyes and Pigments. 2021; 187:109072. 10.1016/j.dyepig.2020.109072.

Рис 2. Взаимосвязь между структурой и антиоксидантной активностью исследуемых полифенолов. Структура нового класса редокс чуствительных люминофоров

Разработаны и исследованы новые керамические биоматериалы на основе наноразмерных железозамещенных гидроксиапатитов, двухфазной керамики, содержащей α- и β- модификации трикальцийфосфата (ТКФ) и биоактивные керамические покрытия на основе ТКФ с включением марганца, нанесенные на поверхность  титана  методом дугового плазменного напыления. Продемонстрированы хорошая адгезия, распластывание  и высокая пролиферативная активность стволовых клеток пульпы зуба человека на поверхности металлзамещенных гидроксиаппатитов. Выявлено снижение пролиферативной активности клеток пульпы зуба на поверхности двухфазной α, β-трикальцийфосфатной керамики, обусловленное изменением морфологии поверхности (образованием пластинчатого кристаллического слоя). Разработанные биоматериалы и покрытия перспективны для увеличения биосовместимости и интеграционных характеристик костных имплантатов в ортопедии и стоматологии. (ИТЭБ РАН, Давыдова Г.А., Селезнева И.И.)

1. Fadeeva I.V., Selezneva I.I, Davydova G.A., Fomin A., Gafurov M.,  Barinov S.M., Poltavtsev A.V., Davydova I.B.,Zaraisky E.I., Poltavtseva R.A.  Nanosized iron-substituted hydroxyapatites // IOP Conference Series Materials Science and Engineering 747, 2020, 012066.

2. T.V. Safronova, I.I. Selezneva, S.A. Tikhonova, A.S. Kiselev, G.A. Davydova, T.B. Shatalova, D.S. Larionov, J.V. Rau. Biocompatibility of biphasic α,β-tricalcium phosphate ceramics in vitro// Bioactive Materials, Volume 5, Issue 2, June 2020, Pages 423-427.

3. I. V. Fadeeva, V. I. Kalita, D. I. Komlev, A. A. Radiuk , A. S. Fomin, G.A. Davidova, N. K. Fursova , F. F. Murzakhanov, M. R. Gafurov , M.  Fosca, I. V. Antoniac, S.M. Barinov, J. V. Rau. In Vitro Properties of Manganese-Substituted Tricalcium Phosphate Coatings for Titanium Biomedical Implants Deposited by Arc Plasma// Materials (Basel), 2020, Oct 3; 13(19):4411.

Изображения стромальных стволовых клеток пульпы зуба, культивируемых в течение 2 суток на поверхности материалов: TКФ (A, B); Mn-TКФ (C, D). Псевдоподии показаны стрелками.

Выполняется разработка средств комбинационной противоопухолевой терапии, используя сочетание известных препаратов, а именно витамина B12b с препаратом диэтилдитиокарбамат (DDC), родственным антиалкогольному препарату Диакарб. Обнаружено, что витамин B12b и DDC, добавленные в нетоксических концентрациях, вызывают гибель опухолевых клеток, что может быть положено в основу разработки препарата для комбинационной противоопухолевой терапии. Оба эти препарата давно применяются в медицине и обладают минимальными нежелательными побочными эффектами, что облегчает дальнейшее исследование действия их комбинации. (ФГБУН Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук (ИТЭБ РАН), Соловьева М.Е., Шаталин Ю.В., Соловьев В.В., Сазонов А.В., Кутышенко В.П., Акатов В.С.)

a

 b

Рис.1. Усиление токсического действия диэтилдитиокарбамата витамином B12b. Черные столбики – выживаемость опухолевых клеток при 48-ч инкубации с 1 мМ DDC, белые столбики– снижение числа живых клеток при добавлении В12b совместно с DDC (а). Вакуолизация клеток А549 (стрелками указаны вакуоли) при 5-ч инкубации с DDC+B12b, предшествующая их гибели (b).

 Результаты опубликованы в журнале Redox Biology: Solovieva ME, Shatalin YV, Solovyev VV, Sazonov AV, Kutyshenko VP, Akatov VS. Hydroxycobalamin catalyzes the oxidation of diethyldithiocarbamate and increases its cytotoxicity independently of copper ions. Redox Biology, 2019, 20, pp. 28-37. IF = 7.793

Показано участие сигнальных каскадов транскрипционного фактора NF-kB и сигнального комплекса 1 белка mTOR (TORC1) в приобретении устойчивости лейкозных клеток к рецептор-опосредованному апоптозу и к лекарственным препаратам в многоклеточных структурах.

Показано, что ингибирование только группы антиапототических белков семейства Bcl-2 – Bcl-2, Bcl-XL, Bcl-w, Bfl-1 и Mcl-1 существенно подавляет устойчивость лейкозных клеток к TRAIL-опосредованному апоптозу и апоптозу индуцированному ингибиторами топоизомераз в многоклеточных структурах.

Показаны специфические различия в скорости пролиферации предсердных и желудочковых фибробластов человека (ЖФЧ), при этом показано симвастатин-опосредованное ингибирование пролиферации ЖФЧ через HMG-CoA-редуктазный путь, обратимо снимаемое добавлением мевалоновой кислоты.

(ИТЭБ РАН, д.ф.-м.н., проф. Акатов В.С.

Наночастицы оксида церия, модифицированные пирролохинолинхиноном, проявляют избирательную цитотоксичность при рентгеновском облучении

В работе было показано, что наночастицы CeO₂@PQQ оказывают избирательное цитотоксическое действие на клетки аденокарциномы молочной железы мыши EMT6/P в сочетании с рентгеновским облучением, при этом защищают нормальные клетки фибробластов мыши L929. В нормальных клетках наночастицы способствовали восстановлению митохондриальной функции и уровня антиоксидантов, тогда как в раковых клетках наночастицы способствовали снижению уровня глутатиона и мембранного митохондриального потенциала. В соответствии с рисунком 1 наночастицы CeO₂@PQQ увеличивают образование микроядер, маркера повреждения ДНК, в раковых клетках EMT6/P после рентгеновского облучения. Таким образом можно предполагать, что наночастицы могут усиливать повреждения ДНК в раковых клетках, вызванных ионизирующим излучением. Результаты исследования предполагают, что наночастицы CeO₂@PQQ могут играть ключевую роль в разработке более эффективных и безопасных методов терапии онкологических заболеваний из-за избирательного токсического воздействия наночастиц на раковые клетки и защитного действия в отношении нормальных клеток.

Рисунок 1 – Количество микроядер L929 (A) и EMT6/P (B) после инкубации с CeO₂@PQQ, CeO₂ NP и PQQ в концентрации 2 мкМ. Показаны репрезентативные изображения ядер клеток и микроядер, окрашенных DAPI (желтая стрелка указывает на микроядро) (C). Здесь 0 Гр соответствует группам, которые не подвергались облучению, тогда как 5 Гр соответствует группам, которые подвергались облучению рентгеновским излучением в дозе 5 Гр. Данные показаны как M ± SD и были проанализированы с использованием t-критерия Уэлча (n = 5) (** p < 0,0051, *** p < 0,001 против необлученного контроля; ### p < 0,001 против облученного контроля)

Организации: Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

Руководитель: в.н.с., зав. лаб. ИТЭБ РАН, к.б.н. Попова Н.Р.

Авторы: Замятина Е.А., Горячева О.А., Попов А.Л., Попова Н.Р.

Zamyatina, E.A.; Goryacheva, O.A.; Popov, A.L.; Popova, N.R. Novel Pyrroloquinoline Quinone-Modified Cerium Oxide Nanoparticles and Their Selective Cytotoxicity Under X-Ray Irradiation. Antioxidants 2024, 13, 1445.

Ультралокальный термодинамический контроль электрофизиологических процессов в живых клетках – новые фундаментальные возможности в физиологии клетки.

В представленной работе впервые создана экспериментальная установка ПЭТЧ КЛАМП, совмещенная с полностью оптическим ультралокальным контролем температуры в микро- и нанообъемах живой клетки. Оптический контроль температуры осуществлялся с помощью синтезированных  графитизированных  нано/микро алмазов с кремний вакантными центрами окраски – сенсорами температуры. Алмазы были закреплены в кончике стеклянной микропипетки. Графитная оболочка алмаза позволяла разогревать алмаз с помощью настраиваемой мощности лазера 640нм. Тот же лазер осуществлял возбуждение кремний вакантных центров окраски алмаза. По смещению нулевой фононной линии (частота 738нм) определялась температура алмаза. Алмаз предварительно калибровался и по нагреву, и по температуре. Таким образом, нано/микро размерный алмаз работал в режиме как нагревателя-термометра при мощности лазера более 1 мВт,– измеряя свою собственную температуру, которая на микронных расстояниях от алмаза в водной среде резко спадала до базовой температуры раствора. При низкой мощности лазерного возбуждения (менее 1 мВт), алмаз не разогревался, оставаясь способным измерять температуру внешней среды. Схема прибора и микрофотографии приведены на рисунке 1.

Данный подход впервые позволяет осуществлять воздействие ультралокальных температурных профилей температуры на электрофизиологические процессы в живой клетке. Эта работа впервые включает температуру в привилегированный ряд ультралокальных параметров электрохимического потенциала, наряду с контролем электрического потенциала клеточной мембраны и внутриклеточных концентраций ионов кальция и других ионов.    

Рисунок 1: а) Схема оптической установки,  в) наноалмаз на кончике микропипетки,  с) калибровка разогрева наноалмаза по мощности лазера, d) протокол подачи тепловых ступенек на алмаз, е-f) экспериментальная конфигурация с живыми клетками  – пипетка ПЭТЧ КЛАМП слева, пипетка с наноалмазом справа.

Организации: Институт общей физики РАН, Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН

Авторы: Ромшин А.М., Асеев М.А., Иджилова О.С., Корягина А.А., Цееб В.Э., Власов И.И., Балабан П.М.

Romshin A., Aseyev N., Idzhilov O., Koryagina А., Zeeb V., Vlasov I., Balaban P.  Rapid neurostimulation at the micron scale with an optically controlled thermal-capture technique.  Biomater Sci, 2024 Nov 12

Были проанализированы данные, позволяющие показать, каким образом уникальные фундаментальные свойства белка бактериородопсина могут быть использованы для создания различного рода практических устройств, в частности устройств для записи, обработки и хранения оптической информации. В работе представлен обзор светочувствительных систем на основе бактериородопсина. Кратко даны современные представления о бактериородопсине и его свойствах, о фотоцикле его превращений. Показаны возможности и пути модификаций бактериородопсина, в частности, такие, как дегидратация, модификация с использованием химических добавок, изменение первичной последовательности белка с использованием генетических методов, замена хромофора его синтетическими аналогами. Такие модификации могут оптимизировать использование бактериородопсина для создания светочувствительных регистрирующих сред. Рассмотрены возможности использования полимерных плёнок на основе бактериородопсина не только как фотохромного материала для многократной записи, но и как материала для однократной записи и постоянной памяти (так называемого write-once recording material). Несмотря на то, что данный тип памяти и обработки информации уже считается экзотическим, описанные в работе свойства могут быть предпосылками к созданию уникальных светочувствительных гибридных технических устройств, в которых бактериородопсин является не единственным биологическим элементом.

Результаты опубликованы в журнале Journal of Photochemistry & Photobiology, C: Photochemistry Reviews: Druzhko Anna B. Some Aspects of Using the Fundamental Properties of Bacteriorhodopsin for Recording, Processing, and Storage of Optical Information. Journal of Photochemistry & Photobiology, C: Photochemistry Reviews, 56 (2023) 100620 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1389556723000515?dgcid=rss_sd_all IF 13,6

.  

Рис. 1                                                                                    Рис. 2

Рис. 1 Схематическое изображение пленки Биохром

Рис. 2 Изображение, полученное проецированием негативного трафарета на пленку «Биохром» с помощью желтого света

Полиэлектролитные микрокапсулы (ПМК) используют в разработке систем адресной доставки, самовосстанавливающихся покрытий, диагностических и тераностических систем. Состояние протонирования подобных сложных систем может влиять как на структуру самой системы, так и на инкапсулированные вещества. Была выдвинута и подтверждена гипотеза о том, что буферные свойства микрокапсул определяются нескомпенсированными участками полиаллиламина (ПАА) в их составе. Установлено, что буферная емкость капсул имеет нелинейный рост с увеличением количества слоев оболочки ПМК. Выявлена зависимость буферной емкости ПМК в зависимости от их ионного окружения и температуры инкубации. Установлено, что ПМК разрушаются в растворе додецилсульфоната натрия (ДСН). Причиной разрушения микрокапсулы может быть электростатическое взаимодействие молекул ДСН с некомпенсированным участком ПАА, что приводит к разрушению ПМК. Полученные данные могут быть использованы для разработки систем адресной доставки и пролонгированного высвобождения веществ. На основе полученных данных разработана диагностическая система для быстрого, дешевого и высокоселективного качественного и полуколичественного определения ДСН. (ИТЭБ РАН, к.б.н. С.А. Тихоненко)

Результаты опубликованы в журналах International Journal of Molecular Sciences и Scientific Reports:

·         Alexey V. Dubrovskii et all. A Study of the Buffer Capacity of Polyelectrolyte Microcapsules Depending on Their Ionic Environment and Incubation Temperature. // Int. J. Mol. Sci. 2022, 23(12), 6608;

Egor V. Musin et all.  A Study of the Buffer Capacity of Polyelectrolyte Microcapsules Depending on Their Concentration and the Number of Layers of the Polyelectrolyte Shell // Int. J. Mol. Sci. 2022, 23(17), 9917;

Kim, A.L., Musin et all. Qualitative and quantitative methods detection of SDS based on polyelectrolyte microcapsules.// Sci Rep 12, 232 (2022).

Alexey V. Dubrovskii et all. Destruction of polyelectrolyte microcapsules and release of FITC-dextran from them by the influence of sodium dodecyl sulfonate // Sci Rep 12, 4032 (2022).

Подписи к рисункам: I. - Разрушение микрокапсул при помощи ДСН; II. - Качественная и количественная система анализа ДСН на основе микрокапсул

Разработка эффективных систем молекулярной диагностики и адресной доставки лекарств является одним из перспективных решений в терапии социально-значимых заболеваний. В данной работе нами показана возможность эффективной инкапсуляции люциферазы в биодеградируемые полиэлектролитные микрокапсулы, модифицированные терапевтически активными наночастицами диоксида церия. Показано, что модификация микрокапсул цитрат-стабилизированными наночастицами диоксида церия обеспечивает сохранение высокой активности инкапсулированного белка при воздействии повреждающего агента - перекиси водорода. Такая структура микрокапсулы позволяет обеспечить сохранность инкапсулированного вещества в агрессивных условиях окружения, а также обеспечить его пролонгированное высвобождение из нее. Использование редокс-активных наночастиц в структуре микрокапсул позволит создать новые диагностические и терапевтические препараты для эффективного лечения и диагностики широкого ряда социально-значимых заболеваний. (ИТЭБ РАН, Попов А.Л.)

Результаты опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces serves:

Popov A., Popova, N., Gould D., Shcherbakov A.; Sukhorukov G.; Ivanov V. Ceria nanoparticles-decorated microcapsules as a smart drug delivery/protective system: Protection of encapsulated P. pyralis luciferase» ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 17, 14367-14377

Модифицирован и принципиально улучшен метод иммунохимического анализа на микрочипах, позволяющий обнаруживать белковые биомаркеры в фемтограммовых количествах. Этот качественный иммунохимический анализ был превращен в количественный метод путем: (i) использования параллельного титрования аналитов с помощью измерения ответного сигнала в серии разбавлений образца с увеличением концентрации анализируемого вещества, (ii) внутренней нормализацией сигнала по отношению к сигналу положительного контроля на том же микрочипе и (iii) проведения измерений в линейном диапазоне калибровочной кривой при концентрациях аналита, близких к пределу обнаружения.Метод может стать основой новой неинвазивной диагностики легочных заболеваний (напр. туберкулеза) путем анализа выдыхаемого воздуха на предмет присутствия антигенов и специфических для них антител (ИТЭБ РАН, д.ф-м.н. Морозов В.Н.).

Схема количественного ультрачувствительного иммуноанализа иммуноглобулинов, специфичных к антигенам M. tuberculosis

Результаты опубликованы в журнале Analytica Chimica Acta, , импакт-фактор 4.95.

Shlyapnikov Y.M., Morozov V.N. Titration of trace amounts of immunoglobulins in a microarray-based assay with magnetic labels. Anal.Chim.Acta 2017, 966, 47-53.

Изготовлен образец мультиферментных сенсоров и микрореакторов, предсталяющий собой комбинацию противоположно заряженных полиэлектролитных слоев и микрокапсул с ферментом. Исследованы возможности мультиферментных систем, определяющих вещества в биологических жидкостях (кровь, моча). Разработана и протестирована программа для численного отображения определяемых концентраций двух метаболитов крови.

 (ИТЭБ РАН, к.б.н. Фомкина М.Г.).

Разработан новый экспериментальный и теоретически обоснованный метод in vitro оценки свойств остеопластических материалов, успешно заменяющий их имплантацию лабораторным животным

Впервые продемонстрировано, что использование простой смеси среды ДМЕМ и фетальной бычьей сыворотки в условиях инкубации в авторском биореакторе перфузионно-диффузионного типа, обеспечивающем снятие ограничений массообмена и массопереноса в зоне контакта материала с жидкой средой и воспроизведение естественного потока крови/межтканевой жидкости, в отличие от общепринятой SBF-модели, позволяет воспроизвести in vitro физико-химические изменения, происходящие с кальций-фосфатным материалами при их имплантации в организм (рис. 1). В условиях организма реализуется сложное двустороннее взаимодействие «материал-среда», выражающееся в высвобождении ионов кальция и фосфат-ионов в жидкие среды организма, адсорбции аминокислот и белков поверхностью материала, фазовыми превращениями (например, дикальцийфосфат дигидрата (ДКФД) в октакальций фосфат (ОКФ)), что значительно сказывается на процессе регенерации костного дефекта. В работе данные процессы были описаны математически в терминах химической кинетики, что позволяет численно оценить влияние каждого процесса на общую картину остеоинтеграции костных имплантатов in vivo. Таким образом, разработанный метод позволяет сократить количество экспериментов на животных и соответствует международному принципу 3R (Replacement, Reduction, Refinement) и может стать шагом на пути к персонализированной медицине, основанной на биохимии и истории болезни пациента, с использованием численного моделирования и/или экспериментальных методов и подбором оптимальной лекарственной терапии или имплантатов.

Рисунок 1 – Схема эксперимента: (а) метод синтеза; (б) характеристики используемых сред: распределение ионных форм в SBF и в 90% DMEM + 10% ФБС; (в) схема Модели I и используемые методы анализа; (г) схема Модели II и используемые методы анализа; (д) схема эксперимента in vivo и используемые методы анализа; (е) внешний вид биореактора и распределение скоростей в культуральной ячейке.

Организации: Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН совместно с

Руководители: н.с. ИМЕТ РАН, к.т.н. Тетерина А.Ю., в.н.с., зав. лаб. ИТЭБ РАН, к.б.н. Фадеева И.С.

Авторы: Шлыков М.А., Смирнова П.В., Сенотов А.С., Тетерина А.Ю., Минайчев В.В., Смирнов И.В., Новиков Р.А., Марченко Е.И., Салынкин П.С., Комлев В.С., Фадеев Р.С., Фадеева И.С.

Shlykov M.A., Smirnova P.V., Senotov A.S., Teterina A.Y., Minaychev V.V., Smirnov I.V., Novikov R.A., Marchenko E.I., Salynkin P.S., Komlev V.S., Fadeeva I.S. Comparative Evaluation of Mathematical Model and In Vivo Study of Calcium Phosphate Bone Grafts. J. Funct. Biomater. 2024, 15(12), 368.

 Среди различных стратегий разработки лекарств переориентация существующих лекарств против новых заболеваний является многообещающим подходом, поскольку они уже прошли доклинические и клинические испытания и хорошо изучены с точки зрения безопасности и побочных эффектов.

В работе был протестирован препарат Тамерон (мононатриевый α-люминол или натриевая соль 5-амино-2,3-дигидро-1,4-фталазиндиона ) - это новый непатентованный препарат, также известный как Галавит, или MP1032. Учитывая эффективные результаты, достигнутые Тамероном в качестве противовирусного, иммуномодулирующего и противовоспалительного средства с антиоксидантным механизмом действия, было принято решение продолжить изучение его роли в качестве потенциального антиоксиданта и радиозащитного средства.

В качестве экспериментальной модели были выбраны плоские черви планарий – беспозвоночные животные с чрезвычайно высокой способностью к регенерации, поскольку их организм богат стволовыми клетками - необластами (до 30%). Эти клетки наделяют тело планарии практически неограниченным регенеративным потенциалом, позволяя им заменять недостающие части тела или даже регенерировать целого червя из небольшого фрагмента тела. Облучение планарий сублетальными дозами рентгеновского излучения, сохраняющими часть необластов с потенциалом для дальнейшей регенерации, является основой нашей экспериментальной модели (рис.1).

В ходе исследования Тамерон зарекомендовал себя как новый мощный радиопротектор и антиоксидант, значительно повышающий скорость регенерации у планарий, поврежденных окислительным стрессом, вызванным рентгеновскими лучами или менадионом, и защищающий митотическую активность необластов (рис. 2), одновременно модулируя характер экспрессии генов-маркеров необластов и генов-маркеров окислительного стресса, контролируемых NRF-2.

Результаты опубликованы в журнале Antioxidants (Basel): Tsarkova E., Filippova K., Afanasyeva V., Ermakova O., Kolotova A., Blagodatski A., Ermakov A. A Study on the Planarian Model Confirms the Antioxidant Properties of Tameron against X-ray- and Menadione-Induced Oxidative Stress. Antioxidants (Basel). 2023 Apr 18;12(4):953. doi: 10.3390/antiox12040953. IF 7

Продолжительная гипергликемия (повышение сахара в крови) при сахарном диабете вызывает множественные нарушения клеток, центральными из которых являются митохондриальная дисфункция и окислительный стресс. Между митохондриями и всей остальной частью клетки происходит постоянный обмен веществами, который обеспечивают «встроенные» в мембрану митохондрий белки-транспортеры семейства VDAC. При сахарном диабете в ряде клеток их число увеличивается, и это приводит к тому, что из митохондрий в избыточном количестве начинают выходить активные формы кислорода и сигнальные молекулы, вызывающие программируемую клеточную гибель. Поэтому было предположено, что, частично заблокировав работу белков VDAC1, удастся бороться с негативными последствиями гипергликемии. Продемонстрировано, что в условиях гипергликемического стресса в первичных культурах эндотелиоцитов легких мышей и фибробластов кожи человека развивается митохондриальная дисфункция и окислительный стресс. Все это приводит к снижению жизнеспособности клеток. Инкубация эндотелиоцитов с VBIT-4, ингибитором олигомеризации VDAC, приводит к подавлению митохондриальной дисфункции окислительного стресса. Снижение уровня экспрессии VDAC1 в фибробластах кожи человека с помощью генно-инженерной технологии CRISPR/Cas9 приводит к менее выраженному проявлению признаков митохондриальной дисфункции и окислительного стресса при гипергликемии. Эти результаты подтверждают участие VDAC1 в механизмах повреждения клеток при гипергликемии и позволяет рассматривать ингибиторы данных молекулярных транспортеров в качестве потенциальных лекарственных средств для комплексной терапии диабета.

Результаты опубликованы в журнале Antioxidants (Basel): Belosludtsev, K.N.; Serov, D.A.; Ilzorkina, A.I.; Starinets, V.S.; Dubinin, M.V.; Talanov, E.Y.; Karagyaur, M.N.; Primak, A.L.; Belosludtseva, N.V. Pharmacological and Genetic Suppression of VDAC1 Alleviates the Development of Mitochondrial Dysfunction in Endothelial and Fibroblast Cell Cultures upon Hyperglycemic Conditions. Antioxidants 2023, 12, 1459. https://doi.org/10.3390/antiox12071459 IF 7

Рисунок 1. Схематическая иллюстрация, демонстрирующая негативные эффекты гипергликемии на митохондрии и обращение вспять этих эффектов с помощью фармакологического или генетического подавления белковых каналов VDAC1.

Впервые показано, что при хронической гипераммониемии, вызванной портокавальным шунтированием, накопление аммиака в разных отделах мозга животных связано с активацией аммиак-образующих реакций, которые, независимо от его концентрации в крови, вносят самостоятельный вклад в развитие судорожных приступов и комы. Также выявлена прямая корреляция между концентрацией аммиака в несинаптических митохондриях мозга и скоростью образования супероксидного радикала, инициирующего развитие окислительного стресса. Кроме того, показано, что мозжечок (в отличие от гиппокампа, стриатума, неокортекса) наиболее чувствителен к аммоний-индуцированному окислительному стрессу. Полученные результаты указывают на фундаментальные отличия механизмов регуляции гомеостаза аммиака в разных отделах мозга и приближают к пониманию причин дегенерации и гибели нейронов мозжечка, наблюдаемой при заболеваниях, сопровождающихся хронической гипераммониемией (ИТЭБ РАН, д.б.н. Косенко Е.А.).

Роль митохондрий мозжечка в развитии окислительного стресса под воздействием аммиака, образующегося в мозге при портокавальном шунтировании (ПКШ – портокавальное шунтирование; O2•− – супероксидный радикал; NOС – NO-синтаза; Mn2+-СОД – Mn2+-форма супероксиддисмутазы)

Результаты опубликованы в журнале Free Radical Biology & Medicine, импакт-фактор 5.8.

Kosenko E.A., Tikhonova LA, Alilova GA, Montoliu C, Barreto GE, Aliev G, Kaminsky YG. Portacaval shunting causes differential mitochondrial superoxide production in brain regions. Free Radic Biol Med. 2017, 28 (113), 109-118.

Несмотря на многолетние усилия, до сих пор не разработаны способы предотвращения или замедления процесса развития приобретенной эпилепсии в группах риска, указывая на недостаточное понимание механизмов эпилептогенеза. Приобретенная эпилепсия может возникнуть в результате ряда патогенных воздействий на мозг (инсульты, травмы и т.д.) или неврологических заболеваний с широким этиологическим разнообразием. Это означает, что, несмотря на разнообразие, все эти инициирующие патологии влияют на одни и те же фундаментальные функции мозга, лежащие в основе сетевой возбудимости. Выявление этих механизмов и их терапевтической доступности необходимы для разработки эффективной стратегии предотвращения и терапии эпилептогенеза. Нами представлена гипотеза, основанная на многочисленных экспериментальных фактах, о ключевой роли окислительного стресса, опосредованного НАДФН-оксидазой, и гипометаболизма глюкозы в нервной ткани в инициации эпилептогенеза и судорожной активности, а также представлен новый взгляд на механизмы возникновения приобретенной эпилепсии и определены мишени для потенциальных терапевтических воздействий. (ИТЭБ РАН, к.б.н. И.Ю. Попова).

Результаты опубликованы в журнале Trends in Pharmacological Sciences: Yuri Zilberter, IrinaPopova, MishaZilberter. Unifying mechanism behind the onset of acquired epilepsy. Trends Pharmacol Sci, 2021 Dec 6; S0165-6147(21)00226-1.
Статья удостоена чести быть представленной на обложке журнала.

На схеме представлена взаимосвязь между окислительным стрессом, гипометаболизмом глюкозы и судорогами при приобретенной эпилепсии.

Гиппокамп играет критически важную роль в процессах внимания и памяти. При обработке новой информации мозгом в гиппокампе наблюдается тета-ритм, – колебания потенциала с частотой от 4 до 12 Гц. Была предложена математическая модель нейронной сети одной из областей гиппокампа (поля СА1) в режиме генерации тета-ритма. Модель учитывает основные нейронные группы гиппокампа и приход сигналов по внешним входам. В вычислительных экспериментах модель воспроизводит параметры синхронизации нейронных популяций и основные электрофизиологические характеристики тета-ритма, описанные в экспериментальной литературе. Полученные результаты позволяют сделать выводы о вкладе внешних входов и нейронов поля СА1 в формирование колебаний потенциала. В частности, было показано, что возбуждающий вход в поле СА1 от другой области гиппокампа, поля СА3 играет наиболее важную роль в генерации тета-ритма. Следует отметить, что предложенная модель позволяет не только воспроизводить характеристики тета-ритма, но и указывает, между какими нейронными группами гиппокампа и в какое время происходит передача информации.
Результаты опубликованы: Mysin I.E., Kitchigina V.F., Kazanovich Y.B. Phase relations of theta oscillations in a computer model of the hippocampal CA1 field: Key role of Schaffer collaterals. Neural Network. 2019, 116, 119-138. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0893608019301029?via%3Dihub

В работе продолжен цикл работ по исследованию механизмов развития эпилепсии как одного из самых распространенных и гетерогенных неврологических расстройств. Снижение потребления глюкозы в мозге является ранним распространенным симптомом всех основных нейродегенеративных заболеваний, включая приобретенную эпилепсию. Однако механизмы такого ингибирования метаболизма глюкозы остается неясной. В работе мы показали, что судорожная активность приводит к окислительному стрессу в нервной ткани, за которым следует быстрое и длительное ингибирование потребления глюкозы. Таким образом, судороги поддерживают и усугубляют гипометаболизм глюкозы в головном мозге, создавая петлю положительной обратной связи. В рабое показано, что для остановки такого патологического цикла необходима нормализация метаболизма глюкозы в мозге, например, с помощью экзогенных энергосубстратов. Настоящее исследование может стать основой для эффективной терапии судорожных расстройств. Работа проводилась в рамках международного сотрудничества с Отделением 751 Национального института здоровья и медицинских исследований Франции (INSERM UMR1106, Institut de Neurosciences des Systèmes, Aix-Marseille University, Marseille, France). (ИТЭБ РАН, к.б.н. Мальков А.Е.)

Снижение потребления глюкозы после индукции судорожных разрядов в переживающих срезах мозга экспериментальных животных.
А) Экстраклеточная концентрация глюкозы, измеренная с помощью полярографического сенсора в поле CA1 гиппокампа. После снятия контрольных ответов на электрическую стимуляцию коллатералей Шаффера (10Гц 30с 120mkA) апплицировали 4-AP и индуцировали судорожные разряды. После продолжительного, не менее 40 мин, отмыва, регистрировали ответы на контрольную стимуляцию. Потребление глюкозы существенно снижалось. После добавления в среду пирувата (5 мМ) потребление глюкозы восстанавливалось до контрольных значений.
Б,В) Изменение экстраклеточной концентрации глюкозы и парциального давления кислорода в ответ на стимуляцию. Контрольные ответы показаны черным, ответы на стимуляцию после отмыва 4-аминопиридина показаны красным, синим продемонстрированы изменения после добавления пирувата. В отличие от пирувата, антиоксидант темпол (отмечен зеленым) не оказывал восстанавливающего действия на потребление глюкозы.

Результаты опубликованы в журнале Neurobiology of Disease:
Malkov A, Ivanov AI, Buldakova S, Waseem T, Popova I, Zilberter M, Zilberter Y. Seizure-induced reduction in glucose utilization promotes brain hypometabolism during epileptogenesis. Neurobiol Dis. 2018 Aug;116:28-38. doi: 10.1016/j.nbd.2018.04.016.

 Исследование нейропротекторного действия антивоспалительного цитокина ИЛ-10 на индуцируемые гипоксией повреждения нейронов показало, что в отличие от клеток иммунной системы, свое протектирующее действие ИЛ-10 в нейронах реализует без участия внутриклеточного сигнального пути PI3K/Akt. Тем самым подтверждается неканоническое действие этого интерлейкина на нейроны, указывая на необходимость определения других внутриклеточных посредников эффектов ИЛ-10.

В условиях эксайтотоксического повреждения нейронов гиппокампа, вызванного каинатом, показана реципрокная зависимость между активностью метаботропных рецепторов глутамата (мГлуР) и уровнем их экспрессии. Это позволяет прогнозировать эффективность применения лигандов для пре-и постсинаптических мГлуР в качестве нейропротекторов в условиях глутаматной эксайтотоксичности.

(ИТЭБ РАН, д.б.н. Архипов В.И.)

При изучении изоформного состава и функциональных свойств мышечных белков в норме, при адаптационных и патологических процессах с помощью набора методов, включающих флуоресцентный анализ, спектрофотометрию, круговой дихроизм, динамическое светорассеяние, рентгеновскую дифракцию, конфокальную, электронную и атомно-силовую микроскопию показано, что гигантский белок тайтин/титин поперечно-полосатых и гладких мышц формирует in vitro амилоидные агрегаты. Выявлен токсический эффект амилоидов тайтина на культуре гладкомышечных клеток. Полученные результаты указывают на возможное участие тайтина в формировании цитотоксичных агрегатов in vivo при развитии амилоидозов.

(ИТЭБ РАН, д.б.н., Вихлянцев И. М.)