Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of RAS
ru ИТЭБ (en)

Основные достижения Института

Получение штаммов суперпродуцентов мутантных форм никазы BspD6I. Работа была направлена на изучение нового феномена - синтеза ДНК-полимеразой новой генетической информации из свободных dNTP (синтез ДНК ab initio). Разработан способ предотвращения кальцификации и дегенерации трансплантатов сосудов и клапанов сердца. Были клонированы и синтезированы рекомбинантные белки особо опасных патогенов и получены моноклональные антитела к ним.

Программа фундаментальных научных исследований Президиума РАН "Фундаментальные исследования для разработки медицинских технологий"

Проект «Разработка тканеинженерных некальцифицирующихся биоматериалов для протезирования и реконструкции в сердечно-сосудистой хирургии».

За счет модифицированного авторского способа подавления способности к кальцинозу и иммуногенности материалов донорского происхождения получены образцы 2-х видов перспективных материалов для потенциального использования в реконструктивной сердечно-сосудистой хирургии. В модельных условиях in vitro и in vivo показано, что данные материалы обладают выраженной полярностью поверхностей, выраженным эффектом биоинтеграции в организме реципиента и не подвергаются патологическому асептическому кальцинозу даже через 13 недель гетеротопической имплантации крысам. При ортотопической имплантации в системный кровоток свиньям (на 6 мес) показано, что разработанный материал на основе расслоенного перикарда обладает выраженной степенью биоинтеграции, биосовместимости, не обладает тромбогенными свойствами и не подвергается кальцинозу в организме реципиента.

(ИТЭБ РАН, д.ф.-м.н., проф. Акатов В.С., т. 8(4967)739452 или (495) 9237467).

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. тел. 8-4967-73-24-81)

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.; т. 8(4967)739-269).

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.., т. 8(4967)739-216).

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.

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

б – 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., т. 8-916-940-42-10).

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 сниманимое добавлением мевалоновой кислоты.

(ИТЭБ РАН, д.ф.-м.н., проф. Акатов В.С., т. 8(4967)739452).

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., т. 739-181).

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
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.

Аммиак осуществляет множество жизненно важных функций в организме, но при повышении его концентрации в крови (гипераммониемия) он становится мощным нейротоксином, вызывающим потерю сознания, судороги, кому, которая обычно заканчивается смертью. Механизмы токсического действия аммиака до конца не изучены. Общепризнано, что при гипераммониемии аммиак поступает в мозг исключительно из общей циркуляции. Однако мы впервые показали, 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
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.

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.).

015.jpg
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.

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.)

016.jpg

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

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.)

017.jpg
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. IF