Металлоорганические каркасные структуры в биосенсорике и медицине

Актуальность
Пандемия COVID-19 наглядно показала необходимость в быстрых и точных методах обнаружения патогенов. Традиционные лабораторные анализы длительны и требуют сложной инфраструктуры, поэтому актуально создание портативных биосенсоров для экспресс-диагностики. Одним из перспективных материалов для таких сенсоров выступают металл-органические каркасные структуры (МОКС) – уникальные пористые соединения с огромной поверхностью адсорбции [doi:10.3389/fbioe.2021.797067], которые эффективно связывают биомолекулы. Например, цинк-содержащий каркас ZIF-8 был применён для быстрого выявления РНК вируса COVID-19, продемонстрировав предел обнаружения ~6 пМ и анализ за ~8 минут [doi: 10.1038/s41598-024-75668-8]. Наряду с диагностикой актуальна задача и адресной доставки лекарств. Так, неконтролируемое высвобождение антибиотиков ведёт к побочным эффектам и развитию антибиотикорезистентности. МОКС могут служить носителями препаратов с высокой ёмкостью загрузки и управляемой скоростью отдачи лекарства [doi: 10.1016/j.apmt.2024.102443], [doi: 10.5599/admet.2057]. Это открывает путь к “умным” системам, где после обнаружения патогена МОКС локально высвобождает антимикробный агент. Для повышения безопасности и снижения цены предлагается использовать в каркасах биосовместимые недорогие металлы (Fe, Zn, Mg). Например, Железо- и цинк-содержащие МОКС уже продемонстрировали высокую биосовместимость [doi: 10.3390/compounds5010001] и не проявляют токсичности in vivo. МОКС = MOF - metal-organic frameworks
Проблема
Основная научная проблема проекта – создание многофункционального биосенсора на основе МОКС, способного и выявлять патоген, и контролируемо высвобождать лекарство. На данный момент не существует решений, которые совмещают быструю диагностику инфекции с адресной терапией (тераностику). Существующие биосенсоры либо требуют дорогих реагентов, напрмер, антител или ферментов, либо недостаточно чувствительны и медлительны. Аналогично, современные системы доставки лекарств не обладают механизмом активации по сигналу – препарат высвобождается безконтрольно, ненаправленно. Задача проекта заключается в разработке МОКС из биосовместимых металлов (Fe, Zn, Mg) и биосовместимых органических лигандов. Такой каркас должен избирательно распознавать молекулярные мишени патогена (например, фрагмент генома или поверхностный белок) и одновременно служить носителем терапевтического средства, высвобождая в интересующей области. Существует также задача - разработать механизм управляемого высвобождения препарата (например, в зависимости pH). Ещё одна сложность – оптимизация структуры МОКС: перебор множества возможных комбинаций металлов и лигандов экспериментальным путём крайне затруднителен. Необходимо задействовать молекулярное моделирование для направленного дизайна каркаса с заданными свойствами. Проект направлен на преодоление этих трудностей и для создания нового типа терасенсорики на основе металорганических полимерных комплексов
Цель
Цель разработать время проекта экспериментальный прототип биосенсорной платформы на основе металл-органического каркаса с узлами из биосовместимых металлов (Fe, Zn или Mg) для быстрого выявления выбранного патогенного организма и контролируемого локального высвобождения лекарственного препарата. Планируемый конечный результат – функционирующий в лабораторных условиях образец сенсора, основанного на МОКС и способного с высокой чувствительностью обнаруживать целевой патоген и при возможности осуществлять адресную доставку терапевтического агента.
Задачи
1) Провести компьютерное моделирование: подобрать оптимальный состав и структуру МОКС, обеспечивающую эффективное связывание целевого биомаркера патогена и загрузку выбранного лекарства. Существующих библиотек кристаллов и молекулярных докерных фреймворков интегрированных в Python вполне достаточно для моделирования таких структур и предсказания наиболее оптимального способа их синтеза 2) Синтезировать в лаборатории выбранные МОКС (на основе Fe, Zn, Mg) и провести их всестороннюю характеристику (структура, пористость, поглотительную способность лекарственного агента, др). 3) Функционализировать МОКС для селективности: иммобилизовать специфичные биомолекулы распознавания патогена (аптамеры, антитела) либо использовать собственные сенсорные свойства каркаса (например, флуоресценцию или электропроводность). 4) Протестировать биосенсорные свойства: определить чувствительность (порог обнаружения), скорость отклика и селективность сенсора при обнаружении целевого патогена; подтвердить отсутствие отклика на посторонние организмы. 5) Изучить контролируемое высвобождение лекарства: загрузить выбранный препарат в МОКС и измерить кинетику его выделения в условиях in vitro, с оценкой влияния внешних стимулов (например, изменение pH). 6) Оптимизировать конструкцию и продемонстрировать прототип: при необходимости улучшить состав МОКС и объединить функции сенсора и носителя лекарства в одном лабораторном прототипе. Продемонстрировать работоспособность прототипа и оценить его эффективность.
Результат
По завершении проекта будет создан и экспериментально проверен прототип биосенсора на основе МОКС. Данный прототип представляет собой нанопористый материал или датчик с нанопористым покрытием), содержащий МОКС из биосовместимого металла, который способен обнаруживать наличие заданного патогена по изменению выходного сигнала и в ответ высвобождать загруженный лекарственный препарат. Планируется показать это на модельном примере – обнаружении условной бактерии E. coli в водной пробе с помощью МОКС на основе цинка или железа, сопровождаемом высвобождением из каркаса загруженного антибиотика. Итогом первого года работы станет образец сенсора-носителя с высокой чувствительностью и селективностью обнаружения патогена, а также с контролируемым высвобождением лекарства. Поскольку МОКС обладают способностью адсорбировать не только лекарственные агенты, но и газы и ионы, то моделирование и разработка подобных соединений может быть полезна и для других реализуемых проектов Политеха.
Партнёры проекта
ИНЭОС РАН
***