Автореферат (Монослои и мембранные везикулы на основе комплексов амфифильных веществ, полимеров и наночастиц)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМ. М.В. ЛОМОНОСОВАНа правах рукописиКИМ ВИТАЛИЙ ПАВЛОВИЧМОНОСЛОИ И МЕМБРАННЫЕ ВЕЗИКУЛЫ НА ОСНОВЕКОМПЛЕКСОВ АМФИФИЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ, ПОЛИМЕРОВ ИНАНОЧАСТИЦСпециальность 03.01.02 – биофизика, 03.01.08 – биоинженерияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:Хомутов Геннадий Борисович, доктор физикоматематических наук, доцент .Научный консультант:Гуляев Юрий Васильевич, доктор физикоматематическихнаук,академикичленпрезидиумаРАН,научныйруководительИнститута радиотехники и электроники имениВ.А.

Котельникова РАН.Официальные оппоненты:Соколов Валерий Сергеевич, доктор физикоматематическихнаук,ведущийнаучныйсотрудник Института физической химии иэлектрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН.Букреева Татьяна Владимировна, кандидатхимических наук, доцент, начальник лабораторииНациональногоисследовательскогоцентра«Курчатовский институт».Ведущая организация:Федеральноегосударственноебюджетноеучреждение науки Институт биохимическойфизики им. Н.М.

Эмануэля Российской академиинаук.Защита состоится «__» сентября 2016 г. в :на заседании диссертационногосовета Д 501.002.11 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ,физический факультет.С диссертацией можно ознакомиться в библиотекегосударственного университета имени М.В. Ломоносова.МосковскогоАвтореферат разослан «__» ____________ 2016 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.11кандидат технических наукСидорова А.Э.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРабота посвящена созданию и исследованию новых биомиметических ибиосовместимых функциональных наноматериалов на основе биогенныхлипидов, рН-чувствительного амфифильного соединения, амфифильногополиамина стеароилспермина и их нанокомпозитных комплексов сполиэлектролитамиинеорганическиминаночастицами,включаяленгмюровские монослои, пленки и липосомы.

Также изучена возможностьиспользования синтезированных нанокомпозитных мембранных везикул длякапсулирования веществ и их высвобождения с помощью внешних физическихвоздействий.Актуальность проблемыНаноструктуры и наноматериалы на основе амфифильных соединений,полиэлектролитов, неорганических наночастиц и биомолекул представляютбольшой интерес для выяснения механизмов фундаментальных структурнофункциональных взаимосвязей на нано-уровне в биологических и модельныхсистемах.

Также, в настоящее время активно развиваются фундаментальные иприкладные исследования, посвященные созданию и использованиюфункциональных неорганических наночастиц, наноструктур и наносистем наихоснове(металлических,магнитных,полупроводниковых)длябиомедицинских и других нанотехнологических применений.Амфифильные вещества широко распространены в живой природе.Биогенные амфифильные молекулы, в частности, липиды входят в составмембран клеток, органелл и микровезикул, определяя тем самым иххарактерные свойства: проницаемость, межклеточное взаимодействие,биоактивность мембранных ферментов и т.д. В зависимости от геометрическихпараметров и соответствующего состава амфифильные молекулы в водной илигидрофобной среде способны самоорганизовываться в различные нано- имикроструктуры: мицеллы, бислои, везикулы, цилиндрические мицеллы и т.д.В свою очередь, на водной поверхности амфифильные молекулы способныобразовывать мономолекулярную пленку за счет гидрофобных и гидрофильныхвзаимодействий с поверхностью водной субфазы.

Данные структуры на основеамфифильных молекул используются для исследовательских задач, например,для моделирования биологических мембран путем создания биомиметическихструктур, для прикладных задач в медицине, в частности в области адреснойдоставки лекарственных веществ внутри организма, и для технологическихзадач, например, гидрофобизация/гидрофилизация поверхностей. В своюочередь, адресная доставка лекарственных веществ, в том числе и молекул1ДНК, сегодня является актуальным и перспективным подходом для терапиисамых различных заболеваний, включая онкологические, нейродегенеративныеи т.д. Основными преимуществами данного подхода терапии являются:снижение лекарственных дозировок, уменьшение воздействия лекарственныхвеществ на здоровые клетки, точное воздействие на очаг заболевания и т.д.Создание и исследование новых функциональных супрамолекулярных,полимерных, нанокомпозитных и биомолекулярных наносистем на основекомплексов аминосодержащих соединений является актуальным направлениемнанотехнологий и ряда смежных областей фундаментальной науки ввидуспособности полиаминов формировать стабильные комплексы с различныминано- и микрообъектами, включая неорганические наночастицы благородныхметаллов , наночастицы оксидов переходных металлов, в частности, магнитныхоксидов железа, молекулы полианионов, включая ДНК, клеточные органеллы.Исследование процессов структурообразования, в которых участвуютмолекулы нуклеиновых кислот, представляется важным в связи с тем, что этимолекулы помимо биологической функции хранения и передачинаследственнойинформацииобладаютуникальнойструктурой,характеризуютсямеханическойпрочностьюифизико-химическойстабильностью, и поэтому являются перспективными для создания на их основеструктурных и функциональных элементов новых устройств и наноматериаловдля нанобиотехнологии.

Исследование процессов самоорганизации иобразования супрамолекулярных структур на основе комплексов молекул ДНКс амфифильными аминосодержащими молекулами и неорганическиминаночастицами актуально в настоящее время с практической точки зрения,поскольку может способствовать разработке новых невирусных химическихпереносчиков для эффективного направленного транспорта нуклеиновыхкислот через биологические мембраны, которые могут найти применение вгенной инженерии и терапии.Исследование процессов взаимодействия и структурообразования вбиомиметических системах, включающих границу раздела фаз мембранаводный раствор, наночастицы магнетита и полимеры (в частности, молекулыДНК), представляется интересным и важным для понимания механизмовпроцессов с участием биогенных наночастиц магнетита в живых системах, атакже для разработки методов дизайна и самомсборки новых функциональныхнаносистем типа нанокомпозитных пленок и магнитных везикул и капсул дляадресной и управляемой доставки лекарственных средств.Таким образом, разработка и исследование новых видов амфифильныхмолекул, а также функциональных композитных структур на их основе2являются актуальными и перспективным направлением биофизических ибиоинженерных исследований.В данной работе получены и исследованы ленгмюровские монослои наоснове рН-чувствительного липидоподобного соединениятранс-4,5ди(додецилоксикарбонил)-транс-2-морфолиноциклогексанол, синтезированы иисследованы амфифильный полиамин стеароилспермин и нанокомпозитныеструктуры на его основе: ленгмюровские монослои, пленки ЛенгмюраБлоджетт и мембранные везикулы – липосомы, функицонализированныемолекулами полиэлектролитов и неорганическими магнитными иэлектропроводящими наночастицами, а также проведены эксперименты покапсулированиюибесконтактномунетермическомувскрытиюсинтезированных нанокомпозитных мембранных везикул импульсамиэлектрического поля.

Результаты работы в перспективе могут бытьиспользованы для создания новых эффективных средств капсулирования иадресной управляемой доставки лекарственных веществ.Цели и задачи исследованияЦелью данной работы является создание и исследование новыхбиомиметических и биосовместимых функциональных наноматериаловвключая ленгмюровские монослои, пленки Ленгмюра-Блоджетт и липосомы наоснове биогенных липидов, синтетических аминосодержащих амфифильныхвеществ и их комплексов с полиэлектролитами и неорганическиминаночастицами, а также изучение эффектов изменения структурнофункциональных характеристик нанокомпозитных мембранных везикул поддействием импульсов электрического поля.Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:1.

Получение ленгмюровского монослоя амфифильного рН-чувствительноголипидоподобного соединения – транс-4,5-ди(додецилоксикарбонил)-транс2-морфолиноциклогексанола (ТДТМ) и исследование влияния величины рНводной субфазы на структурно-функциональные характеристики монослояи соответствующих пленок Ленгмюра-Блоджетт.2. Получение ленгмюровского монослоя стеароилспермина и исследованиевзаимодействия монослоя с наночастицами магнетита и молекуламинативной ДНК, а также структуры соответствующих пленок ЛенгмюраБлоджетт.3. Разработка методов и получение новых мембранных везикул на основекомплексов молекул фосфатидилхолина и стеароилспермина, наночастицмагнетита и золота, полиэлектролитов, включая ДНК.34.

Выяснениевозможностейиспользованиясинтезированныхнанокомпозитных везикул для капсулирования модельного соединения.5. Изучение эффектов изменения структурно-функциональных характеристикнанокомпозитных мембранных везикул под действием сверхкороткихимпульсов электрического поля длительностью менее 10 нс.6.

Проведение комплексного экспериментального исследования структуры исвойств получаемых наноматериалов с использованием методовпросвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), атомно-силовоймикроскопии (АСМ), ИК спектроскопии, динамического светорассеяния,кондуктометрии и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).Научная новизна исследованийВпервые получены и исследованы новые биомиметическиенаноструктуры на основе рН чувствительного амфифильного соединения,алифатического полиамина – стеароилспермина: нанокмпозитные монослои ипленки Ленгмюра-Блоджетт, а также липосомы и нанокомпозитныемембранные везикулы.