Ученые Университета ИТМО совместно с коллегами из Швейцарии и Германии выиграли грант в рамках европейской программы ERA.Net RUS Plus

Коллектив ученых Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО совместно с коллегами из Федерального института исследования и тестирования материалов (BAM) (Германия) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ЕТН) (Швейцария) выиграли грант в рамках европейской инициативы ERA.Net RUS Plus. Проект, рассчитанный на три года, предполагает работу по моделированию и дизайну новых функциональных наноматериалов, перспективных для биомедицинского применения и диагностики различных заболеваний. Как отмечают авторы исследования, такие наноматериалы, созданные на основе тройных квантовых точек, помогут создать уникальную по селекции и чувствительности сенсорную платформу, предназначенную для мультиплексного одноклеточного анализа патогенов. В перспективе результаты исследований могут также позволить существенно продвинуться в создании более точных и при этом миниатюрных приборов для люминесцентного анализа биоструктур.

Что такое ERA.NET Rus plus

Международная инициатива «ERA.Net RUS Plus» — программа, направленная на долгосрочное сотрудничество в научно-технической сфере между государствами-членами Европейского Союза, а также ассоциированными членами ЕС и Россией. Одной из ключевых целей проекта является вовлечение в европейское исследовательское пространство (ERA) российских ученых.

В отличие от европейской рамочной программы по науке и инновациям Horizon 2020 (подробнее об этой программе можно почитать здесь), ERA.Net RUS Plus предполагает более тесную коллаборацию с российскими учеными. Инициатива стартовала в 2014 году, с тех пор раз в три года в рамках программы проводятся конкурсы на определение лучших проектов из стран-участниц инициативы.

На конкурс могут быть представлены проекты фундаментальных научных исследований, которые выполняются в сотрудничестве учеными или научными коллективами из России, Бельгии, Болгарии, Германии, Латвии, Молдавии, Румынии, Сербии, Словакии, Турции, Финляндии, Швейцарии и Эстонии. Среди ключевых тем — пять направлений, приоритетных для научно-технического развития стран-участниц ERA.Net RUS Plus:

1. Нанотехнологии (перспективные нанодатчики для охраны окружающей среды и здоровья, а также новые конструктивные наноматериалы, основанные на дизайне и моделировании);

2. Охрана окружающей среды и изменения климата (влияние изменения климата и экстремальных климатических явлений на окружающую среду, а также предупреждение и ликвидация последствий загрязнения водных экосистем);

3. Науки о здоровье (восстановительная медицина, биоматериалы и системы «органы на чипе», создание препаратов против онкологических, сердечно-сосудистых и инфекционных заболеваний);

4. Гуманитарные и общественные науки (демография, конфликты и вопросы безопасности; традиционные и нетрадиционные культурные ценности; возможности и задачи для регионального развития и социального согласия);

5. Робототехника (разработка роботов и взаимодействие робота и человека, роботы в сельском хозяйстве, медицине, промышленности, морском деле и образовании).

Международная инициатива «ERA.Net RUS Plus». Источник: eranet-rus.eu
Международная инициатива «ERA.Net RUS Plus». Источник: eranet-rus.eu

Проект подается на конкурс от имени консорциума, включающего научные коллективы как минимум из трех стран. При этом каждый коллектив получает поддержку от своей страны. Финансирующими сторонами для российских участников являются Министерство образования и науки, Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ), а также Уральское и Дальневосточное отделения РАН (УрО и ДВО РАН).

Срок выполнения научного проекта, представляемого на конкурс, — два или три года.

Оценивает проекты, представленные на конкурс, международный Экспертный совет конкурса, а также независимые эксперты.

Всего в 2017 году на программу было подано более 200 проектов, из них группа финансирующих организаций ERA.Net RUS Plus выбрала 28 проектов с объемом финансирования в 11 млн евро. Одним из победителей по направлению «Нанотехнологии» стал проект «Моделирование и дизайн сенсорной платформы на основе тройных квантовых точек для мультиплексного анализа клеток», автором которого стал консорциум, включающий коллективы ученых Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО, исследователей из Федерального института исследования и тестирования материалов (Берлин, Германия) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (Швейцария), которая входит в топ-10 лучших вузов мирового рейтинга Times Higher Education (THE).

Как отмечает Александр Баранов, профессор кафедры оптической физики и современного естествознания, руководитель лаборатории «Оптика квантовых наноструктур», сотрудничество с зарубежными коллегами во многом обязано тому факту, что связующим звеном являются молодые ученые выпускники кафедры, которые успешно работают в ведущих зарубежных университетах и исследовательских центрах.

Александр Баранов
Александр Баранов

«Наши выпускники, получившие позиции постдоков и продолжающие свою научную деятельность в ведущих зарубежных вузах, уже помогли нам организовать сотрудничество в области физики и технологии наноструктур со многими университетами — например, с Тринити-колледж в Дублине, с Университетом Кампинаса в Бразилии, а также университетами Франции. Настоящий проект также был инициирован нашей выпускницей, кандидатом физ.-мат. наук Ириной Мартыненко, работающей в настоящее время в Федеральном институте исследования и тестирования материалов в Берлине. В ходе обсуждения перспективных направлений исследований с немецкими коллегами выяснилось, что у нас есть общие интересы и мы можем успешно проводить совместные исследование в этой области. Несколько позже к нам присоединилась группа ученых из Швейцарской высшей технической школе Цюриха, где есть возможности для создания на основе проводимых исследований лабораторных образцов люминесцентных сенсоров для мультиплексного анализа клеток», — рассказывает Александр Баранов.

После одобрения в рамках общего конкурса Программы ERA.Net RUS Plus проект, согласно правилам, был также одобрен Министерством образования и науки России, оказавшись в числе трех одобренных проектов в России.

Что будет сделано в рамках проекта?

Совместная работа рассчитана на три года, за это время коллективы ученых планируют смоделировать новую сенсорную платформу на основе полимерных микрочастиц, легированных нетоксичными люминесцирующими квантовыми точками из полупроводников AgInS и CuInS. Полученные структуры можно использовать для обнаружения биомаркеров патогенов в одиночных клетках, кроме того, в перспективе исследования, проведенные в рамках проекта, помогут создать более точные и при этом миниатюрные приборы для такого анализа — проточные цитометры с системой детектирования спектральных и временных параметров люминесценции биомаркеров.

Что такое люминесцентный анализ патогенных микроорганизмов? Это хорошо известный метод исследования различных объектов (начиная от клеток организма человека и заканчивая пищевыми продуктами или горной породой), основанный на наблюдении их люминесценции. Например, он применяется для диагностики заболеваний (в частности, ткань, пораженную микроспорумом, обнаруживают по ее яркой зеленой люминесценции под действием ультрафиолетового света), для определения зараженности семян и растений болезнями, для определения содержания органических веществ в почве и так далее.

Люминисцентный порошок
Люминисцентный порошок

При таком анализе может наблюдаться либо собственное свечение исследуемых объектов, либо свечение специальных люминофоров-маркеров, которыми метят исследуемый объект. Разные биологические структуры метят люминофорами разного цвета, после чего с использованием специальной аналитической аппаратуры (например, люминесцентного проточного цитометра) определяют наличие и количество помеченных биообъектов в исследуемом образце. В простейшем варианте это трубка (капилляр), через которую прокачивается раствор, содержащий анализируемые объекты (лизат клеток или сами клетки), на которую светит лазер, возбуждающий люминесценцию маркеров, регистрируемую фотоприемником с последующим спектральным анализом.

На сегодняшний день в практике используются проточные цитометры достаточно большого размера, и одной из технических задач становится работа по их уменьшению, а в идеале — изготовлению переносных устройств, говорит Александр Баранов. Кроме того, существующие образцы не позволяют исследовать каждую клетку в отдельности, именно поэтому еще одной актуальной задачей для исследователей является повышение чувствительности таких аппаратов, что в перспективе позволит более точно детектировать различные специфические патогенные микроорганизмы.

Почему увеличить чувствительность не так просто? Во-первых, чем меньшее количество клеток планируется детектировать, тем меньше будет и сигнал люминесценции. Во-вторых, необходимо учитывать и то, что биологические структуры, как и люминофоры, также светятся под воздействием лазерного излучения. Поэтому в итоге полезный сигнал люминесцентных маркеров будет находится на интенсивном фоне так называемой автолюминесценции.

Чтобы решить эту проблему, несколько лет назад был предложен способ селекции не только по длине волны и по интенсивности люминесценции, но и по времени ее затухания. Автолюминесценция обычно имеет время затухания на уровне 10 наносекунд — практически такое же, как и в люминофорах-маркерах. Именно поэтому было предложено решение, при котором к люминофору отдельно прикрепляется так называемый донор — объект, у которого время затухания люминесценции значительно больше. В результате процесса безызлучательной передачи энергии от донора к люминофору-маркеру (акцептору) удается на порядок увеличить время затухания люминесценции маркера. Использование при измерении люминесценции схемы, позволяющей регистрировать только долгоживущую люминесценцию, и позволяет устранить вклад автолюминесценции.

В качестве таких доноров в современной научной практике используются наночастицы стекла, допированные ионами редкоземельных элементов, которые имеют микросекундные времена затухания люминесценции. Однако эти частицы имеют ряд недостатков: они являются дорогими в производстве, кроме того, не всегда удается найти подходящую к люминофору донорную пару.

«Именно поэтому необходимо найти такие объекты, которые будут обладать всеми свойствами стандартного донора, то есть будут иметь большое время затухания люминесценции, обладать совместимостью с акцептором и, наконец, быть достаточно дешевыми, — объясняет Александр Баранов. — Для этих целей в рамках проекта мы предложили использовать квантовые точки определенного типа, с которыми мы уже умеем работать — так называемые тройные квантовые точки (КТ полупроводников AgInS и CuInS), у которых мы можем с помощью изменения размера и состава перемещать полосу люминесценции так, чтобы она совпала с полосой поглощения нужного акцептора, и которые при этом будут достаточно дешевы в производстве. Мы уже умеем синтезировать такие квантовые точки, в том числе и в сотрудничестве с нашими коллегами из Тринити-колледж в Дублине».

Помимо этих свойств, такие квантовые точки обладают и другими привлекательными свойствами, добавляет он. Например, они имеют очень спектрально широкую полосу люминесценции, причем в разных частях этой полосы время люминесценции разное. Таким образом, возможно одновременное использование как спектральной, так и временной селекции люминесценции люминофоров-маркеров. Это позволяет использовать такие квантовые точки для мультиплексного анализа клетки, то есть фактически увеличить число параметров, которые можно проанализировать и повысить избирательность селекции.

Работа по проекту будет разделена на несколько этапов, а задачи распределены между тремя научными группами в России, Германии и Швейцарии. В Университете ИТМО, в частности, будут заниматься синтезом тройных квантовых точек, исследованием их различных параметров (в том числе определением размера, формы и элементного состава, а также спектральных и кинетических оптических параметров), а также моделированием процессов безызлучательного резонансного переноса энергии и других.

В рамках проекта предполагается также создание полимерных микрокапсул с магнитным ядром, в поверхностный слой которых внедрены тройные квантовые точки. Предполагается, что с использованием внешнего магнита можно будет осуществить дополнительное концентрирование маркеров в зоне анализа. Синтезированные микрокапсулы будут переданы в Федеральный институт исследования и тестирования материалов в Германии для разработки методик их биоконъюгации, а также в Швейцарскую высшую технической школу Цюриха для разработки методики детектирования люминесценции в проточном цитометре.

Швейцарская высшая техническая школа Цюриха
Швейцарская высшая техническая школа Цюриха

Стоит отметить, что именно в Цюрихе используется новая методика, позволяющая исследовать не большое количество клеток, а захватывать одну. При этом клетка разрушается для исследования ее содержимого, что позволяет избежать существующей проблемы проникновения через клеточную мембрану достаточно больших по размеру квантовых точек, рассказывает Александр Баранов.

Перспективы

Таким образом, главной целью проекта, как отмечает ученый, является разработка (теоретическое моделирование, дизайн и апробация) не имеющей аналогов по селекции и чувствительности универсальной сенсорной платформы на основе полимерных микрочастиц, легированных нетоксичными тройными квантовыми точками. В отличие от существующих сегодня систем, такая платформа позволит осуществлять мультиплексный одноклеточный анализ компонентов клеток и патогенов с селекцией по спектру, интенсивности и времени жизни люминесценции, а также разработать схемы детектирования аналитов (компонентов, искомых или определяемых в пробе вещества или материала объекта аналитического контроля) при использовании миниатюрных проточных цитометров.

«Одним из главных результатов работы также станет внедрение такой технологии здесь, в России, — добавляет Александр Баранов. — Ведь мы уже умеем делать квантовые точки, мы знаем, как управлять их параметрами, мы можем сделать ряд люминесцентных меток, более того, у нас уже есть работы, где развиты методы их биоконъюгации, то есть их соединения с биологическими объектами-мишенями. Однако техники микрофлюидного люминисцентного проточного микроцитометра у нас практически не развита. Тогда как нам представляется крайне перспективным реализовать эту технологию в качестве уникального настольного прибора».

Авторы подчеркивают, что совместный междисциплинарный проект, сочетающий в себе моделирование и целенаправленный синтез новых функциональных наноматериалов с усовершенствованными оптическими схемами анализа, перспективен для широкого спектра приложений.

«Его реализация существенно увеличит потенциал методов флуоресцентного анализа для двух платформных технологий — микрофлюидики и проточной цитометрии, широко используемых при исследованиях клеток, обнаружении биомаркеров в медицинской диагностике и анализе патогенов», — отмечают исследователи.

Кроме того, предполагается, что приобретенные в рамках работы над проектом новые знания будут включены в учебные курсы в трех ведущих европейских и российских университетов.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба