Лаборатория функциональных полимеров и полимерных материалов

Группа функциональных полимеров

в.н.с. д.х.н., Мелик-Нубаров Н.С., д.б.н., в.н.с. Гроздова И.Д., к.х.н., вед. инж. Романюк А.В.

Направление 1
Изучение взаимодействия незаряженных амфифильных полимеров с раковыми клетками

Незаряженные амфифильные полимеры широко используются в медицине и фармакологии. Одна из важнейших и бурно развивающихся областей их применения – доставка лекарственных веществ к пораженным клеткам. Однако амфифильные полимеры не являются инертными по отношению к клеткам. Они способны встраиваться в биологические мембраны, вызывая нарушение их структуры. Показано, что в результате взаимодействия амфифильных полимеров с клетками может наблюдаться подавление устойчивости клеток к лекарству, цитотоксичность, повышение жизнеспособности клеток. Подавление лекарственной устойчивости клеток определяется длиной и природой гидрофобного блока, повышение жизнеспособности клеток является функцией длины гидрофильного полиэтиленоксидного блока, а цитотоксичность полимера определяется соотношением длины гидрофобного и гидрофильного блока. Существенно, что в исследованных рядах блок-сополимеров токсичность проявляется при концентрациях, значительно превышающих критическую концентрацию мицеллообразования. что указывает на то, что именно ассоциаты полимерных ПАВ ответственны за проявление токсических эффектов.

Сравнительное изучение связывания полимеров с клетками и липосомальными мембранами выявило принципиальные отличия в поведении этих систем. Оказалось, что с ростом длины полиэтиленоксидного блока в рядах плюроников связывание с липидными мембранами уменьшается, что хорошо согласуется с известными представлениями о термодинамике взаимодействия полимерных ПАВ с гидрофобными поверхностями. В то же время при увеличении длины блока ПЭГ существенно увеличивается способность полимера связываться с клетками.

Этот результат указывает на взаимодействие блоков ПЭГа с гидрофильным слоем полисахаридов, содержащихся на поверхности клеток. Этот слой, называемый гликокаликсом (от греческого γλυκύς - сладкая оболочка и латинского Callum – толстая кожа), состоит из олигосахаридных цепей гликопротеидов и пептидогликанов, а также длинных цепей гиалуроновых кислот, выстилающих поверхность большинства животных клеток. В настоящее время в лаборатории исследуется возможность взаимодействия полиэтиленоксидов с гликокаликсом и исследуется влияние структуры амфифильного сополимера на его связывание с различными областями клеточной мембраны.

Направление 2
Синтез полимеров для доставки нуклеиновых кислот в живые клетки

Введение генетического материала (нуклеиновых кислот, кодирующих белковые молекулы или содержащих регуляторные последовательности) в живые клетки (трансфекция) могло бы открыть новую страницу в терапии целого ряда генетических заболеваний, рака и многих неизлечимых вирусных инфекций. Между тем доставка нуклеиновых кислот в живые клетки сопряжена со значительными трудностями, связанными с тем, что клеточные мембраны несут избыточный отрицательный заряд. Поэтому нуклеиновые кислоты, которые также заряжены отрицательно, не могут проходить в клетки. Получение полиэлектролитных комплексов нуклеиновых кислот с поликатионами позволяет увеличить захват ДНК или РНК в клетки, однако не всегда решает проблему полностью. Это связано с тем, что при попадании в клетку комплекс нуклеиновой кислоты с полимерным носителем попадает в эндосомы, и затем переходит в лизосомы, где расщепляется гидролитическими ферментами.

Коллективом лаборатории предложен ряд подходов, позволяющих стимулировать трансфекцию клеток за счет придания полимерному носителю способности разрушать эндосомы:

1) включение в состав катионного сополимера-носителя гидрофобных фрагментов полипропиленоксида, способного возмущать структуру липидного бислоя и тем самым способствовать выходу комплексов из эндосом;

2) создание полимерных наногелей на основе слабого полиамина, проявляющего буферные свойства в слабокислой среде эндосом.

Направление 3
Полимеры в фотодинамической терапии

Фотодинамическая терапия (ФДТ) – это способ лечения поверхностных и полостных опухолей и раневых инфекций, основанный на одновременном воздействии на пораженные клетки трех компонентов – света, кислорода и вещества, называемого фотосенсибилизатором. В начале 1970-х г.г. было обнаружено, что некоторые порфирины способны избирательно накапливаться в раковых опухолях. Это дает возможность уничтожать опухолевые клетки облучением света. Большое преимущество данного подхода по сравнению с классической химиотерапией и лучевой терапией состоит в существенно менее тяжелых побочных эффектах. Однако и данный метод не свободен от существенных недостатков. Во-первых, веденный в кровоток порфирин довольно медленно выводится из организма. Это приводит к повышенной чувствительности пациентов к свету. Во-вторых, ткани организма мало прозрачны. Поэтому ФДТ применима лишь для поверхностных или полостных опухолей. Известно, что раковые клетки продуцируют повышенное количество перекиси водорода. Это свойство можно использовать для того, чтобы выявлять и/или уничтожать опухоли. Для реализации этой идеи нами был получен полимерный оксалат. Были получены нанореакторы, в которых полиоксалат и тетраметилгематопорфирин находились в каплях эмульсии диметилфталата в воде, стабилизированных плюроником L64.  Добавление к таким нанореакторам пероксида водорода приводит к генерации хемилюминесценции. В лаборатории было показано, что такие частицы способны генерировать синглетный кислород (¹О₂) в результате реакции с пероксидом водорода. Это означает, что фотокаталитические процессы могут происходить без внешнего источника света, а за счет хемилюминесценции, генерируемой insitu.

Список основных публикаций группы:

(1) Yaroslavov A.A., Efimova A.A., Rudenskaya G.N., Melik-Nubarov N.S., Grozdova I.D., Ezhov A.A., Chvalun S.N., Kulebyakina A.I., Razuvaeva E.V. An electrostatic conjugate composed of liposomes, polylysine and a polylactide micelle: a biodegradability–cytotoxicity relationship Mendeleev Com. 2017, 27, 299-301.

(2) Grozdova  I.D., Badun G.A., Chernysheva M.G., Orlov V.N., Romanyuk A.V., Melik-Nubarov N.S. Increase in the length of poly(ethylene oxide) blocks in amphiphilic copolymers facilitates their cellular uptake. J. Appl. Polymer Sci. 2017, 134, 45492.

(3) Melik-Nubarov N.S., Grozdova I.D., Lomakina G.Y., Pokrovskaya M.V., Pokrovski V.S., Aleksandrova S.S., Abakumova O.Y., Podobed O.V., Grishin D.V.,Sokolov N.N. PEGylated recombinant L-asparaginase from Erwinia carotovora: Production, properties and potential applications. Appl. Biochem. Microbiol. 2017, 53, 165-172.

(4) Romanyuk A.V., Grozdova I.D., Ezhov A.A., Melik-Nubarov N.S. Peroxyoxalate Chemiluminescent Reaction as a Tool for Elimination of Tumour Cells Under Oxidative Stress. Sci. Rep. 2017,  7,  3410-1-3410-13.

(5) Chernysheva M.G., Melik-Nubarov N.S., Grozdova I.D., Myasnikov I.Yu., Tashlitsky V.N., Badun G.A. Reduction of cytotoxicity of Myramistin by adsorption on nanodiamonds. Mend. Com. 2017, 27, 421-423.

(6) Yaroslavov A.A., Sitnikova T.A., Rakhnyanskaya A.A., Yaroslavova E.G., Sybachin A.V., Melik-Nubarov N.S., Khomutov G.B. Variable and low-toxic polyampholytes: complexation with biological membranes. Colloid Polymer Sci. 2017, 295,  1405-1417.

(7) Izumrudov V.A., Zhiryakova M.V., Melik-Nubarov N.S. Supercharged Pyridinium Polycations and Polyelectrolyte Complexes. Eur. Polym. J. 2015, 69, 121–131.

(8) Maximova E.D., Falzuloev E.B., Nikonova A.A., Kotova S.L., Solov’eva A.B., Izumrudov V.A., Litmanovich E.A., Kudryashova E.V., Melik-Nubarov N.S. Cross-Linking as a Tool for Enhancement of Transfection Efficiency of Cationic Vectors. Eur. Polym. J. 2015, 69, 110–120.

(9) Maximova E.D., Zhiryakova M.V., Faizuloev E.B., Nikonova A.A., Ezhov A.A., Izumrudov V.A., Orlov V.N., Grozdova I.D., Melik-Nubarov N.S. Cationic Nanogels as Trojan Carriers for Disruption of Endosomes. Colloids Surfaces B Biointerfaces 2015, 136, 981–988.

(10) Sokolov N.N., Eldarov M.A., Pokrovskaya M.V., Aleksandrova S.S., Abakumova O.Y., Podobed O.V., Melik-Nubarov N.S., Kudryashova E.V, Grishin D.V., Archakov A.I. Bacterial Recombinant L-Asparaginases: Properties, Structure, and Anti-Proliferative Activity. Biochem. Suppl. Ser. B Biomed. Chem. 2015, 9 (4), 325–338.

(11) Romanyuk A.V., Melik-Nubarov N.S. Micelles of Amphiphilic Copolymers as a Medium for Peroxyoxalate Chemiluminescent Reaction in Water Environment. Polym. Sci. Ser. B 2015, 57 (4), 360–369.

 (12) Demina T.V., Budkina O.A., Badun G.A., Melik-Nubarov N.S., Frey H., Mu S.S., Nieberle J., Grozdova I.D. Cytotoxicity and Chemosensitizing Activity of Amphiphilic Poly(glycerol) − Poly(alkylene Oxide) Block Copolymers. Biomacromolecules 2014, 15, 2672−2681.

(13) Tsvetkov V.B., Solov’eva A.B., Melik-Nubarov N.S. Computer Modeling of the Complexes of Chlorin e6 with Amphiphilic Polymers. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16 (22), 10903–10913.

(14) Yaroslavov A.A., Sybachin A.V., Zaborova O.V., Pergushov D.V., Zezin A.B., Melik-Nubarov N.S., Plamper F.A., Mueller A.H.E., Menger F.M. Electrostatically Driven Complexation of Liposomes with a Star-Shaped Polyelectrolyte to Low-Toxicity Multi-Liposomal Assemblies. Macromol. Biosci. 2014, 14 (4), 491–495.

(15) Zhiyentayev T.M., Boltaev U.T., Solov’eva A.B., Aksenova N.A., Glagolev N.N., Chernjak A.V., Melik-Nubarov N.S. Complexes of Chlorin e6 with Pluronics and Polyvinylpyrrolidone: Structure and Photodynamic Activity in Cell Culture. Photochem. Photobiol. 2014, 90 (1), 171–182.

Патенты

1. Соловьева А.Б., Иванов А.В., Конопляников А.Г., Филинова Е.Ю., Глаголев Н.Н., Мелик-Нубаров Н.С., Пономарев Г.В., Жиентаев Т.М., Кирюхин Ю.И., Поляков Д.К., Роговина С.З. / Средство для лечения злокачественных опухолей методом фотодинамической терапии. // Патент РФ № 2314806.

2. Абакумова О.Ю., Богуш В.Г., Бочкова О.П., Гроздова И.Д., Денисов Л.А., Карасев В.С., Колтун И.О., Мелик-Нубаров Н.С., Морозова Е.Л., Подобед О.В., Руденко Е.Г., Сидорук К.В., Скатова Г.Е., Соколов Н.Н., Чугунов А.М. Способ получения рекомбинантной субстанции L-аспарагиназы Erwinia Carotovora. Номер патента: RU 02441914 C1.