RU2846033C1 - Method for optically controlled theranostics using mps-cytoblockade - Google Patents
Method for optically controlled theranostics using mps-cytoblockadeInfo
- Publication number
- RU2846033C1 RU2846033C1 RU2024135728A RU2024135728A RU2846033C1 RU 2846033 C1 RU2846033 C1 RU 2846033C1 RU 2024135728 A RU2024135728 A RU 2024135728A RU 2024135728 A RU2024135728 A RU 2024135728A RU 2846033 C1 RU2846033 C1 RU 2846033C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- luciferase
- substrate
- bioluminescent
- nanoparticle
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относится к области медицинской тераностики с использованием технологии МФС-цитоблокады, точнее, к области совмещающей диагностику и терапию в одном препарате за счет использования многофункциональных наночастиц, а также методов повышения эффективности нанопрепаратов в организме за счет влияния на макрофагальную систему организма. Такие технологии полезны для диагностики и терапии заболеваний, проведения различных исследований состояний организма.The invention relates to the field of medical theranostics using MFS-cytoblockade technology, more precisely, to the field combining diagnostics and therapy in one drug due to the use of multifunctional nanoparticles, as well as methods for increasing the effectiveness of nanopreparations in the body due to the effect on the macrophage system of the body. Such technologies are useful for the diagnosis and therapy of diseases, conducting various studies of the state of the body.
Описание предшествующего уровня техникиDescription of the Prior Art
Настоящее изобретение касается автономных биолюминесцирующих частиц, на которых располагаются как люцифераза, так и ее субстрат, обеспечивая условия для их взаимодействия и, как следствие, возникновения светового излучения (биолюминесценции). В частности, изобретение связано с наночастицами, на которых расположены компоненты системы люциферазы/субстрат, что позволяет осуществить биолюминесценцию без внешних источников энергии или стимулов. The present invention relates to autonomous bioluminescent particles on which both luciferase and its substrate are located, providing conditions for their interaction and, as a consequence, the occurrence of light emission (bioluminescence). In particular, the invention is related to nanoparticles on which components of the luciferase/substrate system are located, which allows bioluminescence to be realized without external energy sources or stimuli.
До настоящего времени в области биолюминисценции существовали различные подходы к использованию люциферазы и её субстрата для создания светящихся частиц, но большинство из этих решений сталкиваются с проблемами, связанными с интеграцией этих компонентов, их стабильностью и эффективностью. Ключевыми ограничениями известных решений являются:Until now, there have been various approaches in the field of bioluminescence to use luciferase and its substrate to create luminous particles, but most of these solutions face problems related to the integration of these components, their stability and efficiency. The key limitations of known solutions are:
1. Отдельное использование люциферазы и субстрата: в существующих подходах люцифераза и её субстрат как правило вводили в образец по отдельности: либо в растворе, либо на разных частицах, что требовало дополнительных механизмов доставки этих компонентов к месту реакции, контроля их дозирования в оптимальных концентрациях, а также потенциально могли приводить к побочным реакциям избытка субстрата с окружающими объектами, в частности с биомолекулами и клетками. Это значительно снижает как эффективность применения такого агента, так и безопасность его проведения.1. Separate use of luciferase and substrate: in existing approaches, luciferase and its substrate were usually introduced into the sample separately: either in solution or on different particles, which required additional mechanisms for delivering these components to the reaction site, controlling their dosing in optimal concentrations, and could also potentially lead to side reactions of excess substrate with surrounding objects, in particular with biomolecules and cells. This significantly reduces both the efficiency of using such an agent and the safety of its implementation.
2. Низкая стабильность биолюминисцентных систем: Многие из существующих технологий требуют использования люциферазы и субстрата в жидкой среде, что приводит к снижению стабильности этих систем в долгосрочной перспективе, например, вследствие реакции с агрессивным физиологическим окружением агента. Это ограничивает их использование в практических приложениях, требующих стабильной работы в течение длительного времени или в нестабильных условиях.2. Low stability of bioluminescent systems: Many of the existing technologies require the use of luciferase and substrate in a liquid medium, which leads to a decrease in the stability of these systems in the long term, for example, due to a reaction with an aggressive physiological environment of the agent. This limits their use in practical applications that require stable operation over a long period of time or in unstable conditions.
3. Ограниченные возможности для контроля интенсивности света: В большинстве существующих систем люцифераза и субстрат взаимодействуют в неуправляемых условиях, что затрудняет точный контроль над интенсивностью излучаемого света. Для многих приложений требуется возможность точного регулирования световой эмиссии, чего не всегда удается достичь с использованием традиционных технологий.3. Limited ability to control light intensity: In most existing systems, luciferase and substrate interact under uncontrolled conditions, making it difficult to precisely control the intensity of emitted light. Many applications require the ability to precisely control light emission, which is not always possible using traditional technologies.
4. Использование химических катализаторов и внешних источников энергии: В некоторых случаях для активации биолюминесценции требуются химические катализаторы или внешние источники энергии (например, ультрафиолетовое излучение или электроны). Это значительно усложняет технологию и снижает её применимость в автономных системах.4. Use of chemical catalysts and external energy sources: In some cases, chemical catalysts or external energy sources (such as ultraviolet radiation or electrons) are required to activate bioluminescence. This significantly complicates the technology and reduces its applicability in autonomous systems.
5. Механизмы доставки и высвобождения субстрата: Для эффективного функционирования люциферазы необходим точный контроль за доставкой субстрата, что влечет за собой дополнительные сложности, особенно в случае in vivo применения. В некоторых системах использование субстрата не является оптимальным из-за трудностей, связанных с его высвобождением в нужный момент или с недостаточной доступностью для люциферазы, в частности связанно это с низкой растворимостью многих субстратов, быстрым выведением молекулярного субстрата почками до того, как успевает дойти в существенной концентрации до люциферазной метки в организме, кросс-реактивностью субстрата, нежелательной биологической активностью субстрата.5. Substrate delivery and release mechanisms: For luciferase to function effectively, precise control of substrate delivery is necessary, which brings additional challenges, especially in the case of in vivo use. In some systems, substrate use is not optimal due to difficulties in releasing it at the right time or due to insufficient availability to luciferase, in particular, this is due to the low solubility of many substrates, rapid excretion of the molecular substrate by the kidneys before it reaches the luciferase label in significant concentration in the body, cross-reactivity of the substrate, undesirable biological activity of the substrate.
Авторами изобретения был обнаружен интересный феномен, что для наночастиц, способных сорбировать и десорбировать субстрат, возможно создать автономные биолюминисцирующие частицы (АЛЧ), в которых люцифераза и её субстрат интегрированы на одной частице, т.е. у которых субстрат находится в порах частицы, а фермент люцифераза иммобилизован на поверхности. При этом автономная биолюминисция заключается в том, что даже после удаления несвязавшихся с частицей молкул субстрата можно наблюдать высокую люминесцентную активность частиц за счет дозированного высвобождения субстрата и его контролированного взаимодействия с иммобилизованным ферментом. The authors of the invention discovered an interesting phenomenon, that for nanoparticles capable of sorbing and desorbing the substrate, it is possible to create autonomous bioluminescent particles (ABLP), in which luciferase and its substrate are integrated on one particle, i.e. in which the substrate is in the pores of the particle, and the luciferase enzyme is immobilized on the surface. At the same time, autonomous bioluminescence consists in the fact that even after the removal of substrate molecules unbound to the particle, high luminescent activity of the particles can be observed due to the dosed release of the substrate and its controlled interaction with the immobilized enzyme.
Это позволяет:This allows:
1) Увеличить эффективность реакции за счет того, что компоненты находятся в непосредственной близости друг от друга, что уменьшает вероятность их разделения или недостаточной реакции.1) Increase the efficiency of the reaction due to the fact that the components are in close proximity to each other, which reduces the likelihood of their separation or insufficient reaction.
2) Обеспечить более высокую стабильность биолюминисцентной системы за счет размещения компонентов на наночастице, что способствует их защите от внешних факторов и может обеспечить более долгосрочное хранение.2) Ensure higher stability of the bioluminescent system by placing the components on a nanoparticle, which helps protect them from external factors and can ensure longer-term storage.
3) Контролировать интенсивность света путем варьирования размера частиц, типа используемых материалов или концентрации компонентов, что открывает новые возможности для создания регулируемых биолюминисцентных источников.3) Control the light intensity by varying the particle size, the type of materials used, or the concentration of components, which opens up new possibilities for creating adjustable bioluminescent sources.
4) Удаление необходимости в катализаторах и внешних источниках энергии. Изобретение позволяет создать автономные системы, работающие на основе естественного химического взаимодействия между люциферазой и её субстратом, что значительно упрощает конструкцию и повышает гибкость применения.4) Elimination of the need for catalysts and external energy sources. The invention allows the creation of autonomous systems operating on the basis of natural chemical interaction between luciferase and its substrate, which significantly simplifies the design and increases the flexibility of use.
5) Существенно снижать дозу субстрата вводимого в организм или образец.5) Significantly reduce the dose of substrate introduced into the body or sample.
Из публикации Nikitin, M.P. et al. Nat Biomed Eng 4, 717–731 (2020) https://doi.org/10.1038/s41551-020-0581-2 известен близкий способ, в котором магнитную липосому, загруженную доксорубицином, вводят спустя 12 часов после индукции МФС-цитоблокады в мышь с опухолью, к которой приложен магнит. Затем, визуализируют и подтверждают эффективную доставку липосомального препарата в опухоль с помощью МРТ и затем наблюдают существенное падение роста опухоли по сравнению с контролем, а также повышение выживаемости мышей. Недостаток известного способа заключается в требовании дорогостоящей МРТ-установки для детекции наночастиц, а также длительном времени МРТ-сканирования.A similar method is known from the publication of Nikitin, M.P. et al. Nat Biomed Eng 4, 717–731 (2020) https://doi.org/10.1038/s41551-020-0581-2, in which a magnetic liposome loaded with doxorubicin is administered 12 hours after the induction of MFS cytoblockade into a mouse with a tumor to which a magnet is attached. Then, the effective delivery of the liposomal drug to the tumor is visualized and confirmed using MRI, and then a significant decrease in tumor growth compared to the control, as well as an increase in mouse survival, are observed. The disadvantage of the known method is the requirement for an expensive MRI setup for detecting nanoparticles, as well as a long MRI scanning time.
Из публикации El-Sayed et al. Nano Letters 2013 13 (4), 1393-1398 DOI: 10.1021/nl304123u известен наиболее близкий способ, в котором углеродные нанотрубки, нагруженные доксорубицином, и конъюгированные с люциферазой Luciola cruciata, вводили в животное. Затем отдельно вводили животному субстрат люциферазы. Затем оптически визуализировали распределение наночастиц и их накопление в разных органах. Недостаток наиболее близкого способа заключается в необходимости введение достаточно высоких доз субстрата, который может приводить к существенной токсичности, а также порождать значительную автобиолюминесценцию за счет безферментативного высвечивания фотонов. Такой шаг снижает диагностическую точность получаемых данных.From the publication El-Sayed et al. Nano Letters 2013 13 (4), 1393-1398 DOI: 10.1021/nl304123u the closest method is known, in which carbon nanotubes loaded with doxorubicin and conjugated with Luciola cruciata luciferase were introduced into an animal. Then the luciferase substrate was separately introduced into the animal. Then the distribution of nanoparticles and their accumulation in different organs were optically visualized. The disadvantage of the closest method is the need to introduce fairly high doses of the substrate, which can lead to significant toxicity, as well as generate significant autobioluminescence due to enzymatic-free photon emission. Such a step reduces the diagnostic accuracy of the data obtained.
Таким образом, требуемый технический результат заключается в реализации способа оптически-контролируемой тераностики с использованием наномаркеров под действием МФС-цитоблокады, которые испускают свет, не требуя возбуждения светом за счет чего их регистрация не ограничивается автофлуоресценцией образцов, в т.ч. биологических тканей, а также не требуют дополнительного введения в образец химических молекул (субстратов в т.ч. сорбированных в других частицах) или в высоких концентрациях для минимальной инвазивности и вреда для образца, при этом обладают достаточно длительной собственной автономной (от дополнительных химических субстратов) биолюминесценцией.Thus, the required technical result consists in the implementation of the method of optically controlled theranostics using nanomarkers under the action of MFS-cytoblockade, which emit light without requiring excitation by light, due to which their registration is not limited to autofluorescence of samples, including biological tissues, and also does not require additional introduction of chemical molecules into the sample (substrates, including those sorbed in other particles) or in high concentrations for minimal invasiveness and harm to the sample, while they have a sufficiently long-term autonomous (from additional chemical substrates) bioluminescence.
Краткое содержание изобретенияSummary of the invention
Целью настоящего изобретения явилась разработка на основе обнаруженного явления автономной биолюминесценции иммобилизованных на наночастицах люцифераз за счет десорбирующихся из наночастиц молекул субстрата: способа оптически-контролируемой тераностики.The aim of the present invention was to develop, based on the discovered phenomenon of autonomous bioluminescence of luciferases immobilized on nanoparticles due to substrate molecules desorbed from the nanoparticles, a method for optically controlled theranostics.
Для решения перечисленных выше и других целей, которые очевидны для квалифицированного специалиста, был предложен следующий способ:To solve the above and other goals that are obvious to a qualified specialist, the following method was proposed:
Способ оптически-контролируемой тераностики, который включает следующие шаги:A method of optically controlled theranostics that includes the following steps:
i) выбирают фермент люциферазы и ее субстрат,i) select the luciferase enzyme and its substrate,
ii) выбирают терапевтическую молекулу,ii) select a therapeutic molecule,
iii) выбирают наночастицы, способные сорбировать упомянутый субстрат и упомянутую терапевтическую молекулу,iii) selecting nanoparticles capable of sorbing said substrate and said therapeutic molecule,
iv) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором упомянутого субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iv) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of said substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
v) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором упомянутой терапевтической молекулы для ее сорбции в наночастицу,v) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of said therapeutic molecule for its sorption into the nanoparticle,
vi) конъюгируют упомянутые наночастицы с упомянутым ферментом люциферазой,vi) conjugating said nanoparticles with said luciferase enzyme,
vii) отмывают не связавшийся с упомянутой наночастицей упомянутый субстрат и получают тераностические автономно-биолюминесцирующие наночастицы,vii) washing off said substrate that is not bound to said nanoparticle and obtaining theranostic autonomously bioluminescent nanoparticles,
viii) индуцируют в организме цитоблокаду макрофагальной фагоцитарной системы за счет введения антител против эритроцитов упомянутого организма,viii) induce cytoblockade of the macrophage phagocytic system in the body by introducing antibodies against the erythrocytes of the said organism,
ix) вводят в организм упомянутые тераностические автономно-биолюминесцирующие наночастицы, ix) introduce into the body the mentioned theranostic autonomously bioluminescent nanoparticles,
x) детектируют биолюминесцентный сигнал от упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц для оптического мониторинга локализации доставки упомянутых наночастиц, несущих упомянутую терапевтическую молекулу, в организме.x) detecting a bioluminescent signal from said autonomously bioluminescent nanoparticles to optically monitor the localization of delivery of said nanoparticles carrying said therapeutic molecule in the body.
СловарьDictionary
Если иное не определено, нижеследующие термины имеют следующие значения при интерпретации формулы и описания изобретения: Unless otherwise defined, the following terms have the following meanings when interpreting the claims and description of the invention:
0) В рамках данного описания термины «наночастица», «наноагент», «микрочастица», «наномаркер», «нанометка» и их производные могут использоваться взаимозаменяемо. В рамках данного описания, где применимо, термины «биолюминесценция», «люминесценция» и их производные могут использоваться взаимозаменяемо.0) Within the framework of this description, the terms "nanoparticle", "nanoagent", "microparticle", "nanomarker", "nanotag" and their derivatives may be used interchangeably. Within the framework of this description, where applicable, the terms "bioluminescence", "luminescence" and their derivatives may be used interchangeably.
1) «иммунохроматографический тест» – помещение образца, в котором может находиться целевая нуклеотидная последовательность, на тест-полоску из хроматографичского материала с последующим латеральным перемещением образца по тест-полоске за счет капиллярных сил и его связывание с различными реагентами, размещенными на тест-полоске.1) "immunochromatographic test" - placing a sample, which may contain a target nucleotide sequence, on a test strip made of chromatographic material, followed by lateral movement of the sample along the test strip due to capillary forces and its binding to various reagents placed on the test strip.
2) "тест-полоска" – хроматографическая среда, в которой может быть проведен анализ. Тест-полоска содержит «зону нанесения» для нанесения образца и «зону связывания» (тест-линия), содержащую иммобилизованный связывающий реагент или же связывающую нуклеотидный последовательность, способные к связыванию и иммобилизации детектируемой нуклеотидной последовательности. Зона связывания, как правило, обладает существенно меньшей площадью поверхности, чем тест-полоска и содержит иммобилизованный связывающий реагент или же иммобилизованную связывающую нуклеотидную последовательность. Зона связывания может иметь форму точки, линии, кривой, полосы или же паттерна из точек, линий, кривых, полос или же их комбинации. Как правило, направление перемещения образца по тест-полоске пересекает зону связывания. Для данного изобретения предпочтительным является формирование сигнала в зоне связывания в форме четко-очерченного паттерна, резко отличающегося от сигнала, формируемого в других частях тест-полоски. Например, зона связывания может иметь форму аббревиатуры названия или названий аналита или аналитов в исследуемом образце.2) "test strip" - a chromatographic medium in which the analysis can be carried out. The test strip contains an "application zone" for applying a sample and a "binding zone" (test line) containing an immobilized binding reagent or a binding nucleotide sequence capable of binding and immobilizing the nucleotide sequence to be detected. The binding zone, as a rule, has a significantly smaller surface area than the test strip and contains an immobilized binding reagent or an immobilized binding nucleotide sequence. The binding zone can have the form of a point, line, curve, strip, or a pattern of points, lines, curves, stripes, or a combination thereof. As a rule, the direction of movement of the sample along the test strip intersects the binding zone. For the present invention, it is preferable to form a signal in the binding zone in the form of a clearly defined pattern, sharply different from the signal formed in other parts of the test strip. For example, the binding zone may be in the form of an abbreviation of the name or names of the analyte or analytes in the sample being tested.
3) Термин «партнер для связывания» относится к паре молекул и/или частиц, способным распознавать друг друга (целиком или частично) и образовывать как ковалентные, так и нековалентные связи. Существует ряд часто используемых пар для связывания, а также структур на основе таких пар. Среди них можно выделить системы, основанные на взаимодействии антиген/антитело, гаптен/антигаптен, диоксигенин/антидиоксигенин F(ab’)2, фолиевая кислота/фолат-связывающий белок, биотин/стрептавидин, биотин/авидин, протеин А(G)/иммуноглобулины, комплементарные сегменты нуклеиновых кислот, вирус/клеточный рецептор, лектин/карбогидрат, фермент/ингибитор, фермент/субстрат. Также, известны системы, в которых партеры по связыванию образовывают ковалентные связи за счет наличия у таких партнеров аминореакционных групп, таких как сукцинимидиловые эфиры, изотиоционат, сульфонил галиды, или сульфгидрильные реакционные группы, включая производные галоацетатов и малеимидов, функциональные группы клик-химии. Другими партнерами для связывания могут быть галогены, стероиды и 2,4 – динитрофенилы. Для целей настоящего описания, термин «партнер для связывание» относится и к «распознающему рецептору» и его лиганду. При этом в некоторых воплощения изобретения говорят о первом и втором (соотвествующем первому) партнере для связывания, образующих молекулярный интерфейс для связывания (конъюгации) двух объектов друг с другом. Т.е. системы ковалентной химии, позволяющие связаться два объекта друг с другом тоже подпадают под данный термин (см. системы, описанные в книге Bioconjugate Techniques, Greg T. Hermanson. Academic Press, San Diego, CA. 1996 и ее переизадниях).3) The term "binding partner" refers to a pair of molecules and/or particles that are able to recognize each other (in whole or in part) and form both covalent and non-covalent bonds. There are a number of commonly used binding pairs and structures based on such pairs. Among them are systems based on the interaction of antigen/antibody, hapten/antihapten, dioxygenin/antidioxygenin F(ab')2, folic acid/folate-binding protein, biotin/streptavidin, biotin/avidin, protein A(G)/immunoglobulins, complementary segments of nucleic acids, virus/cellular receptor, lectin/carbohydrate, enzyme/inhibitor, enzyme/substrate. Also known are systems in which the binding partners form covalent bonds due to the presence of amino-reactive groups in such partners, such as succinimidyl esters, isothiocyanate, sulfonyl halides, or sulfhydryl reactive groups, including derivatives of haloacetates and maleimides, functional groups of click chemistry. Other binding partners may be halogens, steroids and 2,4-dinitrophenyls. For the purposes of the present description, the term "binding partner" refers to both the "recognition receptor" and its ligand. In some embodiments of the invention, there is a first and a second (corresponding to the first) binding partner, forming a molecular interface for binding (conjugation) of two objects to each other. That is, Covalent chemistry systems that allow two objects to bind to each other also fall under this term (see the systems described in Bioconjugate Techniques, Greg T. Hermanson. Academic Press, San Diego, CA. 1996 and its reprints).
4) Термин «нуклеиновая кислота» обозначает полимер или олигомер, состоящий из нуклеотидов, или соединений, имитирующих их. Также термин относится к олигонуклеотидам, имеющим не встречающееся в природе участки цепи, но проявляющими такие же свойства, как и олигонуклеотиды природного происхождения. Для специалистов должно быть очевидно, что в соответствии с данным изобретением может быть осуществлено большое разнообразие анализов по детекции целевых последовательностей нуклеиновых кислот. Термин «нуклеотид» здесь относится к рибонуклеотидам, дезоксирибонуклеотидам, или аналогам нуклеотидов, имеющих химическую модификацию в одном или нескольких из строительных блоков нуклеотида (азотистых оснований - пурина или пиримидина, сахара, фосфатов). Модификации могут быть, например, проведены в пятой позиции пиримидина, или восьмой позиции пурина, в экзоциклической аминогруппе цитозина, путем замены урацила на 5-бром-урацил, замена гидроксигруппы в 2´-позиции сахара на галогруппу (либо на R, OR, SH, H, SR, NR2, NH2, NHR, CN). Термин также относится к рибонуклеиновым кислотам, встречающимся в живых организмах, либо с замененным основанием (ксантин, ионозин и т.д.) или сахаром (2´-метоксирибоза и т.п.). Также возможна модификация фосфодиэфирной связи, например, образование цепи с помощью фосфоротионатов, метилфосфонатов и пептидов. «Нуклеиновая кислота» может обозначать одно- или двуцепочечную молекулу, состоящую из мономеров (нуклеотидов), включающих в свой состав фрагменты сахаров, фосфатов и пуринов или пиримидинов. В растениях, животных, низших эукариотах и бактериях «рибонуклеиновая кислота» (РНК) выполняет функции трансляции, т.е. служит передатчиком хранящейся в «дезоксирибонуклеиновой кислоте» (ДНК) генетической информации. Термин «фрагмент» обозначает определенную часть последовательности ДНК.4) The term "nucleic acid" means a polymer or oligomer consisting of nucleotides or compounds imitating them. The term also refers to oligonucleotides having a non-naturally occurring portion of the chain, but exhibiting the same properties as oligonucleotides of natural origin. It should be obvious to those skilled in the art that a wide variety of assays for detecting target nucleic acid sequences can be carried out in accordance with the present invention. The term "nucleotide" herein refers to ribonucleotides, deoxyribonucleotides, or nucleotide analogs having a chemical modification in one or more of the nucleotide building blocks (nitrogenous bases - purine or pyrimidine, sugar, phosphates). Modifications can be, for example, carried out at the fifth position of a pyrimidine, or at the eighth position of a purine, in the exocyclic amino group of cytosine, by replacing uracil with 5-bromouracil, replacing the hydroxy group at the 2'-position of a sugar with a halo group (either R, OR, SH, H, SR, NR 2 , NH 2 , NHR, CN). The term also applies to ribonucleic acids occurring in living organisms, either with a replaced base (xanthine, ionosine, etc.) or sugar (2'-methoxyribose, etc.). Modification of the phosphodiester bond is also possible, for example, chain formation with phosphorothionates, methylphosphonates and peptides. "Nucleic acid" can refer to a single- or double-stranded molecule consisting of monomers (nucleotides) that include fragments of sugars, phosphates, and purines or pyrimidines. In plants, animals, lower eukaryotes, and bacteria, "ribonucleic acid" (RNA) performs translation functions, i.e., serves as a transmitter of genetic information stored in "deoxyribonucleic acid" (DNA). The term "fragment" refers to a specific part of a DNA sequence.
5) Метод анализа и его аппаратурная реализация, относящийся к данному изобретению, может детектировать целевую нуклеиновую кислоту или другие вещества (собирательный термин – аналит), содержащиеся в различных образцах. Термин «образец» здесь относится к любой жидкости, потенциально содержащей аналиты. Образец может быть получен из человеческих или других животных тканей или жидкостей (кровь/сыворотка крови, моча, слюна, слеза, мокрота, пот, слизь, стул), из образцов культивирования клеток тканей, гистологических образцов, образцов биопсии и т.д. Образец также может быть получен из продуктов сельского хозяйства, бактерий, вирусов, либо их продуктов жизнедеятельности и обработки. Также образцом может служить различный мусор и отходы, продукты их переработки, питьевая и сточные воды, продукты питания в обработанном или сыром виде, воздух и т.д. В случае реализации данного изобретения для детектирования искомых последовательностей нуклеиновых кислот, оно может быть применено для анализа генетических отклонений и множества других заболеваний, служить для контроля протекания лечения инфекционных болезней, а также для множества других применений.5) The method of analysis and its hardware implementation related to the present invention can detect a target nucleic acid or other substances (collectively, analyte) contained in various samples. The term "sample" herein refers to any liquid potentially containing analytes. The sample can be obtained from human or other animal tissues or liquids (blood/blood serum, urine, saliva, tears, sputum, sweat, mucus, stool), from tissue cell culture samples, histological samples, biopsy samples, etc. The sample can also be obtained from agricultural products, bacteria, viruses, or their waste products and processing. Various garbage and waste, their processed products, drinking and waste water, processed or raw food products, air, etc. can also serve as a sample. If this invention is implemented for detecting desired nucleic acid sequences, it can be used to analyze genetic abnormalities and many other diseases, serve to monitor the progress of treatment of infectious diseases, and for many other applications.
6) Термин «распознающий олигонуклеотид» обозначает НК, содержащую последовательность, комплементарную анализируемой (целевой) нуклеиновой кислоте (аналиту).6) The term “recognition oligonucleotide” refers to an NC containing a sequence complementary to the analyzed (target) nucleic acid (analyte).
7) Термин «сигнал-генерирующий субстрат» обозначает вещество, способное взаимодействовать с сигнальным рецептором и генерировать детектируемый сигнал. Например, ABTS/TMB для пероксидазы, BCIP/MBT для щелочной фосфотазы, свет для флуоресцирующих соединений.7) The term "signal-generating substrate" refers to a substance that can interact with a signaling receptor and generate a detectable signal. For example, ABTS/TMB for peroxidase, BCIP/MBT for alkaline phosphatase, light for fluorescent compounds.
8) Термин «сигнальный рецептор», «сигнал-продуцируемый репортер», «репортер» обозначает вещество, способное детектировать искомый аналит через выделение энергии или путем ферментативной активности, например, флуоресцентные и хемилюминесцентные фрагменты, частицы, ферменты, радиоактивные метки, светоиспускающие домены или молекулы. Для целей этого описания, упоминание данных примеров означает возможность заменить на иные подобные вещества-«сигнальный рецепторы».8) The term "signal receptor", "signal-producing reporter", "reporter" means a substance capable of detecting the analyte of interest through the release of energy or by enzymatic activity, such as fluorescent and chemiluminescent fragments, particles, enzymes, radioactive labels, light-emitting domains or molecules. For the purposes of this description, the mention of these examples means the possibility of replacing them with other similar substances-"signal receptors".
9) Термин «пористый материал» или «хроматографический материал» обозначает материал, имеющий поры не менее 0,1 мкм, предпочтительно не менее 10,0 мкм, достаточного размера для движения по нему жидкостных сред за счет капиллярных сил.9) The term "porous material" or "chromatographic material" means a material having pores of at least 0.1 µm, preferably at least 10.0 µm, of sufficient size to allow liquid media to move through it by capillary forces.
10) Термин «сигнал-продуцирующая система» обозначает совокупность реагентов необходимых для генерации детектируемого сигнала под действием внешнего воздействия. Как правило, такие системы генерируют сигнал, который может быть детектирован внешними средствами – например, путем измерения электромагнитного излучения, или путем визуального наблюдения. В основном, такие системы состоят из хромофорного субстрата и фермента, который превращает субстрат в краситель, поглощающий электромагнитное излучение определенного диапазона, фосфоресцирующие или флуоресцирующие вещества.10) The term "signal-producing system" denotes a set of reagents necessary for generating a detectable signal under the influence of external influence. As a rule, such systems generate a signal that can be detected by external means - for example, by measuring electromagnetic radiation, or by visual observation. Basically, such systems consist of a chromophore substrate and an enzyme that converts the substrate into a dye that absorbs electromagnetic radiation of a certain range, phosphorescent or fluorescent substances.
11) Расположение шпильки от первого или второго конца распознающего олигонуклеотида на расстоянии Х нуклеотидных оснований подразумевает собой, следующее. Местом связывания наночастицы или сигнального рецептора с распознающим олигонуклеотидом следует считать нуклеотид, с которым образована их связь (предпочтительно ковалентная). При этом, если этот нуклеотид является первым в шпильке (т.е. образовывает нековалентную связь с другим нуклеотидом), то расстояние Х=0. Если шпилька начинается с соседнего нуклеотида, то Х=1, и т.д.11) The location of the hairpin from the first or second end of the recognizing oligonucleotide at a distance of X nucleotide bases implies the following. The site of binding of the nanoparticle or signal receptor to the recognizing oligonucleotide should be considered the nucleotide with which their bond is formed (preferably covalent). In this case, if this nucleotide is the first in the hairpin (i.e. forms a non-covalent bond with another nucleotide), then the distance X = 0. If the hairpin begins with the adjacent nucleotide, then X = 1, etc.
12) Под первым/вторым концом одноцепочечного распознающего олигонуклеотида - имеется в виду не фактический конец молекулы, а одна или вторая его сторона. Т.е. нуклеотидное основание распознающего олигонуклеотида, соответствующее месту связи сигнального рецептора или наночастицы предпочтительно находится с краю олигонуклеотида, но может быть и не крайним основанием в олигонуклеотиде. Под нуклеотидным основанием распознающего олигонуклеотида, соответствующем месту связи сигнального рецептора (или наночастицы), подразумевается мономер нуклеиновой кислоты нуклеотид (в т.ч. нуклеозид, сахарид и остаток фосфорной кислоты), с которым связан сигнальный рецептор (или наночастица).12) The first/second end of a single-stranded recognition oligonucleotide refers not to the actual end of the molecule, but to one or the other of its sides. That is, the nucleotide base of the recognition oligonucleotide corresponding to the binding site of the signal receptor or nanoparticle is preferably located at the edge of the oligonucleotide, but may not be the outermost base in the oligonucleotide. The nucleotide base of the recognition oligonucleotide corresponding to the binding site of the signal receptor (or nanoparticle) refers to the monomer of the nucleic acid nucleotide (including nucleoside, saccharide, and phosphoric acid residue) to which the signal receptor (or nanoparticle) is bound.
13) В данном описании, понятия «рецептор» и «лиганд» взаимозаменяемы и могут быть использованы для обозначения индивидуальных молекул в вышеописанном понятии «партнеров для связывания». Так, например, если часто в литературе в парах стрептавидин-биотин, антитело-антиген, под рецептором подразумевается стрептавидин и антитело, а под лигандом – биотин и антиген, то в описании данного изобретения под рецептором может подразумеваться и стрептавидин с антителом, и биотин с антигеном (при этом лигандом будет соответственно – биотин с антигеном и стрептавидин с антителом, соответственно).13) In this description, the concepts of "receptor" and "ligand" are interchangeable and can be used to designate individual molecules in the above-described concept of "binding partners". For example, if in the literature in pairs streptavidin-biotin, antibody-antigen, the receptor is often understood to mean streptavidin and antibody, and the ligand is understood to mean biotin and antigen, then in the description of this invention the receptor can be understood to mean both streptavidin with antibody and biotin with antigen (in this case the ligand will be biotin with antigen and streptavidin with antibody, respectively).
14) Наночастица подразумевает собой частицу в широком диапазоне – от 1 нм до 100 мкм, предпочтительнее от 1 нм до 10 мкм, предпочтительнее – от 1 нм до 1 мкм, предпочтительнее от 1 нм до 100 нм. При этом наночастицы могут быть металлическими, полимерными, структуры ядро-оболочка и т.п. 14) A nanoparticle means a particle in a wide range - from 1 nm to 100 µm, preferably from 1 nm to 10 µm, preferably from 1 nm to 1 µm, preferably from 1 nm to 100 nm. In this case, nanoparticles can be metallic, polymeric, core-shell structures, etc.
15) Термин «наночастицы» подразумевает надмолекулярные структуры, которые состоят из более, чем одной молекулы. При этом, хотя часто наночастицами обозначают объекты до 100 нм, в рамках описания данного изобретения подразумеваются и объекты большие чем 100 нм – предпочтительно до 5мкм, но в некоторых случаях допустим размер и до 100 мкм. Таким образом, под наночастицами подразумевают как наночастицы, так и микрочастицы, микросферы и т.п. Кроме того, подразумеваются частицы с упомянутыми размерами, как по всем измерениям, так и по хотя бы одному.15) The term "nanoparticles" means supramolecular structures that consist of more than one molecule. In this case, although nanoparticles are often used to denote objects up to 100 nm, within the framework of the description of this invention, objects larger than 100 nm are also meant - preferably up to 5 μm, but in some cases a size of up to 100 μm is acceptable. Thus, nanoparticles are understood to mean both nanoparticles and microparticles, microspheres, etc. In addition, particles with the mentioned dimensions are meant, both in all dimensions and in at least one.
16) Терапевтические средства/молекулы/агенты. Под терапевтическими молекулами/агентами могут пониматься как вещества, субстанции, молекулы, надмолекулярные агенты, наночастицы, микрочастицы, наноагенты, микроагенты, формуляции, лекарственные формы, и т.п., которые используются как для терапии, так и диагностики различных заболеваний или состояний организма или пациента, в т.ч. включают в себя метки, контрастные агенты, компоненты с контролируемым высвобождением, парамагнитные и магнитные агенты, цитотоксические агенты, и т.п.16) Therapeutic means/molecules/agents. Therapeutic molecules/agents may be understood as substances, substances, molecules, supramolecular agents, nanoparticles, microparticles, nanoagents, microagents, formulations, dosage forms, etc., which are used both for therapy and diagnostics of various diseases or conditions of the body or patient, including labels, contrast agents, controlled-release components, paramagnetic and magnetic agents, cytotoxic agents, etc.
17) «Меткой» или «детектируемым элементом» является композиция, детектируемая спектроскопическими, фотохимическими, биохимическими, иммунохимическими, химическими или другими физическими средствами. Например, широко используемые метки включают в себя 32P, флуоресцентные красители, электронно-плотные реагенты, ферменты (например, как обычно используются в ELISA), биотин, дигоксигенин или гаптены и белки или другие сущности, которые могут быть обнаружены, например, путем включения радиоактивной метки в пептид или антитело, специфически реагирующие с целевым пептидом. Любой метод, известный в данной области для конъюгирования антитела с меткой, может быть использован, например, с использованием методов, описанных в (Hermanson, G. T., Academic press, 2013).17) A "label" or "detectable element" is a composition detectable by spectroscopic, photochemical, biochemical, immunochemical, chemical or other physical means. For example, commonly used labels include 32P, fluorescent dyes, electron-dense reagents, enzymes (e.g., as commonly used in ELISA), biotin, digoxigenin or haptens and proteins or other entities that can be detected, for example, by incorporating a radioactive label into a peptide or antibody specifically reactive with a target peptide. Any method known in the art for conjugating an antibody to a label can be used, for example, using the methods described in (Hermanson, G. T., Academic press, 2013).
18) Используемый здесь термин «фармацевтический» относится к композиции, которая полезна при лечении заболевания или симптома заболевания.18) As used herein, the term "pharmaceutical" refers to a composition that is useful in treating a disease or symptom of a disease.
19) Термин «лечение» или «терапия» (treating, treatment, therapy) относятся к любым признакам успеха при лечении или улучшении заболевания, травм, патологии или состояния, включая любые объективные или субъективные параметры, такие как уменьшение; ремиссия; уменьшение симптомов или замедление ухудшения состояния больного, патологии или состояния пациента; замедление темпов дегенерации; что делает финальную стадию заболевания менее мучительной; улучшение физического или психического благополучия пациента. Лечение или улучшение симптомов могут основываться на объективных или субъективных параметрах; включая результаты физического обследования, нейропсихиатрических экзаменов и / или психиатрической оценки. Например, определенные методы, представленные здесь, могут успешно лечить рак, уменьшая заболеваемость раком и вызывая ремиссию рака. Термин «лечение» и его продолжения включают профилактику травмы, патологии, состояния или заболевания.19) The term "treating" or "therapy" refers to any evidence of success in treating or improving a disease, injury, pathology, or condition, including any objective or subjective parameters such as reduction; remission; lessening of symptoms or slowing of deterioration of a patient's condition, pathology, or condition; slowing the rate of degeneration; making the final stage of a disease less painful; improving the physical or mental well-being of a patient. Treatment or improvement of symptoms may be based on objective or subjective parameters; including the results of a physical examination, neuropsychiatric examinations, and/or psychiatric evaluation. For example, certain methods presented herein may successfully treat cancer by reducing the incidence of cancer and inducing remission of cancer. The term "treatment" and its extensions include prevention of an injury, pathology, condition, or disease.
20) «Болезнь» или «состояние» относятся к состоянию здоровья пациента или субъекта, подлежащему лечению различными лекарственными средствами, дисперсиями, или другими методами, представленными в настоящем документе.20) “Disease” or “condition” refers to the health condition of a patient or subject that is treatable by the various drugs, dispersions, or other methods provided herein.
21) Используемый здесь термин «контрастный агент»/«контрастное средство» относится к композиции, которая при введении субъекту улучшает предел обнаружения или способность обнаружения физического метода, техники или устройства для медицинской визуализации (например, рентгенографический инструмент, рентген, КТ, ПЭТ, МРТ (MRI), ультразвук и другие методы). Контрастный агент может усилить величину сигналов, связанных с различными структурами или жидкостями внутри субъекта.21) As used herein, the term "contrast agent"/"contrast medium" refers to a composition that, when administered to a subject, improves the detection limit or detection capability of a physical method, technique, or medical imaging device (e.g., radiographic instrument, X-ray, CT, PET, MRI, ultrasound, and other methods). The contrast agent can enhance the magnitude of signals associated with various structures or fluids within the subject.
22) «Пациент» или «нуждающийся в этом субъект» относится к живому организму, страдающему или (возможно) склонному к заболеванию или состоянию, которое можно лечить путем введения лекарства, фармацевтической композиции или агента, как указано в настоящем документе. Неограничивающие примеры включают людей, других млекопитающих, быков, крыс, мышей, собак, обезьян, коз, овец, коров, оленей и других животных, не относящихся к млекопитающим. В частности, пациент может быть человеком.22) "Patient" or "subject in need thereof" refers to a living organism suffering from or (possibly) susceptible to a disease or condition that can be treated by administration of a drug, pharmaceutical composition or agent as described herein. Non-limiting examples include humans, other mammals, bovines, rats, mice, dogs, monkeys, goats, sheep, cows, deer and other non-mammalian animals. In particular, a patient may be a human.
23) Используемый здесь термин «компонент с контролируемым высвобождением» или «агент активируемый внешним воздействием» относится к соединению, которое в сочетании с композицией, описанной здесь (включая варианты осуществления), высвобождает в условиях применения (в пациенте) композицию с контролируемой скоростью. Такие соединения включают высокомолекулярные, анионные мукомиметические полимеры, гелеобразующие полисахариды и тонкодисперсные субстраты носителя лекарственного средства и другие. Эти компоненты более подробно обсуждаются в патентах США 4911920; 5403841; 5212162; и 4861760. Все содержание этих патентов включено в настоящее описание посредством ссылки во всей их полноте для всех целей. В некоторых вариантах осуществление «компонента с контролируемым высвобождением» может представлять собой замедленное высвобождение, продолжительное действие, продолжительное высвобождение, высвобождение во времени, синхронизированное высвобождение, контролируемое высвобождение, модифицированное высвобождение или соединение с непрерывным высвобождением. В некоторых вариантах осуществления, соединение распадается в месте введения (например, подкожного, внутривенного) или внутри пищеварительного тракта (например, желудка, кишечника), если соединение и композицию вводят перорально. В некоторых вариантах осуществления компонент с контролируемым высвобождением является полимером и может называться «полимер с контролируемым высвобождением». Кроме того, агент, активируемые внешним воздействием может активироваться (например, высвобождать терапевтический агент или связываться с мишенью) в результате воздействия внешним магнитным/электрическим полем, ультразвуком, светом, электронным пучком, в результате радиоактивного распада каких-либо атомов, в результате взаимодействия с химическим микроокружением и т.п.23) As used herein, the term "controlled release component" or "externally activated agent" refers to a compound that, when combined with a composition as described herein (including embodiments), releases the composition at a controlled rate under conditions of use (in a patient). Such compounds include high molecular weight, anionic mucomimetic polymers, gel-forming polysaccharides, and finely divided drug carrier substrates, among others. These components are discussed in more detail in U.S. Patents 4,911,920; 5,403,841; 5,212,162; and 4,861,760. The entire contents of these patents are hereby incorporated by reference in their entirety for all purposes. In some embodiments, the "controlled release component" may be a delayed release, sustained action, extended release, timed release, synchronized release, controlled release, modified release, or a sustained release compound. In some embodiments, the compound disintegrates at the site of administration (e.g., subcutaneous, intravenous) or within the digestive tract (e.g., stomach, intestine) if the compound and composition are administered orally. In some embodiments, the controlled release component is a polymer and may be referred to as a "controlled release polymer." Additionally, an externally activated agent may be activated (e.g., release a therapeutic agent or bind to a target) by exposure to an external magnetic/electric field, ultrasound, light, electron beam, radioactive decay of any atoms, interaction with a chemical microenvironment, etc.
24) Используемый здесь термин «парамагнитный агент»/«парамагнитное средство» относится к парамагнитному соединению, полезному в диагностических методах визуализации (например, магнитно-резонансная томография) в качестве контрастного агента. В некоторых вариантах осуществления парамагнитный агент включает гадолиний, оксид железа, платину железа или марганец.24) As used herein, the term "paramagnetic agent"/"paramagnetic means" refers to a paramagnetic compound useful in diagnostic imaging techniques (e.g., magnetic resonance imaging) as a contrast agent. In some embodiments, the paramagnetic agent comprises gadolinium, iron oxide, platinum iron, or manganese.
25) Варианты цитотоксических средств (агентов, токсинов) включают, но не ограничиваются следующими веществами: рицин, доксорубицин, даунорубицин, таксол, бромид этидия, митомицин, этопозид, тенопозид, винкристин, винбластин, колхицин, дигидроксиантрациндион, актиномицин D, дифтерийный токсин, экзотоксин Pseudomonas (PE) A, PE40, абрин и глюкокортикоид и другие химиотерапевтические агенты, а также радиоизотопы. Подходящие детектируемые маркеры включают, но не ограничиваются следующими веществами, радиоизотоп, флуоресцентное соединение, биолюминесцентное соединение, хемилюминесцентное соединение, хелатор металла или фермент.25) Cytotoxic agent (toxin) options include, but are not limited to, ricin, doxorubicin, daunorubicin, taxol, ethidium bromide, mitomycin, etoposide, tenoside, vincristine, vinblastine, colchicine, dihydroxyanthracinatedione, actinomycin D, diphtheria toxin, Pseudomonas exotoxin (PE) A, PE40, abrin, and glucocorticoid and other chemotherapeutic agents, as well as radioisotopes. Suitable detectable markers include, but are not limited to, a radioisotope, a fluorescent compound, a bioluminescent compound, a chemiluminescent compound, a metal chelator, or an enzyme.
26) Неполный список иммунологических анализов включает в себя: конкурентные и неконкурентные форматы, иммуноферментные анализы в плашке (ELISA), микроточечные анализы, вестерн-блоты, гель-фильтрацию и хроматографию, иммунохроматографию, иммуногистохимию, проточную цитометрию или сортировку клеток, помеченных флуоресцентной меткой (FACS), микрочипов и т. д. Такие методы также могут быть использованы in situ, ex vivo, in vitro или in vivo, например, для диагностической визуализации.26) A non-exhaustive list of immunoassays includes: competitive and non-competitive formats, enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA), microdot assays, Western blots, gel filtration and chromatography, immunochromatography, immunohistochemistry, flow cytometry or fluorescently labeled cell sorting (FACS), microarrays, etc. Such methods can also be used in situ, ex vivo, in vitro or in vivo, such as for diagnostic imaging.
Следует отметить, что во всей заявке альтернативы записаны в группах Маркуша, например, каждое положение терапевтического агента, может содержать более одного возможного терапевтического агента. В частности, предполагается, что каждый член группы Маркуша следует рассматривать отдельно, тем самым, содержащий другой вариант осуществления, и группа Маркуша не должна читаться как единое целое.It should be noted that throughout the application, alternatives are written in Markush groups, such that each position of the therapeutic agent may contain more than one possible therapeutic agent. In particular, it is intended that each member of the Markush group should be considered separately, thereby containing a different embodiment, and the Markush group should not be read as a single whole.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Далее будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых приведены лишь некоторые, но не все варианты осуществления изобретения.Embodiments of the present invention will now be described more fully with reference to the accompanying drawings, which show some, but not all, embodiments of the invention.
В рамках данного изобретения предложен:Within the framework of this invention, the following is proposed:
Способ оптически-контролируемой тераностики, который включает следующие шаги:A method of optically controlled theranostics that includes the following steps:
i) выбирают фермент люциферазы и ее субстрат,i) select the luciferase enzyme and its substrate,
ii) выбирают терапевтическую молекулу,ii) select a therapeutic molecule,
iii) выбирают наночастицы, способные сорбировать упомянутый субстрат и упомянутую терапевтическую молекулу,iii) selecting nanoparticles capable of sorbing said substrate and said therapeutic molecule,
iv) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором упомянутого субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iv) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of said substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
v) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором упомянутой терапевтической молекулы для ее сорбции в наночастицу,v) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of said therapeutic molecule for its sorption into the nanoparticle,
vi) конъюгируют упомянутые наночастицы с упомянутым ферментом люциферазой,vi) conjugating said nanoparticles with said luciferase enzyme,
vii) отмывают не связавшийся с упомянутой наночастицей упомянутый субстрат и получают тераностические автономно-биолюминесцирующие наночастицы,vii) washing off said substrate that is not bound to said nanoparticle and obtaining theranostic autonomously bioluminescent nanoparticles,
viii) индуцируют в организме цитоблокаду макрофагальной фагоцитарной системы за счет введения антител против эритроцитов упомянутого организма,viii) induce cytoblockade of the macrophage phagocytic system in the body by introducing antibodies against the erythrocytes of the said organism,
ix) вводят в организм упомянутые тераностические автономно-биолюминесцирующие наночастицы, ix) introduce into the body the mentioned theranostic autonomously bioluminescent nanoparticles,
x) детектируют биолюминесцентный сигнал от упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц для оптического мониторинга локализации доставки упомянутых наночастиц, несущих упомянутую терапевтическую молекулу, в организме.x) detecting a bioluminescent signal from said autonomously bioluminescent nanoparticles to optically monitor the localization of delivery of said nanoparticles carrying said therapeutic molecule in the body.
Кроме того способ, в котором упомянутые наночастицы предварительно функционализируют первым партнером для связывания, люциферазу функционализируют вторым партнером для связывания, а процесс конъюгации наночастицы с люциферазой реализуется за счет взаимодействия первого и второго партнеров для связывания и образования связи между ними.In addition, the method in which the mentioned nanoparticles are pre-functionalized with a first binding partner, the luciferase is functionalized with a second binding partner, and the process of conjugation of the nanoparticle with the luciferase is realized due to the interaction of the first and second binding partners and the formation of a bond between them.
Кроме того способ, в котором упомянутые шаги выполняют в следующей последовательности:In addition, the method in which the said steps are performed in the following sequence:
i) выбирают фермент люциферазы и ее субстрат, а также наночастицы, способные сорбировать упомянутый субстрат,i) selecting the luciferase enzyme and its substrate, as well as nanoparticles capable of sorbing the said substrate,
ii) функционализируют упомянутые наночастицы с первым партнером для связывания, а упомянутую люциферазу со вторым партнером для связывания,ii) functionalizing said nanoparticles with a first binding partner and said luciferase with a second binding partner,
iii) смешивают и инкубируют упомянутые функционализированные наночастицы с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iii) mixing and incubating said functionalized nanoparticles with a solution of a substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
iv) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой, за счет конъюгации упомянутых функционализированных наночастиц с упомянутым функционализированным ферментом люциферазой в условиях связывания упомянутых первого и второго партнера для связывания, а шаг упомянутой отмывки не связавшегося с наночастицей субстрата выполняют либо после шага (iii), либо после шага (iv).iv) conjugating said nanoparticles with the luciferase enzyme by conjugating said functionalized nanoparticles with said functionalized luciferase enzyme under binding conditions of said first and second binding partners, and the step of said washing of the substrate not bound to the nanoparticle is performed either after step (iii) or after step (iv).
Кроме того способ, в котором упомянутые первый и второй партнер для связывания являются биотином и стрептавидином.In addition, a method in which said first and second binding partners are biotin and streptavidin.
Кроме того способ, в котором упомянутый шаг смешивания и инкубации упомянутых наночастиц с раствором упомянутого субстрата выполняют после упомянутого шага конъюгации упомянутых наночастиц с упомянутым ферментом люциферазой.In addition, a method in which said step of mixing and incubating said nanoparticles with a solution of said substrate is performed after said step of conjugating said nanoparticles with said luciferase enzyme.
Кроме того способ, в котором упомянутый шаг смешивания и инкубации упомянутых наночастиц с раствором упомянутого субстрата выполняют до упомянутого шага конъюгации упомянутых наночастиц с упомянутым ферментом люциферазой.In addition, a method in which said step of mixing and incubating said nanoparticles with a solution of said substrate is performed before said step of conjugating said nanoparticles with said luciferase enzyme.
Кроме того способ, в котором отмывают конъюгаты наночастиц с люциферазой от несвязавшейся люциферазы.In addition, a method in which luciferase-nanoparticle conjugates are washed from unbound luciferase.
Кроме того способ, в котором выбирают наночастицы способные сорбировать субстрат упомянутой люциферазы с загрузкой по массе субстрата более 0.1% от массы наночастицы.In addition, a method is used in which nanoparticles are selected that are capable of sorbing the substrate of the mentioned luciferase with a substrate mass loading of more than 0.1% of the mass of the nanoparticle.
Кроме того способ, в котором выбирают наночастицы способные сорбировать субстрат упомянутой люциферазы с загрузкой по массе субстрата более 1% от массы наночастицы.In addition, a method in which nanoparticles capable of sorbing the substrate of the mentioned luciferase are selected with a substrate mass loading of more than 1% of the nanoparticle mass.
Кроме того способ, в котором выбирают наночастицы способные сорбировать субстрат упомянутой люциферазы с загрузкой по массе субстрата более 10% от массы наночастицы.In addition, a method in which nanoparticles capable of sorbing the substrate of the mentioned luciferase are selected with a substrate mass loading of more than 10% of the nanoparticle mass.
Кроме того способ, в котором упомянутые наночастицы являются полимерными наночастицами.In addition, the method in which said nanoparticles are polymeric nanoparticles.
Кроме того способ, в котором упомянутые наночастицы являются металлорганическими каркасными полимерными частицами.In addition, the method in which said nanoparticles are metal-organic framework polymer particles.
Кроме того способ, в котором упомянутые наночастицы являются наночастицами на основе сополимера молочной и гликолевой кислот.In addition, the method in which the said nanoparticles are nanoparticles based on a copolymer of lactic and glycolic acids.
Кроме того способ, в котором упомянутые наночастицы являются магнитными наночастицами, покрытыми карбоксиметилдекстраном.Furthermore, a method in which said nanoparticles are magnetic nanoparticles coated with carboxymethyldextran.
Кроме того способ, в котором упомянутая люцифераза является люциферазой Nanoluc.In addition, the method in which the said luciferase is Nanoluc luciferase.
Кроме того способ, в котором упомянутый субстрат является одним из ряда: фуримазин, коэлентеразин или их аналогами.In addition, the method in which the said substrate is one of the following: furimazine, coelenterazine or their analogues.
Кроме того способ, в котором дополнительно конъюгируют наночастицу с рецептором для нацеливания упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц на специфическую мишень.In addition, a method in which the nanoparticle is additionally conjugated with a receptor for targeting said autonomously bioluminescent nanoparticles to a specific target.
Кроме того способ, в котором упомянутая люцифераза является смесью нескольких люцифераз.Also, a method in which the said luciferase is a mixture of several luciferases.
Кроме того способ, в котором упомянутый субстрат является смесью нескольких субстратов.Also a method in which said substrate is a mixture of several substrates.
Кроме того, способ, в котором упомянутый рецептор или второй рецептор (распознающие) являются лектином, антителом, или иным «партнером для связывания» аналита.Furthermore, a method in which said receptor or second receptor (recognition) is a lectin, antibody, or other "binding partner" of the analyte.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный образец является биопсийным материалом.In addition, a method in which said cell sample is biopsy material.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный образец является гистологическим срезом.In addition, a method in which said cell sample is a histological section.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный образец является образцом суспендированных клеток.Furthermore, a method wherein said cell sample is a suspended cell sample.
Кроме того, способ, в котором упомянутый биолюминесцентный сигнал детектируется (излучается) на длинах волн испускания 350-400, 400-450, 450-500, 500-550, 550-600, 600-650, 650-700, 750-800, 800-850, 850-900, 900-950.In addition, a method in which the said bioluminescent signal is detected (emitted) at emission wavelengths of 350-400, 400-450, 450-500, 500-550, 550-600, 600-650, 650-700, 750-800, 800-850, 850-900, 900-950.
Кроме того, способ, в котором эмиссия находится в диапазоне 400-525 нм.In addition, the method in which the emission is in the range of 400-525 nm.
Кроме того, способ, в котором эмиссия находится в диапазоне 525-700 нм.In addition, the method in which the emission is in the range of 525-700 nm.
Кроме того, способ, в котором упомянутый молекулярный маркер является клеточным маркером.Furthermore, a method in which said molecular marker is a cellular marker.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный маркер выбран из ряда: EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.In addition, the method, wherein said cellular marker is selected from the series: EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.
Кроме того, способ и/или нанометка, используемые в диагностике заболеваний или состояний организма.In addition, a method and/or nanolabel used in the diagnosis of diseases or conditions of the body.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный маркер является молекулярным маркером, экспрессируемым в цитоплазме клетки.Furthermore, a method in which said cellular marker is a molecular marker expressed in the cytoplasm of a cell.
Кроме того, способ и/или нанометка, используемые в генной терапии заболеваний или состояний организма.In addition, a method and/or nanolabel used in gene therapy of diseases or conditions of the body.
Кроме того, способ, в котором упомянутый аналит является малой молекулой.In addition, a method in which said analyte is a small molecule.
Кроме того, способ, в котором упомянутый аналит является белком.In addition, a method wherein said analyte is a protein.
Кроме того, способ, в котором упомянутый аналит является нуклеиновой кислотой.In addition, a method in which said analyte is a nucleic acid.
Кроме того, способ, в котором упомянутая тест-полоска является иммунохроматографической тест-полоской, тонкослойной или аффинной хроматографической тест-полоской.In addition, the method in which said test strip is an immunochromatographic test strip, a thin layer or an affinity chromatographic test strip.
Кроме того, способ, в котором упомянутая тест-полоска содержит в себе нитроцеллюлозную мембрану.In addition, the method in which the said test strip contains a nitrocellulose membrane.
Кроме того, способ, в котором детектирование количества задержавщихся на тест-линии частиц упомянутых углеродных квантовых точек осуществляют в течении менее чем 2, 3, 5, 7, 10, 15, 20 минут после начала анализа.In addition, a method in which the detection of the amount of particles of said carbon quantum dots retained on the test line is carried out within less than 2, 3, 5, 7, 10, 15, 20 minutes after the start of the analysis.
Кроме того, способ, в котором упомянутое отмывание производят ультрафильтрацией.In addition, the method in which the said washing is carried out by ultrafiltration.
Кроме того, способ, в котором упомянутое отмывание производят центрифугированием.In addition, the method in which the said washing is carried out by centrifugation.
Кроме того, способ, в котором упомянутая люцифераза является одной из ряда: люцифераза nanoLuc, люцифераза светлячка, Renilla люцифераза, Gaussia люцифераза.In addition, the method in which said luciferase is one of: nanoLuc luciferase, firefly luciferase, Renilla luciferase, Gaussia luciferase.
Кроме того, способ, в котором упомянутая люцифераза является смесью нескольких люцифераз.In addition, a method in which said luciferase is a mixture of several luciferases.
Кроме того, способ, в котором упомянутый субстрат является субстратом, выбранным из группы: хромогенный субстрат, флуорогенный субстрат, или хемилюминесцентных субстрат.Furthermore, a method in which said substrate is a substrate selected from the group: a chromogenic substrate, a fluorogenic substrate, or a chemiluminescent substrate.
Кроме того, способ, в котором упомянутое антитело является выбранным из группы: аммаиммуноглобулин, иммуноглобулин G1 (IgG1), иммуноглобулин G2 (IgG2), иммуноглобулин G3 (IgG3), иммуноглобулин G4 (IgG4), иммуноглобулин M, иммуноглобулин A, иммуноглобулин E, иммуноглобулин D, Fab-фрагмент антитела, Fab'-фрагмент антитела, Fab'2-фрагмент антитела, F(ab')2-фрагмент антитела, scFv-фрагмент антитела, нанободи, scFv-Fc фрагменты, scFv-scFv (диабоди), биспецифические scFv фрагменты, Fab-scFv-фрагмент антитела.Furthermore, a method in which said antibody is selected from the group: aminoglobulin, immunoglobulin G1 (IgG1), immunoglobulin G2 (IgG2), immunoglobulin G3 (IgG3), immunoglobulin G4 (IgG4), immunoglobulin M, immunoglobulin A, immunoglobulin E, immunoglobulin D, Fab antibody fragment, Fab' antibody fragment, Fab'2 antibody fragment, F(ab')2 antibody fragment, scFv antibody fragment, nanobody, scFv-Fc fragments, scFv-scFv (diabody), bispecific scFv fragments, Fab-scFv antibody fragment.
Кроме того, способ, в котором упомянутое антитело является генно-инженерным аналогом из группы: авимеры, адгироны, аднектины, монободи, атриметры, антикалины, аффибоди, аффилины, аффимеры, аффитины, нанофитины, дарпины, кноттины, ободи, полипептиды на основе домена Кунитца, пронектины, репебоди, финомеры, центирины, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ белки.In addition, a method in which the said antibody is a genetically engineered analogue from the group: avimers, adgyrons, adnectins, monobodies, atrimers, anticalins, affibodies, affilins, affimers, affitins, nanophytins, darpins, knottins, obodis, Kunitz domain-based polypeptides, pronectins, repbodys, phynomers, centirins, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ proteins.
Кроме того, способ синтеза автономных биолюминесцирующих наночастиц, который включает следующие шаги:In addition, a method for synthesizing autonomous bioluminescent nanoparticles, which includes the following steps:
i) выбирают наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,i) select nanoparticles capable of sorbing small molecules,
ii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой,ii) conjugate said nanoparticles with the enzyme luciferase,
iii) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iii) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of a substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
iv) отмывают не связавшийся с наночастицей субстрат и получают автономно-биолюминесцирующие наночастицы.iv) the substrate not bound to the nanoparticle is washed off and autonomously bioluminescent nanoparticles are obtained.
Кроме того, способ, который включает следующие шаги:In addition, the method includes the following steps:
i) выбирают наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,i) select nanoparticles capable of sorbing small molecules,
ii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой,ii) conjugate said nanoparticles with the enzyme luciferase,
iii) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы или полученный конъюгат наночастицы-люциферазы в случае если шаг (iii) перед шагом (iii) с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iii) mixing and incubating said nanoparticles or the resulting nanoparticle-luciferase conjugate in the case of step (iii) before step (iii) with a solution of the substrate of said luciferase for sorption of the substrate into the nanoparticle,
iv) отмывают не связавшийся с наночастицей субстрат и получают автономно-биолюминесцирующие наночастицы.iv) the substrate not bound to the nanoparticle is washed off and autonomously bioluminescent nanoparticles are obtained.
Кроме того, способ, который включает следующие шаги:In addition, the method includes the following steps:
i) выбирают полимерные наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,i) polymer nanoparticles capable of sorbing small molecules are selected,
ii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой напрямую или через дополнительный биомолекулярный интерфейс,ii) conjugate said nanoparticles with the luciferase enzyme directly or through an additional biomolecular interface,
iii) смешивают и инкубируют полученные конъюгаты с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицы конъюгата,iii) mixing and incubating the resulting conjugates with a solution of the substrate of the said luciferase to adsorb the substrate into the conjugate nanoparticles,
iv) отмывают не связавшийся с конъюгатами субстрат и получают автономно долговременно-биолюминесцирующие наночастицы,iv) the substrate not bound to the conjugates is washed away and autonomously long-term bioluminescent nanoparticles are obtained,
отличающиеся тем, что не требуют добавления субстрата при применении наночастиц.characterized in that they do not require the addition of a substrate when using nanoparticles.
Кроме того, способ, который включает следующие шаги:In addition, the method includes the following steps:
i) выбирают наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,i) select nanoparticles capable of sorbing small molecules,
ii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой,ii) conjugate said nanoparticles with the enzyme luciferase,
iii) смешивают и инкубируют полученные конъюгаты с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу конъюгата,iii) mixing and incubating the resulting conjugates with a solution of the substrate of the said luciferase to adsorb the substrate into the conjugate nanoparticle,
iv) отмывают не связавшийся с конъюгатом субстрат и получают автономно-биолюминесцирующие наночастицы.iv) the substrate not bound to the conjugate is washed away and autonomously bioluminescent nanoparticles are obtained.
Кроме того, способ, который включает следующие шаги:In addition, the method includes the following steps:
i) выбирают наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,i) select nanoparticles capable of sorbing small molecules,
iii) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iii) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of a substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
iv) отмывают не связавшийся с наночастицей субстрат, iv) the substrate that has not bound to the nanoparticle is washed away,
ii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой,ii) conjugate said nanoparticles with the enzyme luciferase,
опционально iv) отмывают не связавшиюся ся с наночастицей люциферазу,optionally iv) washing off the luciferase that is not bound to the nanoparticle,
и получают автономно-биолюминесцирующие наночастицы.and obtain autonomously bioluminescent nanoparticles.
Кроме того, способ, в котором есть дополнительные шаги отмывки между указанными шагами.In addition, a method in which there are additional washing steps between the specified steps.
Кроме того, способ, в котором дополнительно отмывают конъюгаты наночастиц с люциферазой от несвязавшейся люциферазы после конъюгации упомянутой наночастицы с ферментом люциферазой.In addition, a method in which conjugates of nanoparticles with luciferase are additionally washed from unbound luciferase after conjugation of said nanoparticle with the luciferase enzyme.
Кроме того, способ, в котором упомянутая люцифераза является люциферазой Firefly.In addition, a method in which said luciferase is Firefly luciferase.
Кроме того, способ, в котором упомянутый субстрат является люциферином. In addition, a method wherein said substrate is luciferin.
Кроме того, способ, в котором упомянутый субстрат является смесью люциферина и АТФ. Furthermore, a method in which said substrate is a mixture of luciferin and ATP.
Кроме того, способ, в котором упомянутый субстрат является смесью люциферина, АТФ, коэзима-А. In addition, a method in which said substrate is a mixture of luciferin, ATP, coenzyme A.
Кроме того, способ, в котором полученные автономные биолюминесцирующие наночастицы производят детектируемых свет долее 10 минут, предпочтительнее 30 минут, долее предпочтительнее 1 часа, долее предпочтительнее 3 часов, долее предпочтительнее 10 часов, долее предпочтительнее 24 часов, долее предпочтительнее 48 часов, долее предпочтительнее 72 часов. In addition, a method in which the obtained autonomous bioluminescent nanoparticles produce detectable light for more than 10 minutes, more preferably 30 minutes, more preferably 1 hour, more preferably 3 hours, more preferably 10 hours, more preferably 24 hours, more preferably 48 hours, more preferably 72 hours.
Кроме того, способ, в котором отмывают не связавшийся с наночастицей субстрат так, чтобы концентрация субстрата в надосадке сократилась более чем в 10 раз, предпочтительнее в 30 раз, предпочтительнее в 100 раз, предпочтительнее в 300 раз, предпочтительнее в 1000 раз, предпочтительнее в 10000 раз, предпочтительнее в 100000 раз, предпочтительнее в 1000000 раз по сравнению с концентрацией субстрата в растворе при упомянутом смешении упомянутых наночастиц с раствором субстрата упомянутой люциферазы.In addition, a method in which the substrate not bound to the nanoparticle is washed so that the concentration of the substrate in the supernatant is reduced by more than 10 times, preferably 30 times, preferably 100 times, preferably 300 times, preferably 1000 times, preferably 10000 times, preferably 100000 times, preferably 1000000 times, preferably 1,000,000 times compared to the concentration of the substrate in the solution during said mixing of said nanoparticles with the substrate solution of said luciferase.
Кроме того, способ, в котором выбирают наночастицы способные сорбировать субстрат упомянутой люциферазы с загрузкой по массе субстрата более 0.001%, предпочтительнее более 0.01%, предпочтительнее более 0.1%, предпочтительнее более 1%, предпочтительнее более 3%, предпочтительнее более 10%, предпочтительнее более 20%, предпочтительнее более 30%, предпочтительнее более 40%, предпочтительнее более 50% от массы наночастицы.In addition, a method in which nanoparticles are selected that are capable of sorbing the substrate of the said luciferase with a substrate weight loading of more than 0.001%, preferably more than 0.01%, preferably more than 0.1%, preferably more than 1%, preferably more than 3%, preferably more than 10%, preferably more than 20%, preferably more than 30%, preferably more than 40%, preferably more than 50% of the nanoparticle weight.
Кроме того, способ, в котором упомянутую инкубацию проводят не менее 1 минуты, не менее 2 минут, не менее 5 минут, не менее 10 минут, не менее 20 минут, не менее 30 минут, не менее 45 минут, не менее 60 минут, не менее 120 минут, не менее 180 минут, не менее 480 минут.In addition, a method in which the said incubation is carried out for at least 1 minute, at least 2 minutes, at least 5 minutes, at least 10 minutes, at least 20 minutes, at least 30 minutes, at least 45 minutes, at least 60 minutes, at least 120 minutes, at least 180 minutes, at least 480 minutes.
Кроме того, способ, в котором упомянутую инкубацию проводят не более 1 минуты, не более 2 минут, не более 5 минут, не более 10 минут, не более 20 минут, не более 30 минут, не более 45 минут, не более 60 минут, не более 120 минут, не более 180 минут, не более 480 минут.In addition, a method in which the said incubation is carried out for no more than 1 minute, no more than 2 minutes, no more than 5 minutes, no more than 10 minutes, no more than 20 minutes, no more than 30 minutes, no more than 45 minutes, no more than 60 minutes, no more than 120 minutes, no more than 180 minutes, no more than 480 minutes.
Кроме того, способ, в котором на шаге конъюгации с люциферазой дополнительно конъюгируют наночастицу с рецептором для нацеливания упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц на специфическую мишень.Furthermore, a method in which, in the step of conjugation with luciferase, the nanoparticle is further conjugated with a receptor for targeting said autonomously bioluminescent nanoparticles to a specific target.
Кроме того, способ, в котором выбирают наночастицы, способные сорбировать упомянутый субстрат обратимо.In addition, a method in which nanoparticles are selected that are capable of sorbing the said substrate reversibly.
Кроме того, способ, в котором упомянутая люцифераза является люциферазой nanoLuc, люцифераза светлячка, термостабильная люцифераза, Renilla люцифераза, Gaussia люцифераза либо их генно-инженерно мутированными формами.In addition, a method in which said luciferase is nanoLuc luciferase, firefly luciferase, thermostable luciferase, Renilla luciferase, Gaussia luciferase or genetically engineered mutated forms thereof.
Кроме того, способ детекции аналита в образце, включающий следующие стадии:In addition, a method for detecting an analyte in a sample, including the following steps:
i) выбирают наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,i) select nanoparticles capable of sorbing small molecules,
ii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой,ii) conjugate said nanoparticles with the enzyme luciferase,
iii) конъюгируют упомянутые наночастицы с рецептором к аналиту или молекулярным аналогом аналита,iii) conjugating said nanoparticles with a receptor for the analyte or a molecular analogue of the analyte,
iv) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iv) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of a substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
v) отмывают не связавшийся с наночастицей субстрат и получают функционализированные автономно-биолюминесцирующие наночастицы,v) the substrate not bound to the nanoparticle is washed off and functionalized autonomously bioluminescent nanoparticles are obtained,
vi) смешивают упомянутый образец с суспензией упомянутых функционализированных автономно-биолюминесцирующих наночастиц, vi) mixing said sample with a suspension of said functionalized autonomously bioluminescent nanoparticles,
vii) наносят полученную смесь на тест-полоску, в зоне «тест-линии» которой иммобилизован специфический рецептор, способный распознавать и/или связываться с аналитом или конкурировать с аналитом за связывание с упомянутым рецептором к аналиту упомянутых функционализированных автономно-биолюминесцирующих наночастиц,vii) applying the resulting mixture to a test strip, in the “test line” zone of which a specific receptor is immobilized, capable of recognizing and/or binding to the analyte or competing with the analyte for binding to the said receptor to the analyte of the said functionalized autonomously bioluminescent nanoparticles,
viii) оценивают содержание упомянутого аналита в образце за счет регистрации биолюминесцентного сигнала от задержавшихся на тест-линии упомянутых функционализированных автономно-биолюминесцирующих наночастиц. viii) assessing the content of said analyte in the sample by recording the bioluminescent signal from said functionalized autonomously bioluminescent nanoparticles retained on the test line.
Кроме того, способ, в котором упомянутый аналит является малой молекулой.In addition, a method in which said analyte is a small molecule.
Кроме того, способ, в котором упомянутый аналит является белком.In addition, a method wherein said analyte is a protein.
Кроме того, способ, в котором упомянутый аналит является нуклеиновой кислотой.In addition, a method in which said analyte is a nucleic acid.
Кроме того, способ, в котором упомянутая тест-полоска является иммунохроматографической тест-полоской, тонкослойной или аффинной хроматографической тест-полоской.In addition, the method in which said test strip is an immunochromatographic test strip, a thin layer or an affinity chromatographic test strip.
Кроме того, способ, в котором упомянутая тест-полоска содержит в себе нитроцеллюлозную мембрану.In addition, the method in which the said test strip contains a nitrocellulose membrane.
Кроме того, способ конкурентного твердофазного анализа для детекции аналита в образце, включающий следующие стадии:In addition, a competitive solid-phase assay method for detecting an analyte in a sample, comprising the following steps:
i) выбирают наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,i) select nanoparticles capable of sorbing small molecules,
ii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой,ii) conjugate said nanoparticles with the enzyme luciferase,
iii) конъюгируют упомянутые наночастицы с рецептором к аналиту,iii) conjugate said nanoparticles with a receptor for the analyte,
iv) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iv) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of a substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
v) отмывают не связавшийся с наночастицей субстрат и получают функционализированные автономно-биолюминесцирующие наночастицы,v) the substrate not bound to the nanoparticle is washed off and functionalized autonomously bioluminescent nanoparticles are obtained,
v) смешивают упомянутый образец с упомянутыми функционализированными автономно-биолюминесцирующими наночастицами, v) mixing said sample with said functionalized autonomously bioluminescent nanoparticles,
ii) контактируют полученную смесь с поверхностью твердой фазы, несущей на себе молекулы аналита или его молекулярного аналога,ii) the resulting mixture is brought into contact with the surface of a solid phase carrying molecules of the analyte or its molecular analogue,
iii) удаляют несвязавшиеся с упомянутой поверхностью твердой фазы упомянутые автономно-биолюминесцирующие наночастицы,iii) removing said autonomously bioluminescent nanoparticles that are not bound to said solid phase surface,
v) регистрируют биолюминесцентный сигнал от связанных с твердой фазой упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц как меру содержания аналита в образце.v) recording the bioluminescent signal from the solid phase-bound said autonomously bioluminescent nanoparticles as a measure of the analyte content in the sample.
Кроме того, способ, в котором поверхность твердой фазы является поверхностью многолуночного планшета.In addition, a method in which the surface of the solid phase is the surface of a multi-well plate.
Кроме того, способ, в котором поверхность твердой фазы является поверхностью 96-, 384- ил 1536-луночного планшета.Furthermore, a method in which the surface of the solid phase is the surface of a 96-, 384-, or 1536-well plate.
Кроме того, способ, в котором упомянутый рецептор является выбранным из группы: антитело моноклональное, антитело поликлональное,Furthermore, a method in which said receptor is selected from the group: a monoclonal antibody, a polyclonal antibody,
Кроме того, способ, в котором упомянутый рецептор является выбранным из группы: аммаиммуноглобулин, иммуноглобулин G1 (IgG1), иммуноглобулин G2 (IgG2), иммуноглобулин G3 (IgG3), иммуноглобулин G4 (IgG4), иммуноглобулин M, иммуноглобулин A, иммуноглобулин E, иммуноглобулин D, Fab-фрагмент антитела, Fab'-фрагмент антитела, Fab'2-фрагмент антитела, F(ab')2-фрагмент антитела, scFv-фрагмент антитела, нанободи, scFv-Fc фрагменты, scFv-scFv (диабоди), биспецифические scFv фрагменты, Fab-scFv-фрагмент антитела.Furthermore, a method in which said receptor is selected from the group: amimmunoglobulin, immunoglobulin G1 (IgG1), immunoglobulin G2 (IgG2), immunoglobulin G3 (IgG3), immunoglobulin G4 (IgG4), immunoglobulin M, immunoglobulin A, immunoglobulin E, immunoglobulin D, Fab antibody fragment, Fab' antibody fragment, Fab'2 antibody fragment, F(ab')2 antibody fragment, scFv antibody fragment, nanobody, scFv-Fc fragments, scFv-scFv (diabody), bispecific scFv fragments, Fab-scFv antibody fragment.
Кроме того, способ, в котором упомянутый рецептор является выбранным из группы: авимеры, адгироны, аднектины, монободи, атриметры, антикалины, аффибоди, аффилины, аффимеры, аффитины, нанофитины, дарпины, кноттины, ободи, полипептиды на основе домена Кунитца, пронектины, репебоди, финомеры, центирины, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ белки.Furthermore, a method in which said receptor is selected from the group: avimers, adgyrons, adnectins, monobodies, atrimers, anticalins, affibodies, affilins, affimers, affitins, nanophytins, darpins, knottins, obodis, Kunitz domain-based polypeptides, pronectins, repbodys, phynomers, centirins, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ proteins.
Кроме того, способ, в котором упомянутый молекулярный аналог аналита представляет собой белок-носитель, конъюгированный с молекулами аналита.Furthermore, a method in which said molecular analogue of the analyte is a carrier protein conjugated to the analyte molecules.
Кроме того, способ твердофазного анализа для детекции аналита в образце, включающий следующие стадии:In addition, a solid-phase analysis method for detecting an analyte in a sample, comprising the following steps:
i) контактируют упомянутого образца с поверхностью твердой фазы, несущей на себе рецептор к аналиту,i) contacting said sample with the surface of a solid phase bearing a receptor for the analyte,
ii) выбирают наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,ii) select nanoparticles capable of sorbing small molecules,
iii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой,iii) conjugate said nanoparticles with the enzyme luciferase,
iv) конъюгируют упомянутые наночастицы с рецептором к аналиту,iv) conjugating said nanoparticles with a receptor for the analyte,
v) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,v) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of the substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
v) отмывают не связавшийся с наночастицей субстрат и получают функционализированные автономно-биолюминесцирующие наночастицы,v) the substrate not bound to the nanoparticle is washed off and functionalized autonomously bioluminescent nanoparticles are obtained,
v) контактируют упомянутые функционализированные автономно-биолюминесцирующие наночастицы с упомянутой поверхностью твердой фазы,v) said functionalized autonomously bioluminescent nanoparticles are contacted with said solid phase surface,
iii) удаляют несвязавшиеся с упомянутой поверхностью твердой фазы упомянутые функционализированные автономно-биолюминесцирующие наночастицы,iii) removing said functionalized autonomously bioluminescent nanoparticles that are not bound to said solid phase surface,
v) регистрируют биолюминесцентный сигнал от связанных с твердой фазой упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц как меру содержания аналита в образце.v) recording the bioluminescent signal from the solid phase-bound said autonomously bioluminescent nanoparticles as a measure of the analyte content in the sample.
Кроме того, способ биовизуализации, который включает следующие шаги:In addition, a bioimaging method that includes the following steps:
i) выбирают наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,i) select nanoparticles capable of sorbing small molecules,
ii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой,ii) conjugate said nanoparticles with the enzyme luciferase,
iii) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iii) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of a substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
iv) отмывают не связавшийся с наночастицей субстрат и получают автономно-биолюминесцирующие наночастицы,iv) the substrate not bound to the nanoparticle is washed off and autonomously bioluminescent nanoparticles are obtained,
v) вводят в организм упомянутые автономно-биолюминесцирующие наночастицы, v) introduce the said autonomously bioluminescent nanoparticles into the body,
vi) детектируют биолюминесцентный сигнал от упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц.vi) detecting a bioluminescent signal from said autonomously bioluminescent nanoparticles.
Кроме того, способ, используемый в диагностике заболеваний или состояний организма.Also, a method used in diagnosing diseases or conditions of the body.
Кроме того, способ микроскопии клеточного образца, который включает следующие шаги:In addition, a method of microscopy of a cell sample, which includes the following steps:
i) выбирают наночастицы, способные сорбировать малые молекулы,i) select nanoparticles capable of sorbing small molecules,
ii) конъюгируют упомянутые наночастицы с ферментом люциферазой,ii) conjugate said nanoparticles with the enzyme luciferase,
iii) смешивают и инкубируют упомянутые наночастицы с раствором субстрата упомянутой люциферазы для сорбции субстрата в наночастицу,iii) mixing and incubating said nanoparticles with a solution of a substrate of said luciferase to sorb the substrate into the nanoparticle,
iv) отмывают не связавшийся с наночастицей субстрат и получают автономно-биолюминесцирующие наночастицы,iv) the substrate not bound to the nanoparticle is washed off and autonomously bioluminescent nanoparticles are obtained,
v) инкубируют полученные упомянутые автономно-биолюминесцирующие наночастицы с клеточным образцом, v) incubating the obtained said autonomously bioluminescent nanoparticles with the cellular sample,
vi) анализируют полученные образцы c помощью оптической микроскопии за счет детекции биолюминесцентного сигнала упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц.vi) the obtained samples are analyzed using optical microscopy by detecting the bioluminescent signal of the said autonomously bioluminescent nanoparticles.
Кроме того, способ, в котором дополнительно конъюгируют упомянутые наночастицы с рецептором против молекулярного маркера в клеточном образце.Furthermore, a method in which said nanoparticles are further conjugated with a receptor against a molecular marker in a cellular sample.
Кроме того, способ, в котором анализируют полученные образцы c помощью оптической микроскопии за счет детекции биолюминесцентного сигнала упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц как меры присутствия молекулярного маркера в упомянутом клеточном образце.In addition, a method in which the obtained samples are analyzed using optical microscopy by detecting a bioluminescent signal of said autonomously bioluminescent nanoparticles as a measure of the presence of a molecular marker in said cellular sample.
Кроме того, способ, в котором анализируют полученные образцы c помощью оптической микроскопии за счет детекции биолюминесцентного сигнала упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц для локализации молекулярного маркера в упомянутом клеточном образце.In addition, a method in which the obtained samples are analyzed using optical microscopy by detecting a bioluminescent signal of said autonomously bioluminescent nanoparticles for localizing a molecular marker in said cellular sample.
Кроме того, способ, в котором дополнительно конъюгируют упомянутые наночастицы с рецептором против молекулярного маркера в клеточном образце.Furthermore, a method in which said nanoparticles are further conjugated with a receptor against a molecular marker in a cellular sample.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный маркер выбран из ряда: EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.In addition, the method, wherein said cellular marker is selected from the series: EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.
Кроме того, способ, в котором анализируют полученные образцы c помощью оптической микроскопии за счет детекции биолюминесцентного сигнала упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц как меры присутствия молекулярного маркера в упомянутом клеточном образце.In addition, a method in which the obtained samples are analyzed using optical microscopy by detecting a bioluminescent signal of said autonomously bioluminescent nanoparticles as a measure of the presence of a molecular marker in said cellular sample.
Кроме того, способ, в котором анализируют полученные образцы c помощью оптической микроскопии за счет детекции биолюминесцентного сигнала упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц для локализации молекулярного маркера в упомянутом клеточном образце.In addition, a method in which the obtained samples are analyzed using optical microscopy by detecting a bioluminescent signal of said autonomously bioluminescent nanoparticles for localizing a molecular marker in said cellular sample.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный образец является биопсийным материалом.In addition, a method in which said cell sample is biopsy material.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный образец является гистологическим срезом.In addition, a method in which said cell sample is a histological section.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный образец является образцом суспендированных клеток.Furthermore, a method wherein said cell sample is a suspended cell sample.
Кроме того, способ, в котором упомянутый молекулярный маркер является клеточным маркером.Furthermore, a method in which said molecular marker is a cellular marker.
Кроме того, способ, в котором упомянутая люцифераза выбрана люциферазой NanoLuc, а флуоресцентный белок выбран из ряда: aacuGFP1, aceGFP, afraGFP, amFP506, anm1GFP1, anobCFP1, anobCFP2, AvicFP1, AzamiGreen, bfloGFPa1, BrUSLEE, bsDronpa, cerFP505, cfSGFP2, CGFP, cgreGFP, CRISPRed2s, CyOFP1, deGFP2, Dronpa-2, Dronpa-3, dVFP, ECGFP, eCGP123, eechGFP1, efasCFP, efasGFP, EGFP, Emerald, Folding Reporter GFP, frSkylan-S, G1, G2, G3, GCaMP6f, GdT, gfasGFP, GFP (S65T), GFPmut2, GFPxm16, GFPxm18, GFPxm19, GGvT, GZnP3, htFuncLib_acid.1, htFuncLib_acid.2, htFuncLib_acid.3, htFuncLib_acid.4, htFuncLib_acid.5, htFuncLib_acid.6, htFuncLib_basic.2, htFuncLib_basic.3, htFuncLib_basic.4, htFuncLib_basic.6, htFuncLib_bleach.1, htFuncLib_bleach.2, htFuncLib_bleach.4, htFuncLib_bleach.5, htFuncLib_bleach.6, htFuncLib_em-blue-shift.1, htFuncLib_em-blue-shift.2, htFuncLib_fast.1, htFuncLib_fast.2, htFuncLib_fast.3, htFuncLib_fast.4, htFuncLib_mid.10, htFuncLib_mid.11, htFuncLib_mid.12, htFuncLib_mid.13, htFuncLib_mid.2, htFuncLib_mid.4, htFuncLib_mid.7, htFuncLib_mid.8, htFuncLib_mid.9, htFuncLib_sf:acid.3, htFuncLib_sf:acid.4, htFuncLib_sf:acid.5, htFuncLib_sf:bleach.1, htFuncLib_sf:bleach.2, htFuncLib_sf:bleach.3, htFuncLib_sf:em-blue-shift.1, htFuncLib_sf:em-blue-shift.2, htFuncLib_sf:fast.3, htFuncLib_sf:mid.10, htFuncLib_sf:mid.11, htFuncLib_sf:mid.12, htFuncLib_sf:mid.5, htFuncLib_sf:mid.7, htFuncLib_sf:mid.9, htFuncLib_sf:photostable.1, htFuncLib_sf:photostable.2, htFuncLib_slow.2, htFuncLib_slow.3, htFuncLib_slow.5, iq-mEmerald, IrisFP-M159A, KCY-R1, LanFP1, Lime, LSSmApple, LSS-mKate2, LSSmScarlet, LSSmScarlet2, LSSmScarlet3, LucY, mAvicFP1, mAzamiGreen, mBaoJin, mBaoJin-T55S, mBaoJin-V152E, mChartreuse, mCRISPRed, meffCFP, meffGFP, mEGFP, mEmerald, mEosFP-M159A, mGFPmut3, mHoneydew, MiCy, mMiCy, moxGFP, msGFP2, mStayGold, mStayGold2, mTFP1, mTurquoise2-1710, muGFP, mUkG, mVFP, mVFP1, mWasabi, NowGFP, oxGFP, oxStayGold, pdae1GFP, pmeaGFP1, pmeaGFP2, pmimGFP1, pmimGFP2, ppluGFP1, ppluGFP2, pporGFP, PROSS-eGFP, rsFolder, rsFolder2, sarcGFP, sg25, SGFP1, SGFP2, SGFP2(206A), SGFP2(E222Q), Skylan-NS, Skylan-S, StayGold, StayGold-E138D, stylGFP, superecliptic pHluorin, Superfolder GFP, TagGFP, TagGFP2, td5oxStayGold, td5StayGold, td8ox2StayGold, td8oxStayGold, tdStayGold, Thermostable Green Protein, TurboGFP, UnaG, usGFP, VFP, vsfGFP-0, vsfGFP-9, WasCFP, ZsGreen или их генноинженерных вариантов.Furthermore, the method, wherein said luciferase is selected as NanoLuc luciferase, and the fluorescent protein is selected from the series: aacuGFP1, aceGFP, afraGFP, amFP506, anm1GFP1, anobCFP1, anobCFP2, AvicFP1, AzamiGreen, bfloGFPa1, BrUSLEE, bsDronpa, cerFP505, cfSGFP2, CGFP, cgreGFP, CRISPRed2s, CyOFP1, deGFP2, Dronpa-2, Dronpa-3, dVFP, ECGFP, eCGP123, eechGFP1, efasCFP, efasGFP, EGFP, Emerald, Folding Reporter GFP, frSkylan-S, G1, G2, G3, GCaMP6f, GdT, gfasGFP, GFP (S65T), GFPmut2, GFPxm16, GFPxm18, GFPxm19, GGvT, GZnP3, htFuncLib_acid.1, htFuncLib_acid.2, htFuncLib_acid.3, htFuncLib_acid.4, htFuncLib_acid.5, htFuncLib_acid.6, htFuncLib_basic.2, htFuncLib_basic.3, htFuncLib_basic.4, htFuncLib_basic.6, htFuncLib_bleach.1, htFuncLib_bleach.2, htFuncLib_bleach.4, htFuncLib_bleach.5, htFuncLib_bleach.6, htFuncLib_em-blue-shift.1, htFuncLib_em-blue-shift.2, htFuncLib_fast.1, htFuncLib_fast.2, htFuncLib_fast.3, htFuncLib_fast.4, htFuncLib_mid.10, htFuncLib_mid.11, htFuncLib_mid.12, htFuncLib_mid.13, htFuncLib_mid.2, htFuncLib_mid.4, htFuncLib_mid.7, htFuncLib_mid.8, htFuncLib_mid.9, htFuncLib_sf:acid.3, htFuncLib_sf:acid.4, htFuncLib_sf:acid.5, htFuncLib_sf:bleach.1, htFuncLib_sf:bleach.2, htFuncLib_sf:bleach.3, htFuncLib_sf:em-blue-shift.1, htFuncLib_sf:em-blue-shift.2, htFuncLib_sf:fast.3, htFuncLib_sf:mid.10, htFuncLib_sf:mid.11, htFuncLib_sf:mid.12, htFuncLib_sf:mid.5, htFuncLib_sf:mid.7, htFuncLib_sf:mid.9, htFuncLib_sf:photostable.1, htFuncLib_sf:photostable.2, htFuncLib_slow.2, htFuncLib_slow.3, htFuncLib_slow.5, iq-mEmerald, IrisFP-M159A, KCY-R1, LanFP1, Lime, LSSmApple, LSS-mKate2, LSSmScarlet, LSSmScarlet2, LSSmScarlet3, LucY, mAvicFP1, mAzamiGreen, mBaoJin, mBaoJin-T55S, mBaoJin-V152E, mChartreuse, mCRISPRed, meffCFP, meffGFP, mEGFP, mEmerald, mEosFP-M159A, mGFPmut3, mHoneydew, MiCy, mMiCy, moxGFP, msGFP2, mStayGold, mStayGold2, mTFP1, mTurquoise2-1710, muGFP, mUkG, mVFP, mVFP1, mWasabi, NowGFP, oxGFP, oxStayGold, pdae1GFP, pmeaGFP1, pmeaGFP2, pmimGFP1, pmimGFP2, ppluGFP1, ppluGFP2, pporGFP, PROSS-eGFP, rsFolder, rsFolder2, sarcGFP, sg25, SGFP1, SGFP2, SGFP2(206A), SGFP2(E222Q), Skylan-NS, Skylan-S, StayGold, StayGold-E138D, stylGFP, superecliptic pHluorin, Superfolder GFP, TagGFP, TagGFP2, td5oxStayGold, td5StayGold, td8ox2StayGold, td8oxStayGold, tdStayGold, Thermostable Green Protein, TurboGFP, UnaG, usGFP, VFP, vsfGFP-0, vsfGFP-9, WasCFP, ZsGreen or their genetically engineered variants.
Кроме того, способ, в котором упомянутая люцифераза выбрана люциферазой Firefly, а флуоресцентный белок выбран из ряда: amilFP593, ccalRFP1, cgfTagRFP, dimer2, d-RFP618, DsRed, DsRed.M1, DsRed.T3, DsRed.T4, DsRed2, DsRed-Express, DsRed-Express2, DsRed-Max, dTomato, E2-Orange, E2-Red/Green, eqFP578, eqFP611, eqFP611 V124T, FR-1, frFAST, FusionRed-MQV, iq-mApple, KO, mApple, mBanana, mCherry-XL, meffRFP, mKO, mKOκ, mKO2, mLychee, mNectarine, mOrange, mOrange2, mPapaya, mRFP1-Q66C, mRFP1-Q66S, mRFP1-Q66T, mRuby, mRuby2, mRuby3, mScarlet, mScarlet-220A, mScarlet-2A, mScarlet-2A-84W, mScarlet3, mScarlet3-H, mScarlet-H, mScarlet-I, mScarlet-I-220A, mScarlet-I3, mScarlet-I3-NCwt, mTangerine, OFP, PAmCherry1, PAmCherry3, PATagRFP, PATagRFP1297, PATagRFP1314, pHuji, RFP611, RFP618, RRvT, scubRFP, super-TagRFP, TagRFP, TagRFP-T, tdimer2(12), td-RFP611, tdTomato, TurboRFP, или их генноинженерных вариантов.Furthermore, the method wherein said luciferase is selected from Firefly luciferase and the fluorescent protein is selected from the series: amilFP593, ccalRFP1, cgfTagRFP, dimer2, d-RFP618, DsRed, DsRed.M1, DsRed.T3, DsRed.T4, DsRed2, DsRed-Express, DsRed-Express2, DsRed-Max, dTomato, E2-Orange, E2-Red/Green, eqFP578, eqFP611, eqFP611 V124T, FR-1, frFAST, FusionRed-MQV, iq-mApple, KO, mApple, mBanana, mCherry-XL, meffRFP, mKO, mKOκ, mKO2, mLychee, mNectarine, mOrange, mOrange2, mPapaya, mRFP1-Q66C, mRFP1-Q66S, mRFP1-Q66T, mRuby, mRuby2, mRuby3, mScarlet, mScarlet-220A, mScarlet-2A, mScarlet-2A-84W, mScarlet3, mScarlet3-H, mScarlet-H, mScarlet-I, mScarlet-I-220A, mScarlet-I3, mScarlet-I3-NCwt, mTangerine, OFP, PAmCherry1, PAmCherry3, PATagRFP, PATagRFP1297, PATagRFP1314, pHuji, RFP611, RFP618, RRvT, scubRFP, super-TagRFP, TagRFP, TagRFP-T, tdimer2(12), td-RFP611, tdTomato, TurboRFP, or their genetically engineered variants.
2) Способ по п.1, в котором упомянутая терапевтическая молекула является нуклеиновой кислотой из ряда: ДНК, РНК, плазмидная ДНК, матричная РНК, антисенс ДНК, антисенс РНК, малая интерферирующая РНК, piwiРНК, микроРНК, аптамер.2) The method according to item 1, wherein said therapeutic molecule is a nucleic acid from the series: DNA, RNA, plasmid DNA, matrix RNA, antisense DNA, antisense RNA, small interfering RNA, piwiRNA, microRNA, aptamer.
Кроме того, способ, в котором упомянутая терапевтическая молекула является выбранной из ряда: антибиотики, противовирусные препараты, анальгетики, противовоспалительные средства, химиотерапевтические агенты, ингибиторы ферментов, ингибиторы тирозинкиназы, гормоны, синтетические гормональные аналоги, пептиды, белки, терапевтические антитела, сиРНК, антисмысловые олигонуклеотиды, мРНК, плазмиды, рекомбинантные белки, цитокины, интерфероны, иммунотерапевтические агенты, клеточные терапии, химические протеазы, блокаторы рецепторов, радиофармацевтические препараты.Furthermore, a method in which said therapeutic molecule is selected from the series: antibiotics, antiviral drugs, analgesics, anti-inflammatory agents, chemotherapeutic agents, enzyme inhibitors, tyrosine kinase inhibitors, hormones, synthetic hormonal analogues, peptides, proteins, therapeutic antibodies, siRNA, antisense oligonucleotides, mRNA, plasmids, recombinant proteins, cytokines, interferons, immunotherapeutic agents, cell therapies, chemical proteases, receptor blockers, radiopharmaceuticals.
Кроме того, способ, который используется в генной терапии заболеваний или состояний организма.Also, a method that is used in gene therapy for diseases or conditions of the body.
Кроме того, способ, который используется для диагностики заболеваний или состояний организма.Also, a method that is used to diagnose diseases or conditions of the body.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный маркер выбран из ряда: EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.In addition, the method, wherein said cellular marker is selected from the series: EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный маркер является молекулярным маркером, экспрессируемым в цитоплазме клетки.Furthermore, a method in which said cellular marker is a molecular marker expressed in the cytoplasm of a cell.
Кроме того, способ, в котором упомянутый образец является биопсийным материалом.In addition, a method in which said sample is biopsy material.
Кроме того, способ, в котором упомянутый образец является гистологическим срезом.In addition, a method in which said sample is a histological section.
Кроме того, способ, в котором упомянутый образец является образцом суспендированных клеток.Furthermore, a method wherein said sample is a suspended cell sample.
Кроме того, способ, в котором дополнительно конъюгируют упомянутые наночастицы с рецептором против молекулярного маркера в упомянутом образце.Furthermore, a method in which said nanoparticles are further conjugated with a receptor against a molecular marker in said sample.
Кроме того, способ, в котором упомянутый молекулярный маркер является клеточным маркером.Furthermore, a method in which said molecular marker is a cellular marker.
Кроме того, способ, в котором упомянутый клеточный маркер выбран из ряда: EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.In addition, the method, wherein said cellular marker is selected from the series: EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.
Кроме того, способ, в котором анализируют полученные образцы c помощью оптической микроскопии за счет детекции биолюминесцентного сигнала упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц как меры присутствия молекулярного маркера в упомянутом образце.In addition, a method in which the obtained samples are analyzed using optical microscopy by detecting the bioluminescent signal of said autonomously bioluminescent nanoparticles as a measure of the presence of a molecular marker in said sample.
Кроме того, способ, в котором анализируют полученные образцы c помощью оптической микроскопии за счет детекции биолюминесцентного сигнала упомянутых автономно-биолюминесцирующих наночастиц для локализации молекулярного маркера в упомянутом образце.In addition, a method in which the obtained samples are analyzed using optical microscopy by detecting a bioluminescent signal of said autonomously bioluminescent nanoparticles for localizing a molecular marker in said sample.
Кроме того, способ, в котором упомянутые наночастицы включают или состоят из магнитной, флуоресцентной, белковой (в том числе представляющую собой кросс-сшитый, полимеризованный или агрегированный белок), полимерной, в т.ч. состоящей, по крайней мере, из одного из следующих полимеров: полистирола, декстрана, полипептида, полилактид гликолевой кислоты, или блок-кополимеров) или кристаллической (золотой, серебряной, полупроводниковой, или металлической) нано- или микрочастицы.In addition, a method in which the said nanoparticles comprise or consist of a magnetic, fluorescent, protein (including one that is a cross-linked, polymerized, or aggregated protein), polymer, including one consisting of at least one of the following polymers: polystyrene, dextran, polypeptide, polylactide glycolic acid, or block copolymers) or crystalline (gold, silver, semiconductor, or metal) nano- or microparticle.
Кроме того, способ, в котором упомянутые наночастицы являются микрочастицами.In addition, the method in which said nanoparticles are microparticles.
Кроме того, способ, в котором упомянутый рецептор к аналиту является выбранным из группы: гаммаиммуноглобулин, иммуноглобулин G1 (IgG1), иммуноглобулин G2 (IgG2), иммуноглобулин G3 (IgG3), иммуноглобулин G4 (IgG4), иммуноглобулин M, иммуноглобулин A, иммуноглобулин E, иммуноглобулин D, Fab-фрагмент антитела, Fab'-фрагмент антитела, Fab'2-фрагмент антитела, F(ab')2-фрагмент антитела, scFv-фрагмент антитела, нанободи, scFv-Fc фрагменты, scFv-scFv (диабоди), биспецифические scFv фрагменты, Fab-scFv-фрагмент антитела, авимеры, адгироны, аднектины, монободи, атриметры, антикалины, аффибоди, аффилины, аффимеры, аффитины, нанофитины, дарпины, кноттины, ободи, полипептиды на основе домена Кунитца, пронектины, репебоди, финомеры, центирины, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ белки.Furthermore, the method, wherein said analyte receptor is selected from the group: gamma immunoglobulin, immunoglobulin G1 (IgG1), immunoglobulin G2 (IgG2), immunoglobulin G3 (IgG3), immunoglobulin G4 (IgG4), immunoglobulin M, immunoglobulin A, immunoglobulin E, immunoglobulin D, Fab antibody fragment, Fab' antibody fragment, Fab'2 antibody fragment, F(ab')2 antibody fragment, scFv antibody fragment, nanobodies, scFv-Fc fragments, scFv-scFv (diabodies), bispecific scFv fragments, Fab-scFv antibody fragment, avimers, adgyrons, adnectins, monobodies, atrimetres, anticalins, affibodies, affilins, affimers, affitins, nanophytins, darpins, knottins, obodis, Kunitz domain-based polypeptides, pronectins, repbodys, phynomers, centirins, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ proteins.
Кроме того, способ, в котором упомянутая люцифераза является выбранной из ряда: люцифераза nanoLuc, люцифераза светлячка, термостабильная люцифераза, Renilla люцифераза, Gaussia люцифераза.Furthermore, a method in which said luciferase is selected from the series: nanoLuc luciferase, firefly luciferase, thermostable luciferase, Renilla luciferase, Gaussia luciferase.
Кроме того, способ, в котором упомянутую наночастицу конъюгируют с рецептором против молекулярной мишени, выбранным из группы: аммаиммуноглобулин, иммуноглобулин G1 (IgG1), иммуноглобулин G2 (IgG2), иммуноглобулин G3 (IgG3), иммуноглобулин G4 (IgG4), иммуноглобулин M, иммуноглобулин A, иммуноглобулин E, иммуноглобулин D, Fab-фрагмент антитела, Fab'-фрагмент антитела, Fab'2-фрагмент антитела, F(ab')2-фрагмент антитела, scFv-фрагмент антитела, нанободи, scFv-Fc фрагменты, scFv-scFv (диабоди), биспецифические scFv фрагменты, Fab-scFv-фрагмент антитела, авимеры, адгироны, аднектины, монободи, атриметры, антикалины, аффибоди, аффилины, аффимеры, аффитины, нанофитины, дарпины, кноттины, ободи, полипептиды на основе домена Кунитца, пронектины, репебоди, финомеры, центирины, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ белки.Furthermore, the method in which the said nanoparticle is conjugated with a receptor against a molecular target selected from the group: amimmunoglobulin, immunoglobulin G1 (IgG1), immunoglobulin G2 (IgG2), immunoglobulin G3 (IgG3), immunoglobulin G4 (IgG4), immunoglobulin M, immunoglobulin A, immunoglobulin E, immunoglobulin D, Fab antibody fragment, Fab' antibody fragment, Fab'2 antibody fragment, F(ab')2 antibody fragment, scFv antibody fragment, nanobodies, scFv-Fc fragments, scFv-scFv (diabodies), bispecific scFv fragments, Fab-scFv antibody fragment, avimers, adgyrons, adnectins, monobodies, atrimeters, anticalins, affibodies, affililines, affimers, affitins, nanophytins, darpins, knottins, obodis, Kunitz domain-based polypeptides, pronectins, repbodys, phynomers, centirins, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ proteins.
Кроме того, способ, в котором упомянутые первый и второй партнер для связывания составляют пару биотин и стрептавидин.In addition, a method in which said first and second binding partners are a pair of biotin and streptavidin.
Кроме того, способ, в котором упомянутые наночастицы предварительно функционализируют первым партнером для связывания, люциферазу функционализируют вторым партнером для связывания, а процесс конъюгации наночастицы с люциферазой реализуется за счет взаимодействия первого и второго партнеров для связывания и образования связи между ними, причем упомянутые первый и второй партнер для связывания составляют пару биотин и стрептавидин.In addition, a method in which said nanoparticles are pre-functionalized with a first binding partner, luciferase is functionalized with a second binding partner, and the process of conjugation of the nanoparticle with luciferase is realized by interaction of the first and second binding partners and formation of a bond between them, wherein said first and second binding partners are a pair of biotin and streptavidin.
В рамках данного изобретения были разработаны автономные люминесцентные наночастицы и продемонстрировано их применение для различных биомедицинских приложений. В основе изобретения лежит явление биолюминесценции, которое заключается в излучении света в видимом диапазоне, возникающего при взаимодействии ферментов люцифераз и их субстратов (люциферинов). Автономные биолюминесцентные наночастицы были получены за счет сорбции субстрата в наночастицы и конъюгации наночастиц с люциферазой. При высвобождении субстрата из частиц, он начинал реагировать с люциферазой, вызывая продолжительное автономное свечение. Были протестированы различные комбинации люцифераз и люциферинов: NanoLuc-фуримазин, Renilla-коэлентеразин и Gaussia-коэлентеразин и др. Среди исследованных ферментов наиболее эффективной оказалась люцифераза NanoLuc в сочетании с субстратом фуримазином. Этот фермент демонстрирует высокую активность, устойчивость к внешним условиям и обеспечивает интенсивное свечение.Within the framework of this invention, autonomous luminescent nanoparticles were developed and their application for various biomedical applications was demonstrated. The invention is based on the phenomenon of bioluminescence, which consists of the emission of light in the visible range, arising from the interaction of luciferase enzymes and their substrates (luciferins). Autonomous bioluminescent nanoparticles were obtained by sorption of the substrate into nanoparticles and conjugation of the nanoparticles with luciferase. When the substrate was released from the particles, it began to react with luciferase, causing prolonged autonomous luminescence. Various combinations of luciferases and luciferins were tested: NanoLuc-furimazine, Renilla-coelenterazine and Gaussia-coelenterazine, etc. Among the studied enzymes, NanoLuc luciferase in combination with the furimazine substrate turned out to be the most effective. This enzyme exhibits high activity, resistance to external conditions and provides intense glow.
В качестве платформы для создания люминесцентной системы использовались различные типы наночастиц, обладающие способностью эффективно сорбировать люциферины, включая металл-органические координационные полимеры (МОКП), цеолиты, кремниевые и карбоновые наночастицы, полистирольные наночастицы, наночастицы из сополимера молочной и гликолевой кислот (PLGA), хитозана и других полимеров. Были исследованы сорбционные емкости разных типов наночастиц по отношению к различным люциферинам. Автономные биолюминесцентные системы были успешно получены на основе широкого спектра наночастиц, включая также липосомы и липидные наночастицы, где инкапсуляция субстрата происходила во время синтеза, что отражает универсальность данного подхода. Однако наиболее эффективными сорбентами оказались МОКП, способные сорбировать количества субстрата до 50% собственной массы. Среди широкого спектра металл-органических каркасов предпочтение было отдано многофункциональным гибридным частицам с ядром из магнетита (Fe3O4) и оболочкой из МОКП структуры MIL-100(Fe). Данные частицы также продемонстрировали высокую сорбционную емкость (до 20 %), а также высокую биосовместимость и низкую токсичность. Помимо МОКП биомедицинские применения изобретения были продемонстрированы с использованием частиц на основе PLGA, а также полистерольных магнитных наночастиц (КПМНЧ) Magsphere (в т.ч. карбоксилированных). Снимки данных наночастиц, полученные методом сканирующей электронной микроскопии, представлены на фиг. 1.Various types of nanoparticles capable of efficiently sorbing luciferins were used as a platform for creating the luminescent system, including metal-organic coordination polymers (MOCPs), zeolites, silicon and carbon nanoparticles, polystyrene nanoparticles, nanoparticles made of the copolymer of lactic and glycolic acids (PLGA), chitosan and other polymers. The sorption capacities of different types of nanoparticles with respect to various luciferins were studied. Autonomous bioluminescent systems were successfully obtained based on a wide range of nanoparticles, including liposomes and lipid nanoparticles, where the encapsulation of the substrate occurred during synthesis, which reflects the versatility of this approach. However, the most effective sorbents were MOCPs, capable of sorbing amounts of substrate up to 50% of their own weight. Among a wide range of metal-organic frameworks, preference was given to multifunctional hybrid particles with a magnetite (Fe3O4) core and a shell made of MOFs of the MIL-100(Fe) structure. These particles also demonstrated high sorption capacity (up to 20%), as well as high biocompatibility and low toxicity. In addition to MOFs, biomedical applications of the invention were demonstrated using PLGA-based particles, as well as Magsphere polystyrene magnetic nanoparticles (PMNs) (including carboxylated ones). Scanning electron microscopy images of these nanoparticles are shown in Fig. 1.
Для создания люминесцентных наночастиц были реализованы разные подходы. Основной подход заключался в конъюгации наночастиц с люциферазой и последующей сорбции субстрата в наночастицы. Модификация поверхности наночастиц люциферазой подтверждалась различными физико-химическими методами, включая динамическое рассеяние света и спетроскопические методы. При конъюгации наночастиц с люциферазой наблюдалось увеличение гидродинамических размеров наночастиц, а также появление дополнительных пиков в инфракрасном спектре. Полученные люминесцентные наночастицы обладали способностью длительно излучать свет в различных физиологических условиях (фиг. 2), включая проточные системы, клеточные образцы, а также in vivo модели, что обусловлено плавным характером десорбции субстрата. Альтернативные подходы заключались в предварительной сорбции субстрата и последующей конъюгации наночастиц с люциферазой методами клик-химии или через дополнительные линкеры, например, с помощью взаимодействия наночастиц, покрытых стрептавидином, с биотинилированным ферментом. Такие подходы использовались при необходимости сорбции дополнительных низкомолекулярных терапевтических соединений.Various approaches have been implemented to create luminescent nanoparticles. The main approach was to conjugate the nanoparticles with luciferase and then adsorb the substrate onto the nanoparticles. The modification of the nanoparticle surface by luciferase was confirmed by various physicochemical methods, including dynamic light scattering and spectroscopic methods. When conjugating the nanoparticles with luciferase, an increase in the hydrodynamic dimensions of the nanoparticles was observed, as well as the appearance of additional peaks in the infrared spectrum. The resulting luminescent nanoparticles had the ability to emit light for a long time under various physiological conditions (Fig. 2), including flow systems, cell samples, and in vivo models, which is due to the smooth nature of the substrate desorption. Alternative approaches have involved pre-sorption of the substrate and subsequent conjugation of the nanoparticles with luciferase using click chemistry or through additional linkers, such as interaction of streptavidin-coated nanoparticles with biotinylated enzyme. Such approaches have been used when additional low-molecular-weight therapeutic compounds need to be sorbed.
Далее было продемонстрировано использование автономных биолюминесцентных наночастиц в качестве лабораторно-диагностического инструмента для анализа содержания низко- и высокомолекулярных соединений в образце методами иммунохроматографического и твердофазного (в т.ч. иммуноферментного) анализа. Была продемонстрирована возможность качественного определения содержания биотина в образце методом конкурентного иммунохроматографического анализа в формате экспресс-теста. В отсутствие аналита в образце наблюдался люминесцентный сигнал в тестовой зоне на полоске (фиг. 3-а), тогда как при наличии аналита в образце, накопления наночастиц в тестовой зоне не происходило (фиг. 3-б). Также с помощью биолюминесцентных наночастиц была продемонстрирована возможность количественного определения концентрации хлорамфиникола в образце методом конкурентного ИФА (фиг. 4), а тропонина методом прямого ИФА с порогами детекции 500 и 0.13 нг/мл соответственно.Next, the use of autonomous bioluminescent nanoparticles as a laboratory diagnostic tool for analyzing the content of low- and high-molecular compounds in a sample by immunochromatographic and solid-phase (including enzyme-linked immunosorbent assay) methods was demonstrated. The possibility of qualitatively determining the biotin content in a sample by competitive immunochromatographic assay in the express test format was demonstrated. In the absence of the analyte in the sample, a luminescent signal was observed in the test zone on the strip (Fig. 3-a), whereas in the presence of the analyte in the sample, no accumulation of nanoparticles in the test zone occurred (Fig. 3-b). Also, using bioluminescent nanoparticles, the possibility of quantitatively determining the concentration of chloramphenicol in a sample by competitive ELISA (Fig. 4) and troponin by direct ELISA with detection thresholds of 500 and 0.13 ng/ml, respectively, was demonstrated.
С помощью предложенного подхода была продемонстрирована возможность изучения взаимодействия наночастиц с клетками методами микроскопии и проточной цитометрии. Были получены микроскопические фотографии клеток, взаимодействующих с автономными биолюминесцентными магнитными наночастицами под действием внешнего магнитного поля (фиг. 5). В местах скопления наночастиц детектировали люминесцентный сигнал в отсутствие внешнего освещения, что может быть использовано для модуляции магнитной доставки малых молекул или магнитофекции. Для улучшения взаимодействия биолюминесцентных наночастиц с клетками, модифицировали их поверхность положительно-заряженным полимером - ветвистым полиэтиленимином. Взаимодействие полученных наночастиц с клетками подтвердили методом проточной цитометрии по смещению флуоресцентного пика в область с большей интенсивностью по сравнению с контрольными образцами (фиг. 6).The proposed approach demonstrated the possibility of studying the interaction of nanoparticles with cells using microscopy and flow cytometry. Microscopic photographs of cells interacting with autonomous bioluminescent magnetic nanoparticles under the influence of an external magnetic field were obtained (Fig. 5). In places where nanoparticles accumulated, a luminescent signal was detected in the absence of external illumination, which can be used to modulate the magnetic delivery of small molecules or magnetofection. To improve the interaction of bioluminescent nanoparticles with cells, their surface was modified with a positively charged polymer - branched polyethyleneimine. The interaction of the obtained nanoparticles with cells was confirmed by flow cytometry by the shift of the fluorescent peak to an area with greater intensity compared to the control samples (Fig. 6).
Также была продемонстрирована возможность модификации поверхности наночастиц таргетными молекулами, что позволило наблюдать специфичное взаимодействие биолюминисцентных наночастиц с различными молекулярными мишенями. Поверхность наночастиц была модифицирована антителами к рецепторам HER2, анти-HER2 аффибоди, дарпином G3, а также различными фрагментами антител, включая анти-CD4 Fab фрагмент, анти-CD3 F(ab')2 фрагмент, анти-CD8 scFv фрагмент. Была продемонстрирована возможность специфичного взаимодействия модифицированных наночастиц с соответствующими клетками-мишенями. На фиг. 7 представлены результаты теста на специфичность на HER2 положительных и отрицательных клеточных линиях с использованием биолюминесцентных наночастиц PLGA-NanoLuc-трастузумаб. На клетках EMT-HER2 наблюдали более чем двукратное увеличение люминесцентного сигнала с частицами PLGA-NanoLuc-трастузумаб по сравнению с частицами PLGA-NanoLuc. При этом на HER2-отрицательных клетках EMT6/P статистически-значимой разницы в люминесценции частиц не наблюдали.The possibility of modifying the surface of nanoparticles with target molecules was also demonstrated, which made it possible to observe the specific interaction of bioluminescent nanoparticles with various molecular targets. The surface of nanoparticles was modified with antibodies to HER2 receptors, anti-HER2 affibody, DARPin G3, as well as various antibody fragments, including anti-CD4 Fab fragment, anti-CD3 F(ab')2 fragment, anti-CD8 scFv fragment. The possibility of specific interaction of modified nanoparticles with the corresponding target cells was demonstrated. Fig. 7 shows the results of the specificity test on HER2 positive and negative cell lines using bioluminescent PLGA-NanoLuc-trastuzumab nanoparticles. On EMT-HER2 cells, a more than twofold increase in the luminescent signal was observed with PLGA-NanoLuc-trastuzumab particles compared to PLGA-NanoLuc particles. In this case, no statistically significant difference in particle luminescence was observed on HER2-negative EMT6/P cells.
При помощи предложенного подхода была продемонстрирована возможность количественного исследования биораспределения наночастиц в организме посредством анализа ex vivo, а также качественного анализа фармакокинетики наночастиц in vivo. Биолюминесцентные наночастицы на основе PLGA, КПМНЧ и Fe3O4@MIL-100(Fe) вводили мышам внутривенно. Спустя час наблюдали люминесцентый сигнал только в органах, что свидетельствовало о прекращении циркуляции наночастиц в кровотоке. Анализ распределения люминесцентного сигнала по органам ex vivo позволил определить процентное содержание биолюминесцентных наночастиц в различных частях организма. Анализ показал, что более 60 % КПМНЧ-NanoLuc накапливается в селезенке (фиг. 8-а), Fe3O4@MIL-100(Fe)-КМД-NanoLuc преимущественно попадают в легкие и селезенку (фиг. 8-б), а PLGA-NanoLuc - в селезенку, печень и легкие (фиг. 8-в). Данные о биораспределении магнитных наночастиц, полученные методом магнитометрии (MPQ) находились в хорошем соответствии с люминесцентным распределением. При этом анализ биораспределения наночастиц с использованием флуоресцентных меток или с использованием неавтономных биолюминесцентных систем, требующих отдельной инъекции субстрата, показал меньшую чувствительность и точность по отношению к контрольному методу. The proposed approach demonstrated the possibility of quantitatively studying the biodistribution of nanoparticles in the body using ex vivo analysis, as well as qualitatively analyzing the pharmacokinetics of nanoparticles in vivo. Bioluminescent nanoparticles based on PLGA, KPMNPs, and Fe3O4@MIL-100(Fe) were administered to mice intravenously. An hour later, a luminescent signal was observed only in the organs, indicating that the circulation of nanoparticles in the bloodstream had ceased. Analysis of the distribution of the luminescent signal by organs ex vivo allowed us to determine the percentage of bioluminescent nanoparticles in different parts of the body. The analysis showed that more than 60% of KPMNP-NanoLuc accumulated in the spleen (Fig. 8-a), Fe3O4@MIL-100(Fe)-KMD-NanoLuc predominantly entered the lungs and spleen (Fig. 8-b), and PLGA-NanoLuc - in the spleen, liver and lungs (Fig. 8-c). The data on the biodistribution of magnetic nanoparticles obtained by magnetometry (MPQ) were in good agreement with the luminescent distribution. At the same time, the analysis of the biodistribution of nanoparticles using fluorescent labels or using non-autonomous bioluminescent systems requiring a separate injection of the substrate showed lower sensitivity and accuracy compared to the control method.
Была также продемонстрирована возможность изучения кинетики накопления биолюминесцентных наночастиц в органах на примере Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc. Через 15 секунд циркуляции уже детектировали сигнал в легких, а через 1 мин - в селезенке (Фиг. 9). Использование автономной люминесцентной системы позволило детектировать циркуляцию наночастиц и накопление в органах в режиме реального времени, а также с высоким соотношением сигнал-шум. С помощью биолюминесцентных наночастиц, конъюгированных с трастузумабом, была продемонстрирована возможность применения наночастиц в диагностических целях. Таргетные наночастицы давали люминесцентный сигнал в HER2-положительной опухоли, и при этом значительно менее эффективно накапливались в HER2-отрицательных опухолях. При помощи такого диагностического подхода можно выявлять наличие онкологических заболеваний и определять характерные маркеры, что позволяет подобрать более эффективную терапию.The possibility of studying the kinetics of bioluminescent nanoparticle accumulation in organs was also demonstrated using Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc as an example. After 15 seconds of circulation, a signal was detected in the lungs, and after 1 min - in the spleen (Fig. 9). The use of an autonomous luminescent system made it possible to detect the circulation of nanoparticles and accumulation in organs in real time, as well as with a high signal-to-noise ratio. Using bioluminescent nanoparticles conjugated with trastuzumab, the possibility of using nanoparticles for diagnostic purposes was demonstrated. Targeted nanoparticles gave a luminescent signal in a HER2-positive tumor, and accumulated significantly less effectively in HER2-negative tumors. Using this diagnostic approach, it is possible to detect the presence of oncological diseases and determine characteristic markers, which allows for the selection of more effective therapy.
С целью улучшения биовизуализирующих свойств наночастиц, был разработан подход для смещения спектра эмиссии в длинноволновую область. Ткани живых организмов хуже поглащают электромагнитное излучение в данном диапазоне, что позволяет повысить чувствительность предложенного метода. Для этого наночастицы дополнительно конъюгировали с флуоресцентными белками, спектр возбуждения которых пересекается со спектром биолюминецентного излучения. Люминесцентные наночастицы, содержащие люциферазу NanoLuc, конъюгировали с различными флуоресцентными белками, включая CyOFP1, TurboGFP и LSSmScarlet, возбуждаемых в диапазоне длин волн 470-500 нм. А наночастицы, содержащие люциферазу Firefly, конъюгировали с флуоресцентными белками mScarlet, RFP611 и RFP618, возбуждаемых в диапазоне длин волн 559-569 нм. У полученных автономных биолюминесцентных BRET систем наблюдали смещение спектра эмиссии в более длинноволновую область, что позволило детектировать меньшие количества наночастиц, вводимых в организм мыши, а также повысить чуствительность детекции в in vitro применениях, где используются образцы или иные объекты, поглощающие в диапазоне излучения люциферинов.In order to improve the biovisualization properties of nanoparticles, an approach was developed to shift the emission spectrum to the long-wavelength region. Living tissues absorb electromagnetic radiation in this range worse, which allows increasing the sensitivity of the proposed method. For this purpose, nanoparticles were additionally conjugated with fluorescent proteins whose excitation spectrum intersects with the spectrum of bioluminescent radiation. Luminescent nanoparticles containing NanoLuc luciferase were conjugated with various fluorescent proteins, including CyOFP1, TurboGFP and LSSmScarlet, excited in the wavelength range of 470-500 nm. And nanoparticles containing Firefly luciferase were conjugated with fluorescent proteins mScarlet, RFP611 and RFP618, excited in the wavelength range of 559-569 nm. The resulting autonomous bioluminescent BRET systems exhibited a shift in the emission spectrum to a longer wavelength region, which made it possible to detect smaller amounts of nanoparticles introduced into the mouse body, as well as to increase the detection sensitivity in in vitro applications where samples or other objects that absorb in the luciferin emission range are used.
Помимо применения наночастиц для биоимиджинга и диагностики был продемонстрирован и терапевтический потенциал биолюминесцентных наночастиц, что позволяет назвать данные наночастицы тераностическими агентами. Было показано, что помимо субстрата наночастицы МОПК с высокой эффективностью могут сорбировать различные другие низкомолекулярные терапевтические вещества, включая противоопухолевые, противовирусные, противовоспалительные и антибактериальные препараты, а также связываться с высокомолекулярными терапевтическими нуклеиновыми кислотами и белковыми молекулами. Была продемонстрирована возможность биолюминесцентных частиц доставлять химеотерапевтический агент доксорубицин в опухоль, а также одновременно визуализировать расположение опухоли в организме. Для улучшения терапевтического потенциала наночастиц использовали технологию цитоблокады мононуклеарной фагоцитарной системы, которая заключается в предварительном введении в организм антиэритроцитарных антител. Такой подход позволяет временно насытить иммунную систему, тем самым увеличивая время циркуляции наночастиц в кровотоке, что способствует более эффективному накоплению наночастиц в целевых органах. За счет использования предложенной технологии наблюдали более интенсивный люминесцентный сигнал в опухоли, а также более значительный терапевтический эффект от наночастиц. Дополнительно к месту привития опухоли прикладывали магнит, что позволило значительно увеличить накопление магнитных наночастиц в опухоли, а также статистически значимо продлить время жизни мышей по сравнению с немагнитными частицами. Также наблюдали снижение токсичности терапии по сравнению со свободным доксорубицином по биохимическим показателям.In addition to the use of nanoparticles for bioimaging and diagnostics, the therapeutic potential of bioluminescent nanoparticles has also been demonstrated, which allows these nanoparticles to be called theranostic agents. It has been shown that in addition to the substrate, MOPC nanoparticles can efficiently sorb various other low-molecular therapeutic substances, including antitumor, antiviral, anti-inflammatory and antibacterial drugs, and also bind to high-molecular therapeutic nucleic acids and protein molecules. The ability of bioluminescent particles to deliver the chemotherapeutic agent doxorubicin to a tumor and simultaneously visualize the location of the tumor in the body has been demonstrated. To improve the therapeutic potential of nanoparticles, the technology of cytoblockade of the mononuclear phagocyte system was used, which consists of preliminary introduction of anti-erythrocyte antibodies into the body. This approach allows to temporarily saturate the immune system, thereby increasing the time of circulation of nanoparticles in the bloodstream, which contributes to more effective accumulation of nanoparticles in target organs. Due to the use of the proposed technology, a more intense luminescent signal in the tumor was observed, as well as a more significant therapeutic effect of nanoparticles. In addition, a magnet was applied to the tumor grafting site, which significantly increased the accumulation of magnetic nanoparticles in the tumor, as well as statistically significantly extended the life of mice compared to non-magnetic particles. A decrease in the toxicity of therapy was also observed compared to free doxorubicin according to biochemical indicators.
Надо отметить большое преимущество использования мультимодальных и многофункциональных созданных нанагентов – магнитных, излучающих, и/или нагруженных терапевтическими молекулами – в тераностики и других описанных примнениях. За счет дополнительных свойств, точность локализации частиц, синергия лечения и т.п. существенно улучшаются.It should be noted that there is a great advantage in using multimodal and multifunctional nanoagents created – magnetic, radiating, and/or loaded with therapeutic molecules – in theranostics and other applications described. Due to additional properties, the accuracy of particle localization, treatment synergy, etc. are significantly improved.
Различные аспектыVarious aspects
Описанные выше детальные описания не ограничивают круг возможностей и применения изобретения, а лишь даны для удобства.The detailed descriptions described above do not limit the range of possibilities and applications of the invention, but are only given for convenience.
Типы наночастиц, способных сорбировать малые молекулы (включая субстраты люцифераз)Types of nanoparticles capable of sorbing small molecules (including luciferase substrates)
Наночастицы, способные сорбировать малые молекулы, используются в различных областях, включая очистку воды, биомедицину и каталитические процессы. Их эффективность определяется размером частиц, структурой поверхности и химическими свойствами. Эффективность сорбции зависит от природы молекулы (гидрофильная/гидрофобная, заряд, размер) и свойств наночастицы:Nanoparticles capable of sorbing small molecules are used in various fields, including water purification, biomedicine and catalytic processes. Their efficiency is determined by particle size, surface structure and chemical properties. Sorption efficiency depends on the nature of the molecule (hydrophilic/hydrophobic, charge, size) and the properties of the nanoparticle:
1. Углеродные наноматериалы1. Carbon nanomaterials
• Нанотрубки: Обладают большой площадью поверхности и высокой адсорбционной способностью. Используются для сорбции органических и неорганических молекул. • Nanotubes : Have a large surface area and high adsorption capacity. Used for the sorption of organic and inorganic molecules.
• Графен и его оксиды: Благодаря двумерной структуре и функциональным группам могут эффективно сорбировать молекулы, такие как металлы, органические загрязнители и газы. • Graphene and its oxides : Due to their two-dimensional structure and functional groups, they can effectively adsorb molecules such as metals, organic pollutants and gases.
2. Металлооксидные наночастицы2. Metal oxide nanoparticles
• Оксид цинка (ZnO) и оксид титана (TiO₂): Активно применяются для удаления органических молекул и загрязнителей из воды за счет фотокаталитических свойств. • Zinc Oxide (ZnO) and Titanium Oxide (TiO₂) : Are widely used to remove organic molecules and pollutants from water due to their photocatalytic properties.
• Оксид железа (Fe₂O₃, Fe₃O₄): Могут сорбировать тяжелые металлы и органические вещества; обладают магнитными свойствами. • Iron oxide (Fe₂O₃, Fe₃O₄) : Can absorb heavy metals and organic substances; have magnetic properties.
3. Металлические наночастицы3. Metallic nanoparticles
• Золото (Au) и серебро (Ag): За счет высокой реактивности поверхности способны сорбировать молекулы, такие как сера, кислород или органические соединения. • Gold (Au) and silver (Ag) : Due to the high reactivity of the surface, they are able to absorb molecules such as sulfur, oxygen or organic compounds.
• Наночастицы меди (Cu): Используются для удаления токсичных молекул, например аммиака или ионов тяжелых металлов. • Copper (Cu) nanoparticles : Used to remove toxic molecules such as ammonia or heavy metal ions.
4. Цеолиты и пористые материалы4. Zeolites and porous materials
• Нанопористые цеолиты (алюмосиликаты) обладают упорядоченной структурой пор, которые идеально подходят для сорбции малых молекул, таких как газы и органические вещества.• Nanoporous zeolites (aluminosilicates) have an ordered pore structure that is ideal for the sorption of small molecules such as gases and organic substances.
5. Металлоорганические каркасы (MOFs) или Металлоорганические каркасные полимеры (МОКП)5. Metal-organic frameworks (MOFs) or metal-organic framework polymers (MOFs)
• MOFs представляют собой комбинацию металлов и органических лигандов, обеспечивающую высокую площадь поверхности и регулируемую пористость. Они особенно эффективны для сорбции газов (CO₂, CH₄) и летучих органических соединений.• MOFs are a combination of metals and organic ligands that provide high surface area and controlled porosity. They are particularly effective for the sorption of gases (CO₂, CH₄) and volatile organic compounds.
6. Наночастицы с функционализированной поверхностью6. Nanoparticles with functionalized surface
• Модификация химическими группами (например, аминогруппы, тиолы, карбоксильные группы) повышает избирательность к определенным молекулам. • Modification with chemical groups (e.g. amino groups, thiols, carboxyl groups) increases selectivity for certain molecules.
7. Полимерные наночастицы:7. Polymer nanoparticles:
А. НаногелиA. Nanogels
Описание: Трехмерные сшитые полимерные сети, которые могут набухать в водной среде.Description: Three-dimensional cross-linked polymer networks that can swell in aqueous environments.
Пример: Поли(акриловая кислота), поли(N-изопропилакриламид) (PNIPAM).Example: Poly(acrylic acid), poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM).
Применение: Доставка лекарств, сорбция токсинов, катализ.Application: Drug delivery, toxin sorption, catalysis.
Б. НанокапсулыB. Nanocapsules
Описание: Полые частицы с оболочкой из полимера и ядром, которое может содержать активное вещество.Description: Hollow particles with a polymer shell and a core that may contain an active substance.
Пример: Поликапролактон (PCL), полилактид-ко-гликолид (PLGA).Example: Polycaprolactone (PCL), Polylactide-co-glycolide (PLGA).
Применение: Контролируемое высвобождение лекарств, транспорт гидрофобных молекул.Application: Controlled release of drugs, transport of hydrophobic molecules.
В. Наношары (nanospheres)V. Nanospheres
Описание: Сплошные полимерные частицы без полости, равномерно распределяющие активные вещества по своей структуре.Description: Solid polymer particles without cavities that evenly distribute active substances throughout their structure.
Пример: Полистирол, поли(метилметакрилат) (PMMA).Example: Polystyrene, poly(methyl methacrylate) (PMMA).
Применение: Биосенсоры, сорбенты, каталитические материалы.Application: Biosensors, sorbents, catalytic materials.
Г. Блок-сополимерные наночастицыG. Block copolymer nanoparticles
Описание: Частицы, полученные из блок-сополимеров, обладающих разными химическими блоками. Могут формировать мицеллы или другие наноструктуры.Description: Particles obtained from block copolymers with different chemical blocks. Can form micelles or other nanostructures.
Пример: Полистирол-б-полиэтиленгликоль (PS-PEG).Example: Polystyrene-b-polyethylene glycol (PS-PEG).
Применение: Доставка гидрофобных/гидрофильных молекул, стабилизация эмульсий.Application: Delivery of hydrophobic/hydrophilic molecules, stabilization of emulsions.
Д. ДендримерыD. Dendrimers
Описание: Разветвленные полимерные структуры с высокой плотностью функциональных групп на поверхности.Description: Branched polymer structures with a high density of functional groups on the surface.
Пример: Полиамидоаминовые (PAMAM) дендримеры.Example: Polyamidoamine (PAMAM) dendrimers.
Применение: Таргетная доставка лекарств, сорбция металлов.Application: Targeted drug delivery, metal sorption.
Е. Молекулярно-импринтированные полимеры (MIPs)E. Molecularly imprinted polymers (MIPs)
Описание: Полимеры, синтезированные с использованием молекулы-шаблона, что создает "отпечатки" для селективного связывания определенных молекул.Description: Polymers synthesized using a template molecule that creates "fingerprints" for selective binding of specific molecules.
Пример: Полиметакрилат, сшитый с акриловыми мономерами.Example: Polymethacrylate crosslinked with acrylic monomers.
Применение: Селективная сорбция токсинов, гормонов, лекарств.Application: Selective sorption of toxins, hormones, drugs.
Ж. Стимул-чувствительные наночастицыG. Stimulus-responsive nanoparticles
Описание: Частицы, реагирующие на изменения окружающей среды (pH, температура, свет, магнитное поле).Description: Particles that react to changes in the environment (pH, temperature, light, magnetic field).
Пример: Поли(N-изопропилакриламид), поли(акриловая кислота).Example: Poly(N-isopropylacrylamide), poly(acrylic acid).
Применение: Таргетная доставка лекарств, очистка воды.Application: Targeted drug delivery, water purification.
З. Биоразлагаемые полимерные наночастицыZ. Biodegradable polymer nanoparticles
Описание: Частицы, разрушающиеся под воздействием биологических факторов (ферментов, pH).Description: Particles that are destroyed by biological factors (enzymes, pH).
Пример: Полилактид (PLA), PLGA, поли(гидроксиалканоаты) (PHA).Example: Polylactide (PLA), PLGA, poly(hydroxyalkanoates) (PHA).
Применение: Биомедицина, экология.Application: Biomedicine, ecology.
И. Электропроводящие полимерные наночастицыI. Electrically conductive polymer nanoparticles
Описание: Частицы на основе полимеров с проводящими свойствами.Description: Polymer-based particles with conductive properties.
Пример: Полипиррол (PPy), политиофен.Example: Polypyrrole (PPy), polythiophene.
Применение: Энергетика, сенсоры, электроника.Application: Power engineering, sensors, electronics.
К. Полимерные наночастицы с функционализированной поверхностьюK. Polymer nanoparticles with functionalized surface
Описание: Частицы, на поверхности которых присутствуют активные группы (аминогруппы, карбоксильные группы).Description: Particles on the surface of which active groups (amino groups, carboxyl groups) are present.
Пример: Полистирол с функциональными группами.Example: Polystyrene with functional groups.
Применение: Селективная сорбция молекул, каталитические системы.Application: Selective sorption of molecules, catalytic systems.
Механизмы сорбции малых молекулMechanisms of sorption of small molecules
Сорбция малых молекул наночастицами происходит за счет различных механизмов взаимодействия между поверхностью наночастиц и молекулами, которые можно разделить на физическую и химическую сорбцию. Физическая сорбция основана на слабых межмолекулярных взаимодействиях, таких как Ван-дер-Ваальсовы силы, диполь-дипольные взаимодействия и гидрофобные эффекты. Например, гидрофобные молекулы адсорбируются на гидрофобных поверхностях, таких как углеродные нанотрубки или графен. Ван-дер-Ваальсовы силы обеспечивают привлечение молекул к поверхности наночастиц за счет колебаний диполей. Химическая сорбция, напротив, включает образование прочных химических связей между молекулами и поверхностью наночастиц. Она может проявляться в виде ковалентного связывания, ионного обмена или координационных связей. Например, тяжелые металлы могут связываться с оксидом железа, а токсины - с молекулярно-импринтированными полимерами.Sorption of small molecules by nanoparticles occurs due to various mechanisms of interaction between the surface of the nanoparticles and the molecules, which can be divided into physical and chemical sorption. Physical sorption is based on weak intermolecular interactions such as van der Waals forces, dipole-dipole interactions and hydrophobic effects. For example, hydrophobic molecules are adsorbed on hydrophobic surfaces such as carbon nanotubes or graphene. Van der Waals forces ensure the attraction of molecules to the surface of nanoparticles due to dipole oscillations. Chemical sorption, on the contrary, involves the formation of strong chemical bonds between molecules and the surface of nanoparticles. It can manifest itself in the form of covalent bonding, ion exchange or coordination bonds. For example, heavy metals can bind to iron oxide, and toxins to molecularly imprinted polymers.
Еще одним важным фактором является пористость наночастиц, которая обеспечивает размероизбирательность сорбции. Пористые материалы, такие как цеолиты или металлоорганические каркасы (MOFs), адсорбируют малые молекулы, размеры которых соответствуют размерам их пор. Например, MOFs эффективно сорбируют газы, такие как CO₂ или CH₄. Электростатическое взаимодействие также играет значительную роль: заряженные поверхности наночастиц притягивают противоположно заряженные молекулы. Например, полимерные наночастицы с отрицательным зарядом связывают положительно заряженные ионы металлов.Another important factor is the porosity of the nanoparticles, which ensures size-selectivity of sorption. Porous materials such as zeolites or metal-organic frameworks (MOFs) adsorb small molecules whose sizes correspond to their pore sizes. For example, MOFs effectively sorb gases such as CO₂ or CH₄. Electrostatic interactions also play a significant role: charged surfaces of nanoparticles attract oppositely charged molecules. For example, negatively charged polymer nanoparticles bind positively charged metal ions.
Для повышения эффективности сорбции поверхность наночастиц может быть функционализирована химически, что усиливает избирательность к определенным молекулам. Например, модификация поверхности наночастиц оксида железа тиоловыми группами улучшает их способность связывать ртуть. Некоторые наночастицы обладают стимул-чувствительными свойствами: они изменяют свою структуру или гидрофильность в ответ на изменения окружающей среды, такие как pH, температура или свет, что усиливает сорбцию.To improve the efficiency of sorption, the surface of nanoparticles can be chemically functionalized, which enhances selectivity for certain molecules. For example, modifying the surface of iron oxide nanoparticles with thiol groups improves their ability to bind mercury. Some nanoparticles have stimulus-sensitive properties: they change their structure or hydrophilicity in response to changes in the environment, such as pH, temperature, or light, which enhances sorption.
Эффективность сорбции зависит от таких факторов, как состав наночастиц, размер и площадь их поверхности, химические свойства поверхности и природа сорбируемых молекул. Например, малые размеры частиц обеспечивают большую площадь поверхности, что увеличивает сорбционную способность. Наличие функциональных групп на поверхности усиливает избирательность к определенным молекулам.Sorption efficiency depends on factors such as the composition of the nanoparticles, their size and surface area, chemical properties of the surface, and the nature of the molecules being sorbed. For example, small particle sizes provide a large surface area, which increases sorption capacity. The presence of functional groups on the surface enhances selectivity for certain molecules.
Сорбция малых молекул на наночастицах может происходить как на их поверхности, так и внутри их объема. Эти процессы зависят от химической природы наночастиц, их структуры и свойств целевых молекул. Поверхностная сорбция является наиболее распространенным процессом, так как наночастицы обладают большой удельной поверхностью благодаря своим малым размерам. Малые молекулы связываются с активными центрами или функциональными группами, расположенными на поверхности наночастиц. Физическая адсорбция основана на слабых взаимодействиях, таких как Ван-дер-Ваальсовы силы и диполь-дипольные взаимодействия, примером может служить адсорбция углекислого газа на графене. Химическая адсорбция включает образование прочных химических связей между молекулами и функциональными группами на поверхности, таких как ковалентные, координационные или ионные связи. Например, тяжелые металлы связываются с функционализированными наночастицами оксида железа. Электростатическое взаимодействие также играет роль: заряженные поверхности наночастиц притягивают противоположно заряженные молекулы или ионы, например, отрицательно заряженные наночастицы связывают положительно заряженные катионы.Sorption of small molecules on nanoparticles can occur both on their surface and inside their volume. These processes depend on the chemical nature of the nanoparticles, their structure and the properties of the target molecules. Surface sorption is the most common process, since nanoparticles have a large specific surface area due to their small size. Small molecules bind to active centers or functional groups located on the surface of nanoparticles. Physical adsorption is based on weak interactions, such as van der Waals forces and dipole-dipole interactions, an example is the adsorption of carbon dioxide on graphene. Chemical adsorption involves the formation of strong chemical bonds between molecules and functional groups on the surface, such as covalent, coordination or ionic bonds. For example, heavy metals bind to functionalized iron oxide nanoparticles. Electrostatic interactions also play a role: charged surfaces of nanoparticles attract oppositely charged molecules or ions, for example, negatively charged nanoparticles bind positively charged cations.
Объемная сорбция происходит, если наночастицы имеют пористую структуру или молекулы могут проникать внутрь их матрицы. Этот процесс особенно характерен для пористых материалов или наногелей, которые способны "впитывать" молекулы. В случае пористости молекулы могут проникать внутрь пор (например, в цеолитах или металлоорганических каркасах), взаимодействуя с внутренними стенками. Размер пор определяет, какие молекулы могут сорбироваться. Металлоорганические каркасы, например, активно используются для захвата газов. В полимерных наночастицах или наногелях молекулы могут диффундировать внутрь, где они удерживаются за счет взаимодействий с внутренними функциональными группами, или физически "запираются" в структуре после изменения условий среды, таких как температура или pH.Bulk sorption occurs when nanoparticles are porous or molecules can penetrate into their matrix. This process is especially characteristic of porous materials or nanogels, which are able to "absorb" molecules. In the case of porosity, molecules can penetrate into the pores (for example, in zeolites or metal-organic frameworks), interacting with the inner walls. The size of the pores determines which molecules can be sorbed. Metal-organic frameworks, for example, are actively used to capture gases. In polymer nanoparticles or nanogels, molecules can diffuse into the interior, where they are retained due to interactions with internal functional groups, or are physically "locked" in the structure after changing environmental conditions, such as temperature or pH.
Сорбция на поверхности и в объеме различается по механизму, материалам и области применения. Поверхностная сорбция доминирует у компактных или непористых наночастиц, в то время как объемная характерна для пористых материалов или гелеобразных систем. Выбор подходящего механизма и типа наночастиц определяется задачами, например, необходимой селективностью, скоростью процесса или природой сорбируемых молекул. Сорбция малых молекул активно используется в таких областях, как очистка воды, захват газов, таргетная доставка лекарств и селективная фильтрация.Surface and bulk sorption differ in mechanism, materials, and application. Surface sorption is dominant in compact or nonporous nanoparticles, while bulk sorption is typical for porous materials or gel-like systems. The choice of the appropriate mechanism and type of nanoparticles is determined by the tasks, such as the required selectivity, the rate of the process, or the nature of the molecules being sorbed. Sorption of small molecules is actively used in such areas as water purification, gas capture, targeted drug delivery, and selective filtration.
Обратимость сорбцииReversibility of sorption
В одном воплощении изобретения, выбирают наночастицы, способные сорбировать упомянутый субстрат обратимо, например, за счет наличия десорбции, либо за счет постепенной деградации частиц (в том числе в любых условиях или при индуцировании такой деградации за счет добавления химическиъ/биохимических стимулов деградации части – определенных ионов, ферментов (например, различных гидролаз, протеиназ, нуклеаз, и т.п.).In one embodiment of the invention, nanoparticles are selected that are capable of sorbing the said substrate reversibly, for example, due to the presence of desorption, or due to the gradual degradation of particles (including under any conditions or by inducing such degradation by adding chemical/biochemical stimuli for the degradation of a part - certain ions, enzymes (for example, various hydrolases, proteinases, nucleases, etc.).
Десорбция молекул с наночастиц происходит из-за множества факторов, связанных с физико-химическими процессами. Один из ключевых факторов – энергия адсорбции. Если молекулы взаимодействуют с поверхностью наночастицы с низкой энергией, например, через слабые ван-дер-ваальсовы силы, они могут легко покидать её под действием тепловой энергии. Напротив, при высокой энергии адсорбции, как в случае химической адсорбции, требуется больше энергии для десорбции, и процесс может быть менее вероятным. Температура играет важную роль: её повышение увеличивает кинетическую энергию молекул, что позволяет им преодолевать энергетические барьеры и десорбироваться.Desorption of molecules from nanoparticles occurs due to many factors related to physicochemical processes. One of the key factors is adsorption energy. If molecules interact with the surface of a nanoparticle with low energy, for example through weak van der Waals forces, they can easily leave it under the influence of thermal energy. In contrast, at high adsorption energy, as in the case of chemical adsorption, more energy is required for desorption and the process may be less probable. Temperature plays an important role: its increase increases the kinetic energy of molecules, which allows them to overcome energy barriers and desorb.
Состав окружающей среды также сильно влияет на процесс. Введение конкурирующих молекул или изменение химического состава газовой или жидкой фазы может уменьшить силу удержания молекул на поверхности наночастицы, стимулируя их десорбцию. Кроме того, состояние самих наночастиц может измениться: например, окисление, фазовые переходы или изменения структуры поверхности могут ослабить взаимодействия между молекулами и наночастицей. Важную роль играет и природа связей между молекулами и поверхностью. Если эти связи слабые (например, диполь-дипольные взаимодействия), внешние воздействия, такие как ультразвук или электрическое поле, могут разрушить их и привести к десорбции.The composition of the surrounding medium also has a strong influence on the process. The introduction of competing molecules or a change in the chemical composition of the gas or liquid phase can reduce the holding power of the molecules on the nanoparticle surface, stimulating their desorption. In addition, the state of the nanoparticles themselves can change: for example, oxidation, phase transitions, or changes in the surface structure can weaken the interactions between the molecules and the nanoparticle. The nature of the bonds between the molecules and the surface also plays an important role. If these bonds are weak (e.g., dipole-dipole interactions), external influences such as ultrasound or an electric field can destroy them and lead to desorption.
На наномасштабе, из-за высокой площади поверхности и особенностей кристаллической структуры наночастиц, их взаимодействие с молекулами сильно зависит от размера, формы и наличия дефектов. Например, различные грани или дефекты могут создавать локальные области с разной энергией адсорбции. Влияние оказывает также увлажнение или растворимость молекул в окружающей среде: если молекулы способны растворяться, они могут уходить в раствор, а конденсация жидкой фазы на поверхности способствует их десорбции. В некоторых случаях десорбция связана с каталитическими процессами: молекулы, взаимодействуя с наночастицей, изменяют свою химическую природу (например, разлагаются или окисляются) и покидают поверхность уже в виде новых соединений. At the nanoscale, due to the high surface area and the peculiarities of the crystalline structure of nanoparticles, their interaction with molecules strongly depends on their size, shape and the presence of defects. For example, different edges or defects can create local areas with different adsorption energies. The moistening or solubility of molecules in the environment also has an effect: if molecules are capable of dissolving, they can go into solution, and condensation of the liquid phase on the surface promotes their desorption. In some cases, desorption is associated with catalytic processes: molecules, interacting with a nanoparticle, change their chemical nature (for example, decompose or oxidize) and leave the surface in the form of new compounds.
Эффективная сорбция и последующая десорбция малых молекул зависят от свойств частиц, включая их материал, размер, форму и химическую модификацию поверхности. Наночастицы из металлов, таких как золото, серебро и платина, широко используются благодаря их высокой удельной поверхности, способности к каталитическим реакциям и возможностям регулирования взаимодействий с молекулами за счет изменения их размеров и формы. Металлооксидные наночастицы, например, диоксид титана или оксид цинка, также эффективны, так как они обладают активными центрами для адсорбции и могут участвовать в фотокаталитических процессах, что облегчает десорбцию. Углеродные наноматериалы, такие как графен, углеродные нанотрубки и пористый углерод, характеризуются высокой пористостью и большими площадями поверхности, что позволяет им эффективно удерживать малые молекулы через физическую или химическую адсорбцию. Они особенно эффективны, если требуется возможность десорбции под воздействием тепла или изменения состава среды.Efficient sorption and subsequent desorption of small molecules depends on the properties of the particles, including their material, size, shape, and chemical modification of the surface. Nanoparticles made of metals such as gold, silver, and platinum are widely used due to their high specific surface area, ability to catalytic reactions, and the ability to control interactions with molecules by changing their size and shape. Metal oxide nanoparticles such as titanium dioxide or zinc oxide are also effective because they have active sites for adsorption and can participate in photocatalytic processes, which facilitates desorption. Carbon nanomaterials such as graphene, carbon nanotubes, and porous carbon are characterized by high porosity and large surface areas, which allows them to effectively retain small molecules through physical or chemical adsorption. They are especially effective when desorption is required under the influence of heat or a change in the composition of the medium.
Кроме того, полимерные наночастицы, такие как микросферы на основе полистирола или полиакриламида, могут быть модифицированы для избирательной сорбции малых молекул, а затем десорбировать их при изменении pH или температуры. Для повышения селективности и эффективности десорбции используются гибридные наночастицы, которые сочетают в себе несколько материалов, например, металл-углеродные или металл-полимерные структуры. Наночастицы с мезо- и микропорами, такие как цеолиты или металлоорганические каркасы, способны не только эффективно сорбировать малые молекулы за счет адсорбции внутри пор, но и высвобождать их при изменении внешних условий, например, давления, температуры или состава газовой среды. Такие частицы часто используются в задачах хранения газа, катализа и очистки. Важно, чтобы частицы имели оптимальный размер и поверхностные свойства, так как слишком мелкие частицы могут агрегировать, снижая свою активность, а слишком крупные – уменьшать площадь поверхности.In addition, polymer nanoparticles such as polystyrene or polyacrylamide microspheres can be modified to selectively sorb small molecules and then desorb them when the pH or temperature changes. Hybrid nanoparticles that combine several materials, such as metal-carbon or metal-polymer structures, are used to increase desorption selectivity and efficiency. Nanoparticles with meso- and micropores, such as zeolites or metal-organic frameworks, are capable of not only effectively sorbing small molecules by adsorption inside the pores, but also releasing them when external conditions change, such as pressure, temperature, or gas composition. Such particles are often used in gas storage, catalysis, and purification. It is important that the particles have an optimal size and surface properties, since too small particles can aggregate, reducing their activity, and too large particles can reduce the surface area.
Молекулы дополнительной нагрузкиAdditional load molecules
В одном воплощении изобретения, в выбранную наночастицу дополнительно к субстрату сорбируют дополнительные молекулы - терапевтические, визуализирующие (различные флуорофоры и т.п.): Малые молекулы, антибиотики, противовирусные препараты, анальгетики, противовоспалительные средства, химиотерапевтические агенты, ингибиторы ферментов, ингибиторы тирозинкиназы, гормоны, синтетические гормональные аналоги, пептиды, белки, терапевтические антитела, сиРНК, антисмысловые олигонуклеотиды, мРНК, плазмиды,рекомбинантные белки, цитокины, интерфероны, иммунотерапевтические агенты, клеточные терапии, химические протеазы, блокаторы рецепторов, радиофармацевтические препараты. Терапевтические молекулы могут быть широкого спектра соединений, которые используются в медицине для лечения различных заболеваний. В частности, малые молекулы – химические соединения с низкой молекулярной массой, которые легко проникают в клетки и взаимодействуют с белками, ферментами или рецепторами. К таким молекулам относятся анальгетики, антибиотики, противовирусные препараты и химиотерапевтические средства. Затем, биологические молекулы, включающие белки, пептиды и антитела. Белки, такие как инсулин или эритропоэтин, используются для замещения или стимулирования функций организма, а антитела, например, трастузумаб или адалимумаб, избирательно связываются с определенными белками-мишенями для борьбы с раком или аутоиммунными заболеваниями.In one embodiment of the invention, additional molecules are sorbed into the selected nanoparticle in addition to the substrate - therapeutic, visualizing (various fluorophores, etc.): small molecules, antibiotics, antiviral drugs, analgesics, anti-inflammatory agents, chemotherapeutic agents, enzyme inhibitors, tyrosine kinase inhibitors, hormones, synthetic hormonal analogues, peptides, proteins, therapeutic antibodies, siRNA, antisense oligonucleotides, mRNA, plasmids, recombinant proteins, cytokines, interferons, immunotherapeutic agents, cell therapies, chemical proteases, receptor blockers, radiopharmaceuticals. Therapeutic molecules can be a wide range of compounds that are used in medicine to treat various diseases. In particular, small molecules are chemical compounds with a low molecular weight that easily penetrate cells and interact with proteins, enzymes or receptors. These molecules include analgesics, antibiotics, antivirals, and chemotherapeutics. Then there are biological molecules, which include proteins, peptides, and antibodies. Proteins, such as insulin or erythropoietin, are used to replace or stimulate body functions, while antibodies, such as trastuzumab or adalimumab, selectively bind to specific target proteins to fight cancer or autoimmune diseases.
Пептиды занимают промежуточное место между малыми молекулами и белками и активно применяются в лечении, например, для регуляции гормональных функций или контроля метаболизма. Нуклеиновые кислоты, такие как сиРНК, антисмысловые олигонуклеотиды и мРНК, представляют собой новый класс терапевтических средств, которые вмешиваются в процессы экспрессии генов. К ним примыкают генотерапевтические агенты, доставляющие гены для исправления наследственных дефектов или лечения заболеваний, связанных с мутациями. Ингибиторы ферментов, такие как ингибиторы протеазы для лечения ВИЧ или ингибиторы тирозинкиназы для борьбы с онкологией, играют важную роль в блокировке ключевых биологических процессов. Гормоны и их синтетические аналоги, такие как кортизол или эстрогены, регулируют функции эндокринной системы. Peptides occupy an intermediate position between small molecules and proteins and are widely used in therapy, for example, to regulate hormonal functions or control metabolism. Nucleic acids such as siRNA, antisense oligonucleotides and mRNA are a new class of therapeutic agents that interfere with gene expression processes. They are joined by gene therapy agents that deliver genes to correct hereditary defects or treat diseases associated with mutations. Enzyme inhibitors, such as protease inhibitors for the treatment of HIV or tyrosine kinase inhibitors for the fight against cancer, play an important role in blocking key biological processes. Hormones and their synthetic analogues such as cortisol or estrogens regulate the functions of the endocrine system.
Различные биополимерыVarious biopolymers
В одном воплощении изобретения наночастицы дополнительно конъюгируют с полимером из группы: белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и другими. В частности, были получены конъюгаты с: иммуноглобулинами (в .ч. IgG, IgM), лектинами, пероксидазами, люциферазами, альбуминами, ДНК, РНК, плазмидной ДНК, матричной РНК, антисенс ДНК, антисенс РНК, малая интерферирующей РНК, piwiРНК, микроРНК, аптамер., антисенс-ДНК, декстраном, карбоксиметилдекстраном, хитозаном, полиэтиленимином, полиэтиленгликолем, полиакриловой кислотой.In one embodiment of the invention, the nanoparticles are additionally conjugated with a polymer from the group: proteins, nucleic acids, polysaccharides, and others. In particular, conjugates were obtained with: immunoglobulins (including IgG, IgM), lectins, peroxidases, luciferases, albumins, DNA, RNA, plasmid DNA, matrix RNA, antisense DNA, antisense RNA, small interfering RNA, piwiRNA, microRNA, aptamer, antisense DNA, dextran, carboxymethyldextran, chitosan, polyethyleneimine, polyethyleneglycol, polyacrylic acid.
В одном воплощении изобретения упомянутым белком может быть: сывороточный альбумин, трансферрин, голо-трансферрин.In one embodiment of the invention, said protein may be: serum albumin, transferrin, holo-transferrin.
В одном воплощении изобретения упомянутое антитело может быть гаммаиммуноглобулин, иммуноглобулин G1 (IgG1), иммуноглобулин G2 (IgG2), иммуноглобулин G3 (IgG3), иммуноглобулин G4 (IgG4), иммуноглобулин M, иммуноглобулин A, иммуноглобулин E, иммуноглобулин D, Fab-фрагмент антитела, Fab'-фрагмент антитела, Fab'2-фрагмент антитела, F(ab')2-фрагмент антитела, scFv-фрагмент антитела, нанободи, scFv-Fc фрагменты, scFv-scFv (диабоди), биспецифические scFv фрагменты, Fab-scFv-фрагмент антитела.In one embodiment of the invention, said antibody may be a gamma immunoglobulin, immunoglobulin G1 (IgG1), immunoglobulin G2 (IgG2), immunoglobulin G3 (IgG3), immunoglobulin G4 (IgG4), immunoglobulin M, immunoglobulin A, immunoglobulin E, immunoglobulin D, Fab antibody fragment, Fab' antibody fragment, Fab'2 antibody fragment, F(ab')2 antibody fragment, scFv antibody fragment, nanobody, scFv-Fc fragments, scFv-scFv (diabody), bispecific scFv fragments, Fab-scFv antibody fragment.
Кроме того, упомянутое антитело является генно-инженерным аналогом из группы: авимеры, адгироны, аднектины, монободи, атриметры, антикалины, аффибоди, аффилины, аффимеры, аффитины, нанофитины, дарпины, кноттины, ободи, полипептиды на основе домена Кунитца, пронектины, репебоди, финомеры, центирины, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ белки.In addition, the mentioned antibody is a genetically engineered analogue from the group: avimers, adgyrons, adnectins, monobodies, atrimers, anticalins, affibodies, affilins, affimers, affitins, nanophytins, darpins, knottins, obodis, polypeptides based on the Kunitz domain, pronectins, repbodys, phynomers, centirins, ADAPT (ABD-Derived Affinity Proteins), NanoCLAMP (nano-CLostridial Antibody Mimetic Proteins), ARM (Armadillo repeat proteins), PDZ proteins.
Применяемые белки для данного аспекта изобретения могут включать, но не ограничиваться следующими: альбумин, трансферрин, инсулин, эндостатин, гемоглобин, миоглобин, лизоцим, иммуноглобулины, α-2-макроглобулиновый белок, фибронектин, ламинин, коллаген, желатин, белковые компоненты липопротеинов, синтетические пептиды и белки, и их комбинации. Примеры подходящих белков включают, но не ограничиваются следующими: альбумин, трансферрин, инсулин, эндостатин, гемоглобин, миозин, лизоцим, иммуноглобулины, α-макроглобулин, фибронектин, ламин, коллаген,Apo–A1, желатин, искусственные белки и их комбинации. Proteins useful for this aspect of the invention may include, but are not limited to, albumin, transferrin, insulin, endostatin, hemoglobin, myoglobin, lysozyme, immunoglobulins, α-2-macroglobulin protein, fibronectin, laminin, collagen, gelatin, protein components of lipoproteins, synthetic peptides and proteins, and combinations thereof. Examples of suitable proteins include, but are not limited to, albumin, transferrin, insulin, endostatin, hemoglobin, myosin, lysozyme, immunoglobulins, α-macroglobulin, fibronectin, lamin, collagen, Apo-A1, gelatin, artificial proteins, and combinations thereof.
Созданные конъюгаты с данными полимерами показали высокую специфичность связывания со своей мишенью (лигандом, партнером для связывания).The created conjugates with these polymers showed high specificity of binding to their target (ligand, binding partner).
Микроскопический и цитометрический анализMicroscopic and cytometric analysis
Упомянутый клеточный маркер может быть любым клинически-значимым маркером, в частности были созданы наноагенты, специфично распознающие EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.The mentioned cell marker can be any clinically significant marker, in particular, nanoagents have been created that specifically recognize EGFR, HER2, PD-L1, EpCAM, CEA, PSA, CA-125, CA 19-9, CA 15-3, CA 72-4, MUC1, CD19, CD20, CD44, CD133, CD166, CD24, CD47, CD117, DR-5.
Регистрация сигналаSignal registration
Детектируемый сигнал регистрируется качественно, полуколичественно или количественно визуально или на различном оборудовании: микроскоп, цитометр, цитофлуориметр, люминометр.The detected signal is recorded qualitatively, semi-quantitatively or quantitatively visually or on various equipment: microscope, cytometer, cytofluorimeter, luminometer.
Кросс-сшивкаCross-linking
В одном воплощениии метода есть дополнительный шаг кросс-сшивки наночастиц для стабилизации состава, предотвращения преждевременной десорбции или контроля скорости десорбции субстрата и т.п.In one embodiment of the method, there is an additional step of cross-linking the nanoparticles to stabilize the composition, prevent premature desorption or control the rate of substrate desorption, etc.
для кросс-сшивки наночастиц, их смешивают с бифункциональными кросс-линкерами. Это может быть глутаровый альдегид, формальдегид, диглицидиловый эфир, генипин и т.п. В одном воплощении метода, используют такой кросс-линкер, который оставляет частицы или делает их высокоспецифичными с точки зрения распознавания/связывания со своей биологической мишенью. В частности, кросс-сшивка формальдегидом или диглицидиловым эфиром предпочтительнее использования глутарового альдегида, т.к. как правило позволяет добиться более специфичных частиц. В то же время, для таких задач как неспецифическая трансфекция клеток генетическим материалом предпочтительно использовать кросс-сшивающий агент, который приводит не к избирательности частиц, а наоборот позволяет им высокоэффективно связываться с различными мишенями. Так, например, глутаровый альдегид приводит к образованию оснований Шиффа, которые обладают частичным положительным зарядом, а потому будут эффективно выполнять задачу связывания ДНК (которая заряжена отрицательно) для целей доставки генетического материала в клетки.for cross-linking of nanoparticles, they are mixed with bifunctional cross-linkers. This can be glutaraldehyde, formaldehyde, diglycidyl ether, genipin, etc. In one embodiment of the method, a cross-linker is used that leaves the particles or makes them highly specific in terms of recognition/binding to their biological target. In particular, cross-linking with formaldehyde or diglycidyl ether is preferable to using glutaraldehyde, since it usually allows for more specific particles. At the same time, for such tasks as non-specific transfection of cells with genetic material, it is preferable to use a cross-linking agent that does not lead to selectivity of particles, but on the contrary allows them to bind highly efficiently to various targets. For example, glutaraldehyde leads to the formation of Schiff bases, which have a partial positive charge, and therefore will effectively perform the task of binding DNA (which is negatively charged) for the purpose of delivering genetic material to cells.
Иммобилизация рецепторов на твердой фазеImmobilization of receptors on a solid phase
Методы иммобилизации связывающих рецепторов на мембране хорошо известны. Как правило, тестовый и контрольный связывающие рецепторы наносятся на мембрану параллельными линиями на расстоянии друг от друга. Растворы с необходимыми веществами в соответствующих буферах наносятся на тестовые полоски с помощью автоматизированных дозаторов. После высушивания на воздухе в течение необходимого времени, проводят блокировку мембраны в подходящем буфере и хранят в эксикаторе перед сборкой тест-полоски в единое целое.Methods for immobilizing binding receptors on a membrane are well known. Typically, test and control binding receptors are applied to the membrane in parallel lines at a distance from each other. Solutions with the required substances in appropriate buffers are applied to test strips using automated dispensers. After air drying for the required time, the membrane is blocked in a suitable buffer and stored in a desiccator before assembling the test strip into a single unit.
Скорость проведения анализа с помощью предлагаемого изобретения значительно выше стандартных методов анализа при сохранении точности и достоверности результатов. На измерение в данном случае в среднем уходит от 10 до 300 сек. Тем не менее, возможно увеличить чувствительность, если использовать большее время проведения анализа. Кроме того, принцип данного изобретения позволяет проводить прямое измерение определяемого нуклеиновой кислоты в качестве аеалита без необходимости её амплификации при условии, что ее концентрация выше предела детекции, и связанный с ней сигнал может быть зафиксирован, например, невооруженным глазом.The speed of analysis using the proposed invention is significantly higher than standard analysis methods while maintaining the accuracy and reliability of the results. In this case, the measurement takes on average from 10 to 300 seconds. However, it is possible to increase the sensitivity if a longer analysis time is used. In addition, the principle of this invention allows for direct measurement of the determined nucleic acid as an aealite without the need for its amplification, provided that its concentration is above the detection limit, and the signal associated with it can be recorded, for example, with the naked eye.
Измерения с использованием метода в рамках данного изобретения могут проходить как в жестких, так и в мягких условиях. Под «жесткими» условиями подразумеваются такие значения температуры, ионной силы, а также наличие других соединений, при которых происходит гибридизация нуклеиновых кислот. В условиях «высокой жёсткости» гибридизация будет происходить только для нуклеиновых кислот, имеющих высокое содержание комплементарных азотистых оснований. Таким образом, мягкие условия требуются в том случае, когда необходима гибридизация или отжиг не полностью комплементарных нуклеиновых кислот. Специалистам известен целый ряд методов создания мягких условий для протекания гибридизации. Гибридизация же в жёстких условиях возможна только в случае полной комплементарности последовательностей. Гибридизация в менее жёстких условиях возможна для последовательностей с менее чем 100% идентичностью. Изменения условий среды, такие как снижение концентрации соли или повышение температуры, могут позволить уменьшить жёсткость условий гибридизации. Ужесточение условий гибридизации можно добиться за счет снижения ионной силы или повышения температуры гибридизации.Measurements using the method within the framework of the present invention can be carried out both under stringent and mild conditions. "Stringent" conditions are understood to mean such values of temperature, ionic strength, and the presence of other compounds, at which hybridization of nucleic acids occurs. Under "high stringency" conditions, hybridization will occur only for nucleic acids having a high content of complementary nitrogenous bases. Thus, mild conditions are required in the case when hybridization or annealing of not completely complementary nucleic acids is necessary. A number of methods for creating mild conditions for hybridization are known to those skilled in the art. Hybridization under stringent conditions is possible only in the case of complete complementarity of sequences. Hybridization under less stringent conditions is possible for sequences with less than 100% identity. Changes in environmental conditions, such as a decrease in the salt concentration or an increase in temperature, can make it possible to reduce the stringency of hybridization conditions. Stricter hybridization conditions can be achieved by decreasing the ionic strength or increasing the hybridization temperature.
Таким образом, в одном из вариантов реализации данного изобретения вместо использования упомянутого антитела в качестве распознающего элемента, возможно использовать ДНК/НК рецепторы. При этом возможно проводить одностадийное, полнофункциональное определение специфических молекул ДНК или РНК в иммунохроматографическом формате анализа, при котором все необходимые реактивы находятся на тест-полоске в безводном виде. С другой стороны, данное изобретение дает возможность прямого определения НК без необходимости их амплификации и предоставляет метод их быстрого обнаружения.Thus, in one of the embodiments of the present invention, instead of using the said antibody as a recognition element, it is possible to use DNA/NK receptors. In this case, it is possible to carry out a single-stage, fully functional determination of specific DNA or RNA molecules in an immunochromatographic analysis format, in which all the necessary reagents are on the test strip in anhydrous form. On the other hand, this invention makes it possible to directly determine NK without the need for their amplification and provides a method for their rapid detection.
Кроме того, в своих альтернативных вариантах реализации изобретение применимо и для обнаружения НК в условиях повышенной температуры, что расширяет область его использования в различных областях, например, для проведения судебно-медицинской экспертизы. В дополнении к этим преимуществам описанный метод является простым способом детекции нуклеиновых кислот и не требует серьёзных подготовки в этой области, что может облегчить проникновение методов геномного экспресс-анализа в область диагностики у постели больного и по месту оказания медицинской помощи.In addition, in its alternative embodiments, the invention is also applicable for detecting NC under elevated temperature conditions, which expands the scope of its use in various fields, such as forensic examination. In addition to these advantages, the described method is a simple method for detecting nucleic acids and does not require serious training in this field, which can facilitate the penetration of genomic express analysis methods into the field of diagnostics at the patient's bedside and at the point of medical care.
АналитыAnalysts
Настоящее изобретение позволяет детектировать широкий круг молекулярных аналитов, включая нуклеиновые кислоты и полинуклеотидные последовательности, в том числе фрагменты и целые молекулы ДНК, а также транспортные, матричные, рибосомальные, микро РНК; синтетические аналоги нуклеиновых кислот, такие как пептидные НК, морфолиновые, закрытые, гликолевые и треозо-НК; а также, за счет использования особенных распознающих олигонуклеотидов (например, аптамеров) также молекулы ненуклеотидного состава, например, белки и пептиды, гормоны, низкомолекулярные физиологические регуляторы, иные гаптены, ионы металлов, и т.д.The present invention makes it possible to detect a wide range of molecular analytes, including nucleic acids and polynucleotide sequences, including fragments and whole DNA molecules, as well as transport, matrix, ribosomal, micro RNA; synthetic analogues of nucleic acids, such as peptide NA, morpholine, closed, glycolic and threose-NA; and also, due to the use of special recognition oligonucleotides (for example, aptamers) also molecules of non-nucleotide composition, for example, proteins and peptides, hormones, low-molecular physiological regulators, other haptens, metal ions, etc.
Калибровочная криваяCalibration curve
В одном воплощении метода для количественной оценки содержания аналита в образце (измерения концентрации), дополнительно делают шаг сравнения полученных результатов с калибровочной кривой, измеренной для образцов с известным содержанием аналита.In one embodiment of the method for quantitatively assessing the content of an analyte in a sample (measuring the concentration), an additional step is taken of comparing the obtained results with a calibration curve measured for samples with a known content of the analyte.
МультиплексностьMultiplexity
Данный метод применим и для определения нескольких аналитов одновременно. В простейшем формате тестовая полоска может быть разделена на отдельные полоски, где будут нанесены отдельные зоны связывания для обнаружения различных аналитов. Кроме того, также возможно реализовать одновременную детекцию разных аналитов в одном образце. Для этого, например, отдельные зоны связывания могут быть нанесены на одну мембрану, но в её разных участках.This method is also applicable for the simultaneous determination of several analytes. In the simplest format, the test strip can be divided into separate strips, where separate binding zones are applied for the detection of different analytes. In addition, it is also possible to implement the simultaneous detection of different analytes in one sample. For this purpose, for example, separate binding zones can be applied to one membrane, but in its different areas.
Специфические пары рецептор/лигандSpecific receptor/ligand pairs
В рамках данного изобретения (в т.ч. вместо упомянутых антител) могут быть использованы различные специфические пары типа «рецептор/лиганд», применимые для создания сигнальных (репортерных) конъюгатов и связывающих их рецепторов, а также распознающих олигонуклеотидов или белковых рецептором с их аналитом. Компоненты таких пар, применимые в данном изобретении, могут быть как иммунного, так и неиммунного типа. Примерами иммунного связывания могут быть системы, основанные на взаимодействии антиген/антитело или гаптен/антигаптен. Поликлональные, моноклональные антитела или их иммуно-активные фрагменты могут быть подготовлены стандартными методами, известные специалистам в данной области. Термины "иммуно-активный фрагмент антитела" или "иммуно-активный фрагмент" относятся к частям молекул антител, которые содержат область специфического связывания. Такие фрагменты могут быть фрагментами Fab, которые определяются как фрагменты, лишенные части Fc, например Fab, Fab' и F(ab)2 фрагменты, или могут быть так называемыми "полумолекулярными" фрагментами, полученными восстановительным расщеплением дисульфидных связей, соединяющих тяжелые цепи исходного антитела. Если антиген, входящий в состав связывающейся пары, не является иммуногенным, например, гаптен, он может быть ковалентно связан с дополнительным белком-носителем, чтобы сделать его иммуногенным.Within the framework of the present invention (including instead of the mentioned antibodies), various specific pairs of the "receptor/ligand" type can be used, applicable for creating signal (reporter) conjugates and receptors binding them, as well as recognizing oligonucleotides or protein receptors with their analyte. The components of such pairs applicable in the present invention can be of both immune and non-immune types. Examples of immune binding can be systems based on the interaction of antigen/antibody or hapten/antihapten. Polyclonal, monoclonal antibodies or their immunoactive fragments can be prepared by standard methods known to those skilled in the art. The terms "immunoactive fragment of an antibody" or "immunoactive fragment" refer to parts of antibody molecules that contain a specific binding region. Such fragments may be Fab fragments, which are defined as fragments lacking the Fc portion, such as Fab, Fab', and F(ab)2 fragments, or may be so-called "half-molecular" fragments produced by reductive cleavage of the disulfide bonds linking the heavy chains of the parent antibody. If the antigen in the binding pair is not immunogenic, such as a hapten, it may be covalently linked to an additional carrier protein to render it immunogenic.
К неиммунным специфическим парам относятся системы, в которых два компонента проявляют естественную аффинность друг к другу, не являясь при этом антителом и антигеном. Среди известных примеров неиммунных пар можно назвать биотин и авидин, биотин и стрептавидин, фолиевая кислота и белки, связывающие фолаты, комплементарные нуклеиновые кислоты, белки А, G и иммуноглобулины и т.д. К ним также могут быть причислены пары, образующие ковалентные связи друг с другом: например, пары сульфгидрильные группы/ малеимиды и галоацетильные производные) и амино-группы/изотиоционаты, эфиры сукцинимида и сульфонилгалогениды и т.д. (M. N. Bobrow, et al., J. Immunol. Methods, 1989,125:279).Non-immune specific pairs include systems in which two components exhibit a natural affinity for each other without being antibody and antigen. Well-known examples of non-immune pairs include biotin and avidin, biotin and streptavidin, folic acid and folate-binding proteins, complementary nucleic acids, proteins A, G and immunoglobulins, etc. They also include pairs that form covalent bonds with each other: for example, pairs of sulfhydryl groups/maleimides and haloacetyl derivatives) and amino groups/isothiocyanates, succinimide esters and sulfonyl halides, etc. (MN Bobrow, et al., J. Immunol. Methods , 1989,125:279).
Иммунохроматографические (ИХА) тест-полоскиImmunochromatographic (ICA) test strips
ИХА тест-полоска представляет собой окружение, в котором происходит анализ с помощью настоящего изобретения. Тест-полоска, как правило, состоит из хроматографического пористого материала и включает зону нанесения образца и зону связывания, как указано выше.The ICA test strip is the environment in which the analysis is carried out using the present invention. The test strip typically consists of a chromatographic porous material and includes a sample application zone and a binding zone, as indicated above.
Хроматографические пористые материалы, из которых состоит полоска, как правило гидрофильны и/или принципиально могут быть превращены в таковые, и включают в себя следующие материалы, используемые либо по отдельности либо в сочетании с другими материалами - гранулы неорганической природы, например кремния, сульфата магния, алюминия; природные полимеры, в частности целлюлоза и материалы на ее основе (например, волокнистые полимеры - фильтровальная бумага, бумага для хроматографии и пр.); синтетические или модифицированные природные полимеры, такие как нитроцеллюлоза, ацетилцеллюлоза, поливинилхлорид, полиакриламид, кросс-сшитый декстран, агароза, полиакрилаты и др.; керамические материалы; стекло; и подобные материалы. Для описываемого изобретения предпочитаемым материалом является нитроцеллюлоза.The chromatographic porous materials of which the strip consists are generally hydrophilic and/or can in principle be converted into such, and include the following materials, used either individually or in combination with other materials - granules of inorganic nature, such as silicon, magnesium sulfate, aluminum; natural polymers, in particular cellulose and materials based on it (for example, fibrous polymers - filter paper, chromatography paper, etc.); synthetic or modified natural polymers, such as nitrocellulose, acetylcellulose, polyvinyl chloride, polyacrylamide, cross-linked dextran, agarose, polyacrylates, etc.; ceramic materials; glass; and similar materials. For the described invention, the preferred material is nitrocellulose.
В предпочтительном варианте мембрана может быть как отдельной структурой в виде листа, нарезаемого на тест-полоски, либо может быть зафиксирована на подложке или твердой поверхности, как, например, при тонкослойной хроматографии.In a preferred embodiment, the membrane may be either a separate structure in the form of a sheet cut into test strips, or may be fixed to a support or solid surface, such as in thin layer chromatography.
Связывание рецепторов с поверхностью мембраны может достигаться при помощи хорошо известных методов, описанных в литературе. См. например Immobilized Enzymes, Inchiro Chibata, Halsted Press, New York (1978) и Cuatrecasas, J. Bio. Chem., 1970, 245:3059.Binding of receptors to the membrane surface can be achieved by well-known methods described in the literature. See, for example, Immobilized Enzymes, Inchiro Chibata, Halsted Press, New York (1978) and Cuatrecasas, J. Bio. Chem., 1970, 245:3059.
Подготовка тест-полоскиPreparing the test strip
При подготовке тест-полоски для проведения анализа сначала наносятся необходимые реагенты, а затем тест-полоска инкубируется в необходимых буферных растворах.When preparing a test strip for analysis, the necessary reagents are first applied, and then the test strip is incubated in the necessary buffer solutions.
Буферные растворы и растворители, используемые для описываемого изобретения известны (см. например Weng et al. (Патент США 4,740,468). Как правило значения pH буфера для проведения иммунохроматографического анализа находятся в интервале 4-11, чаще 5-10, для настоящего изобретения предпочтительно 6-9. Значения pH выбираются так, чтобы поддерживать необходимый уровень аффинности между взаимодействующими парами молекул и быть оптимальным для формирования сигнала соответствующей системой. Для достижения желаемого значения pH и его поддержания во время анализа могут использоваться различные буферы. В качестве иллюстрации могут быть приведены боратный, фосфатный, карбонатный, Tris, диэтилбарбитуровый и др. Применение определённого буферного раствора не является значимым для изобретения в целом, однако, при проведении конкретных исследований использование специфичного буферного раствора может быть предпочтительным.Buffer solutions and solvents used for the described invention are known (see, for example, Weng et al. (US Patent 4,740,468). As a rule, the pH values of the buffer for conducting an immunochromatographic assay are in the range of 4-11, more often 5-10, for the present invention, 6-9 is preferable. The pH values are selected so as to maintain the necessary level of affinity between the interacting pairs of molecules and to be optimal for signal formation by the corresponding system. Various buffers can be used to achieve the desired pH value and maintain it during the assay. Borate, phosphate, carbonate, Tris, diethylbarbiturate, etc. can be given as an illustration. The use of a specific buffer solution is not significant for the invention as a whole, however, when conducting specific studies, the use of a specific buffer solution may be preferable.
Для проведения анализа в рамках данного изобретения обычно используется постоянное значение температуры. Как правило, для проведения исследования и получения детектируемого сигнала используются значения температуры в интервале 4-50°C, обычно в промежутке 10-40°C, а еще чаще – температуры, близкие к температуре окружающей среды, т.е. 15-25 °C.For the analysis within the framework of the present invention, a constant temperature value is usually used. As a rule, for the analysis and obtaining the detectable signal, temperature values in the range of 4-50 °C are used, usually in the range of 10-40 °C, and even more often - temperatures close to the ambient temperature, i.e. 15-25 °C.
При использовании в одном из вариантов данного изобретения распознающего олигонуклеотида и ее связывания (гибридизации) с целевой нуклеотидной последовательностью требует условий, способствующих протеканию гибридизации НК. Гибридизация как правило проводится в буферном растворе Фиколла, который также может содержать поливинилпирролидин, БСА, дрожжевую тРНК, неспецифичную ДНК, сульфат декстрана, дитиотреитол и формамид. Гибридизация может происходить как в растворе, так и на твердой фазе, при этом одна нуклеотидная цепь иммобилизуется на тест-полоске в зоне связывания.When using in one of the embodiments of the present invention, the recognition oligonucleotide and its binding (hybridization) with the target nucleotide sequence requires conditions that facilitate the hybridization of the NC. Hybridization is usually carried out in a Ficoll buffer solution, which may also contain polyvinylpyrrolidine, BSA, yeast tRNA, non-specific DNA, dextran sulfate, dithiothreitol and formamide. Hybridization can occur both in solution and on a solid phase, with one nucleotide chain immobilized on the test strip in the binding zone.
ИММУНОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗIMMUNOCHROMATOGRAPHIC ANALYSIS
Иммунохроматографический анализ (ИХА) - это быстрый и эффективный метод детекции различных биомолекул, таких как антигены и антитела, в биологических образцах. Этот метод основан на принципе специфического связывания антител и антигенов и использовании визуальных изменений для определения присутствия целевых молекул. ИХА широко используется для диагностики инфекционных заболеваний, мониторинга состояния здоровья и тестирования качества воды и пищи.Immunochromatographic assay (ICA) is a rapid and effective method for detecting various biomolecules, such as antigens and antibodies, in biological samples. This method is based on the principle of specific binding of antibodies and antigens and the use of visual changes to determine the presence of target molecules. ICA is widely used in the diagnosis of infectious diseases, health monitoring, and testing the quality of water and food.
В традиционных иммунохроматографических тестах используется окрашивание на основе хромогенных или коллоидных меток, однако использование АЛЧ по данному изобретению открывает новые возможности для повышения чувствительности, точности и скорости анализа.Traditional immunochromatographic tests use staining based on chromogenic or colloidal labels, but the use of the ALC according to this invention opens up new possibilities for increasing the sensitivity, accuracy and speed of analysis.
Принцип работы иммунохроматографического анализа с использованием АЛЧThe principle of operation of immunochromatographic analysis using ALC
Иммунохроматографический анализ с люминесцентными наночастицами использует принцип аналогичный традиционному ИХА, но с добавлением стадии детекции люминесценции. В общем случае процесс можно разделить на несколько этапов:Immunochromatographic analysis with luminescent nanoparticles uses a principle similar to traditional ICA, but with the addition of a luminescence detection stage. In general, the process can be divided into several stages:
1. Подготовка тест-полоски: на тест-полоске или мембране фиксируются антитела, которые будут связываться с целевыми молекулами (антигенами или антителами), присутствующими в анализируемом образце. На мембране также могут быть расположены зоны детекции, где будет происходить накопление люминесцентных частиц.1. Preparation of the test strip: antibodies are fixed on the test strip or membrane, which will bind to the target molecules (antigens or antibodies) present in the analyzed sample. The membrane may also have detection zones where the accumulation of luminescent particles will occur.
2. Инкубация с образцом и люминесцентными наночастица: образец (например, сыворотка крови, моча и т.д.) добавляется на тест-полоску. Затем в систему вводятся АЛЧ, которые могут быть функционализированы с помощью антител, специфичных к целевым молекулам (например, антитела к вирусам, бактериям или опухолевым маркерам).2. Incubation with sample and luminescent nanoparticles: the sample (e.g. blood serum, urine, etc.) is added to the test strip. The system is then supplemented with ALP, which can be functionalized with antibodies specific to the target molecules (e.g. antibodies to viruses, bacteria or tumor markers).
3. Стадия проявления реакции: если целевые молекулы (например, антигены) присутствуют в образце, они связываются с антителами на тест-полоске и инициируют образование комплекса с люминесцентными наночастицами. Эти наночастицы двигаются вдоль полоски, пока не достигнут зоны детекции.3. Reaction development stage: If target molecules (e.g. antigens) are present in the sample, they bind to the antibodies on the test strip and initiate the formation of a complex with the luminescent nanoparticles. These nanoparticles move along the strip until they reach the detection zone.
4. Реакция проявления реакции: когда люминесцентные наночастицы достигнут зоны детекции, люцифераза катализирует реакцию с её субстратом (люциферином), в результате которой происходит выделение света (люминесценция), интенсивность которой будет пропорциональна количеству целевых молекул, присутствующих в образце.4. Detection reaction: When the luminescent nanoparticles reach the detection zone, luciferase catalyzes a reaction with its substrate (luciferin), resulting in the release of light (luminescence), the intensity of which will be proportional to the amount of target molecules present in the sample.
5. Измерение и интерпретация результата: люминесценция от осажденных на тест-полоске частиц может быть измерена с помощью специализированного оборудования (например, люминометра или мобильных детекторов). В некоторых случаях достаточно визуальной оценки, если используется подход, позволяющий наблюдать люминесценцию невооружённым глазом (например, в случае сильно выраженной люминесценции).5. Measurement and interpretation of the result: Luminescence from particles deposited on the test strip can be measured using specialized equipment (e.g. luminometer or mobile detectors). In some cases, visual assessment is sufficient if an approach is used that allows the luminescence to be observed with the naked eye (e.g. in the case of strong luminescence).
Преимущества использования АЛЧ в иммунохроматографическом анализеAdvantages of using ALC in immunochromatographic analysis
а. Высокая чувствительность и точность: люминесцентные наночастицы позволяют значительно повысить чувствительность анализа по сравнению с традиционными методами, использующими хромогенные или коллоидные метки. Это особенно важно для детекции низких концентраций целевых молекул, таких как вирусные антигены или онкомаркеры. Люминесценция позволяет легко выявить даже малые количества молекул в образце, что значительно повышает точность диагностики.a. High sensitivity and accuracy: luminescent nanoparticles allow for a significant increase in the sensitivity of the analysis compared to traditional methods using chromogenic or colloidal labels. This is especially important for detecting low concentrations of target molecules, such as viral antigens or tumor markers. Luminescence allows for easy detection of even small amounts of molecules in a sample, which significantly increases the accuracy of diagnosis.
б. Минимизация фона и интерференции: использование АЛЧ уменьшает влияние фона и других компонентов образца, которые могут влиять на результаты хромогенных реакций. Люминесценция является более специфичной и устойчивой к помехам (например, окрашивания или присутствия других веществ, которые могут нарушить хромогенные реакции).b. Minimization of background and interference: The use of ALC reduces the influence of background and other components of the sample that may influence the results of chromogenic reactions. Luminescence is more specific and resistant to interferences (e.g., color or the presence of other substances that may interfere with chromogenic reactions).
в. Скорость анализа: иммунохроматографические тесты с люминесцентными наночастицами обеспечивают более быстрые результаты, поскольку измерение люминесценции может быть осуществлено почти мгновенно после добавления образца и наночастиц. Это позволяет проводить тесты за короткое время, что особенно важно для экстренной диагностики в клинических условиях.c. Speed of analysis: Immunochromatographic tests with luminescent nanoparticles provide faster results, since the luminescence measurement can be performed almost instantly after the addition of the sample and nanoparticles. This allows tests to be performed in a short time, which is especially important for emergency diagnostics in clinical settings.
г. Универсальность: АЛЧ могут быть функционализированы для связывания с различными молекулами, что позволяет адаптировать этот метод для множества диагностических целей. Это делает его идеальным для многокомпонентных тестов, например, для одновременной детекции различных инфекций или для мониторинга нескольких биомаркеров в одном образце.d. Versatility: ALC can be functionalized to bind to a variety of molecules, allowing the method to be adapted for a variety of diagnostic purposes. This makes it ideal for multi-component tests, such as for the simultaneous detection of different infections or for monitoring multiple biomarkers in a single sample.
д. Удобство и простота применения: иммунохроматографические тесты с люминесцентными наночастицами могут быть адаптированы для использования в полевых условиях и для домашней диагностике. Современные портативные детекторы позволяют проводить анализ непосредственно на месте с минимальными техническими требованиями, что делает этот метод доступным и удобным для широкого круга пользователей.d. Convenience and ease of use: immunochromatographic tests with luminescent nanoparticles can be adapted for use in the field and for home diagnostics. Modern portable detectors allow analysis to be carried out directly on site with minimal technical requirements, which makes this method accessible and convenient for a wide range of users.
Применение иммунохроматографического анализа с люминесцентными наночастицами в биомедицинской диагностикеApplication of immunochromatographic analysis with luminescent nanoparticles in biomedical diagnostics
1. Диагностика инфекционных заболеваний.1. Diagnosis of infectious diseases.
Люминесцентные наночастицы в иммунохроматографическом анализе могут быть использованы для быстрого выявления вирусных инфекций, таких как грипп, COVID-19, гепатит, а также для диагностики бактериальных инфекций. Это может быть особенно полезно в экстренных ситуациях, когда важно быстро поставить диагноз и начать лечение.Luminescent nanoparticles in immunochromatographic analysis can be used for rapid detection of viral infections such as influenza, COVID-19, hepatitis, as well as for diagnostics of bacterial infections. This can be especially useful in emergency situations, when it is important to quickly make a diagnosis and start treatment.
2. Диагностика заболеваний сердечно-сосудистой системы2. Diagnosis of cardiovascular diseases
Использование люминесцентных наночастиц в иммунохроматографическом анализе позволяет детектировать биомаркеры, связанные с различными заболеваниями сердечно-сосудистой системы, такими как острый инфаркт миокарда. Быстрая детекция маркеров, таких как тропонин, в крови пациента может помочь в оперативной постановке диагноза и начале соответствующего лечения.The use of luminescent nanoparticles in immunochromatographic analysis allows for the detection of biomarkers associated with various cardiovascular diseases, such as acute myocardial infarction. Rapid detection of markers such as troponin in a patient’s blood can help in prompt diagnosis and initiation of appropriate treatment.
3. Онкология и мониторинг лечения3. Oncology and treatment monitoring
ИХА на основе АЛЧ также может быть использован для диагностики и мониторинга рака с помощью детекции онкомаркеров в биологических жидкостях и средах. Люминесцентные наночастицы, специфичные к определённым маркерам опухолей, могут быть использованы для ранней диагностики и оценки прогноза заболевания.ICA based on ALC can also be used for cancer diagnostics and monitoring by detecting tumor markers in biological fluids and environments. Luminescent nanoparticles specific to certain tumor markers can be used for early diagnostics and disease prognosis assessment.
4. Экологический мониторинг4. Environmental monitoring
Иммунохроматографический анализ с люминесцентными наночастицами также может быть использован для экологического мониторинга. Этот метод позволяет быстро выявлять загрязнители воды, воздуха и почвы, а также для тестирования продуктов питания на наличие токсичных веществ или патогенов.Immunochromatographic analysis with luminescent nanoparticles can also be used for environmental monitoring. This method allows for the rapid detection of pollutants in water, air and soil, as well as for testing food products for toxic substances or pathogens.
МикроскопияMicroscopy
Для изучения взаимодействия наночастиц с клетками мы использовали наши биолюминесцентные системы, что позволило наблюдать за динамикой проникновения наночастиц внутрь клеток и их локализацией. Автономное свечение обеспечивало высокую контрастность изображений и позволило минимизировать влияние фона, повышая разрешение и точность наблюдений.To study the interaction of nanoparticles with cells, we used our bioluminescent systems, which allowed us to observe the dynamics of nanoparticle penetration into cells and their localization. Autonomous luminescence provided high image contrast and allowed us to minimize the influence of the background, increasing the resolution and accuracy of observations.
МикроскопияMicroscopy
Микроскопия является основным инструментом для визуализации клеточных структур, молекул и других биологических объектов с высоким разрешением. В последние годы с развитием нанотехнологий, микроскопия значительно улучшилась благодаря использованию люминесцентных наночастиц, которые позволяют получать изображения с высокой контрастностью и точностью. Microscopy is a fundamental tool for imaging cellular structures, molecules, and other biological objects with high resolution. In recent years, with the development of nanotechnology, microscopy has improved significantly through the use of luminescent nanoparticles, which allow for high-contrast, high-precision imaging.
Люминесцентные частицы по данному изобретению, содержащие интегрированную люциферазу и её субстрат, представляют собой инновационный инструмент для микроскопических исследований, предоставляя уникальные возможности для наблюдения биологических процессов на молекулярном уровне.The luminescent particles of the present invention, containing integrated luciferase and its substrate, represent an innovative tool for microscopic research, providing unique opportunities for observing biological processes at the molecular level.
Использование этих наночастиц в микроскопии позволяет значительно улучшить качество изображений, а также расширить спектр применений, например, в следующих областях. The use of these nanoparticles in microscopy can significantly improve image quality and expand the range of applications, for example in the following areas.
а. Изучение клеточных взаимодействий и локализации молекул в клетке. Благодаря автономности и высокому уровню люминесценции, АЛН позволют исследовать динамику молекулярных процессов в реальном времени и на уровне отдельных клеток, что невозможно с использованием традиционных флуоресцентных маркеров.a. Study of cellular interactions and localization of molecules in the cell. Due to their autonomy and high level of luminescence, ALNs allow studying the dynamics of molecular processes in real time and at the level of individual cells, which is impossible using traditional fluorescent markers.
б. Визуализация опухолевых клеток и метастаз. Например, использование АЛН, функционализированных антителами против опухолевых маркеров, позволяет точно отслеживать рост опухолей, их распространение и влияние на окружающие ткани, а также не только локализовать опухолевые клетки, но и оценить их морфологию и реакцию на терапию. b. Visualization of tumor cells and metastases. For example, the use of ALN functionalized with antibodies against tumor markers allows for precise tracking of tumor growth, their spread, and their impact on surrounding tissues, as well as not only localization of tumor cells, but also assessment of their morphology and response to therapy.
в. Динамическое отслеживание клеточных процессов, таких как миграция клеток, клеточное деление, процессы клеточной смерти (апоптоза, некроза и т.д.), а также взаимодействие с лекарственными средствами в реальном масштабе времени и высоким разрешением.c. Dynamic tracking of cellular processes such as cell migration, cell division, cell death processes (apoptosis, necrosis, etc.), as well as drug interactions in real time and high resolution.
г. Микроскопия с применением многоцветных люминесцентных наночастиц для проведения многофункциональной микроскопии. Путем создания АЛН со способностью испускать свет в разных спектральных диапазонах, возможно изучать несколько биологических объектов одновременно.g. Microscopy using multicolor luminescent nanoparticles for multifunctional microscopy. By creating ALN with the ability to emit light in different spectral ranges, it is possible to study several biological objects simultaneously.
При этом АЛН обеспечат следующие преимущества:At the same time, ALN will provide the following advantages:
1. Высокая чувствительность за счет обеспечения высокой яркости и контрастности изображений, что позволяет выявить даже низкие концентрации целевых молекул или клеток, недоступных для традиционных методов. 1. High sensitivity due to high brightness and contrast of images, which allows to detect even low concentrations of target molecules or cells, inaccessible to traditional methods.
2. Низкая токсичность и инвазивность за счет бесконтактного измерения результатов и отсутствия необходимости введения субстрата, что даст возможность использовать АЛН для длительных исследований без вреда для клеток или тканей. 2. Low toxicity and invasiveness due to contactless measurement of results and the absence of the need to introduce a substrate, which will make it possible to use ALN for long-term studies without harm to cells or tissues.
3. Высокая специфичность и избирательность в случае модификации АЛН биомолекулами для связывания с конкретными молекулярными и физиологическими мишенями, что позволяет провести точную и высокоспецифичную визуализацию.3. High specificity and selectivity when ALN is modified with biomolecules to bind to specific molecular and physiological targets, allowing for precise and highly specific imaging.
4. Долговечность и стабильность: АЛН по данному изобретению будут обладать высокой стабильностью и долговечностью, что позволит использовать их в качестве долгоживущих маркеров в различных микроскопических исследованиях.4. Durability and stability: The ALNs of the present invention will have high stability and durability, which will allow them to be used as long-lived markers in various microscopic studies.
ЦитометрияCytometry
Наночастицы применялись в проточной цитометрии и для клеточного сортинга. Благодаря высокой чувствительности и автономному свечению наши биолюминесцентные метки позволяли с высокой точностью выделять клетки по их биомаркерным признакам, что облегчает выделение и анализ редких клеток, например, опухолевых клеток, циркулирующих в крови, или стволовых клеток.Nanoparticles were used in flow cytometry and cell sorting. Due to their high sensitivity and autonomous luminescence, our bioluminescent labels allowed us to accurately isolate cells based on their biomarker features, which facilitates the isolation and analysis of rare cells, such as tumor cells circulating in the blood or stem cells.
ЦитометрияCytometry
Цитометрия - это метод, используемый для количественного анализа и характеризации клеток и частиц с помощью лазерного возбуждения с последующим измерением светового излучения, которое они излучают или рассеивают. Цитометрия, особенно поточная цитометрия, представляет собой мощный инструмент для изучения клеточных процессов, таких как миграция клеток, клеточная гибель (апоптоз, некроз и т.д.), дифференциация и популяционные изменения. АЛЧ по данному изобретению могут предоставить дополнительные преимущества для проведения цитометрических исследований. Например, такие частицы могут быть использованы для следующих цитометрических применений.Cytometry is a technique used to quantify and characterize cells and particles by laser excitation followed by measurement of the light they emit or scatter. Cytometry, especially flow cytometry, is a powerful tool for studying cellular processes such as cell migration, cell death (apoptosis, necrosis, etc.), differentiation, and population changes. The ALPs of the present invention may provide additional advantages for cytometric studies. For example, such particles may be used for the following cytometric applications.
а. Клеточный анализ и характеристика клеточных популяций. Например, АЛЧ могут быть использованы для маркирования определённых типов клеток (например, раковых клеток, клеток иммунной системы или стволовых клеток) и проведения анализа их популяционного распределения, активности и других параметров, таких как клеточная зрелость или степень дифференциации.a. Cellular analysis and characterization of cell populations. For example, ALC can be used to label specific cell types (e.g. cancer cells, immune cells, or stem cells) and analyze their population distribution, activity, and other parameters such as cellular maturity or differentiation.
б. Оценка жизнеспособности клеток и оценка процессов клеточной гибели (апоптоз, некроз, аутофагия и т.д.). Для этой цели АЛЧ, например, могут быть функционализированы рецепторами, специфичными к молекулам, активирующими апоптоз (например, белками каспаз).b. Assessment of cell viability and assessment of cell death processes (apoptosis, necrosis, autophagy, etc.). For this purpose, ALC, for example, can be functionalized with receptors specific to molecules activating apoptosis (e.g., caspase proteins).
в. Фенотипирование и молекулярная характеристика клеток путем взаимодействия специально функционалированных АЛЧ со специфическими молекулярными маркерами или рецепторами на клеточной поверхности, что позволяет с высокой точностью идентифицировать определённые популяции клеток, а также изучать их молекулярные профили.c. Phenotyping and molecular characterization of cells by interaction of specially functionalized ALCs with specific molecular markers or receptors on the cell surface, which allows for the identification of specific cell populations with high accuracy, as well as the study of their molecular profiles.
г. Мониторинг клеточной активности и молекулярных сигналов в реальном времени. Например, использование АЛЧ позволит наблюдать изменения в клеточных путях сигнализации, таких как кальциевые сигналы, активация определенных рецепторов или особенности их взаимодействия с лекарственными средствами.g. Real-time monitoring of cellular activity and molecular signals. For example, the use of ALC will allow observation of changes in cellular signaling pathways, such as calcium signals, activation of certain receptors, or the specifics of their interaction with drugs.
Для указанных выше цитометрических применений предлагаемые АЛЧ будут обладать следующими преимуществами.For the above cytometric applications, the proposed ALC will have the following advantages.
1. Высокая чувствительность, что позволит обнаруживать даже малые количества клеток или молекул. Это особенно важно для диагностики заболеваний на ранних стадиях или для исследования редких клеточных популяций.1. High sensitivity, which will allow detection of even small quantities of cells or molecules. This is especially important for early stage disease diagnostics or for studying rare cell populations.
2. Неинвазивность. Автономность АЛН позволяет проводить цитометрию неинвазивно с минимальным воздействием на живые клетки без их повреждения, что открывает возможности для долговременных исследований и мониторинга клеточных изменений.2. Non-invasiveness. The autonomy of the ALN allows for non-invasive cytometry with minimal impact on living cells without damaging them, which opens up opportunities for long-term research and monitoring of cellular changes.
3. Специфичность и избирательность. АЛН могут быть функционализированы для связывания с конкретными клетками или молекулами, что позволяет исследовать молекулярные механизмы с высокой избирательностью.3. Specificity and selectivity. ALNs can be functionalized to bind to specific cells or molecules, allowing molecular mechanisms to be probed with high selectivity.
4. Мультиплексность (одновременный анализ множества параметров) за счет использования люминесцентных наночастиц с различными свойствами, что позволит проводить многократное маркирование клеток и одновременно измерять несколько параметров (например, клеточные маркеры, метки активности и т.д.). 4. Multiplexity (simultaneous analysis of multiple parameters) due to the use of luminescent nanoparticles with different properties, which will allow for multiple cell labeling and simultaneous measurement of several parameters (e.g. cell markers, activity labels, etc.).
5. Возможность проведения количественного анализа. Цитометрия позволяет не только визуализировать клетки, но и проводить их количественный анализ, что важно для оценки степени заболевания, эффективности лечения или воздействия биологических агентов.5. Possibility of quantitative analysis. Cytometry allows not only to visualize cells, but also to conduct their quantitative analysis, which is important for assessing the extent of the disease, the effectiveness of treatment or the impact of biological agents.
НанотермометрияNanothermometry
Наши эксперименты подтвердили, что биолюминесцентные наночастицы обладают зависимостью интенсивности люминесцентного сигнала от температуры окружающей среды. Это свойство делает их перспективными для нанотермометрии, позволяя измерять локальные температурные изменения в тканях или клетках. Мы использовали эти наночастицы для контроля гипертермии при терапевтических процедурах, что позволяет наблюдать за тепловыми эффектами и оптимизировать лечение.Our experiments confirmed that bioluminescent nanoparticles have a dependence of the luminescent signal intensity on the ambient temperature. This property makes them promising for nanothermometry, allowing us to measure local temperature changes in tissues or cells. We used these nanoparticles to monitor hyperthermia during therapeutic procedures, which allows us to observe thermal effects and optimize treatment.
НанотермометрияNanothermometry
Нанотермометрия - это метод измерения температуры на наноразмерном уровне, который позволяет получить высокоточные данные о температурных изменениях в локальных областях, таких как клетки, ткани, молекулы или наночастицы. Эта технология широко используется в биомедицинских исследованиях для изучения температурных эффектов в биологических системах, таких как процессинг клеток, метаболизм, реакция на лечение и другие физиологические процессы. Традиционно для измерения температуры на микроскопическом уровне использовались термоиндикаторные молекулы или наночастицы, которые изменяли свои свойства в зависимости от температуры.Nanothermometry is a method of measuring temperature at the nanoscale level, which allows obtaining highly accurate data on temperature changes in local areas such as cells, tissues, molecules or nanoparticles. This technology is widely used in biomedical research to study temperature effects in biological systems such as cell processing, metabolism, response to treatment and other physiological processes. Traditionally, temperature measurement at the microscopic level has been achieved using temperature indicator molecules or nanoparticles that change their properties depending on temperature.
АЛЧ по данному изобретению представляют собой перспективный инструмент для нанотермометрии, поскольку они обладают уникальной возможностью изменять интенсивность или характеристики своей люминесценции в зависимости от температуры. Такой подход может использоваться для высокочувствительного и локализованного измерения температуры в клетках, тканях и других биологических объектах.The ALCs of the present invention are a promising tool for nanothermometry, since they have a unique ability to change the intensity or characteristics of their luminescence depending on temperature. This approach can be used for highly sensitive and localized temperature measurement in cells, tissues and other biological objects.
Принцип работыOperating principle
Основной принцип применения АЛЧ для нанотермометрии основан на том, что температура влияет на реакцию люциферазы с её субстратом, а также на интенсивность и спектральные характеристики излучаемого света.The basic principle of using LCH for nanothermometry is based on the fact that temperature affects the reaction of luciferase with its substrate, as well as the intensity and spectral characteristics of the emitted light.
В частности, АЛЧ могут работать как температурные индикаторы. Важно отметить, что скорость реакции люциферазы и, соответственно, интенсивность люминесценции могут изменяться в зависимости как от температуры окружающей среды, так и внутренней среды клетки. Это явление позволяет использовать эти наночастицы для точного измерения температурных изменений в биологических системах.In particular, LFA can work as temperature indicators. It is important to note that the rate of luciferase reaction and, accordingly, the intensity of luminescence can change depending on both the ambient temperature and the internal environment of the cell. This phenomenon allows these nanoparticles to be used for precise measurement of temperature changes in biological systems.
В общем случае процесс измерений может включать следующие стадии.In general, the measurement process may include the following stages.
1. Маркировка люминесцентными наночастицами: АЛЧ вводятся в систему (например, в клетки или ткани), которые необходимо исследовать. Эти наночастицы могут быть функционализированы для связывания с конкретными клетками или молекулами. 1. Labeling with luminescent nanoparticles: ALPs are introduced into the system (e.g. cells or tissues) to be studied. These nanoparticles can be functionalized to bind to specific cells or molecules.
2. Реакция люциферазы: В процессе взаимодействия наночастиц с клетками или тканями, люцифераза катализирует реакцию люциферина. В зависимости от локальной температуры эта реакция будет происходить с разной скоростью, что влияет на интенсивность или спектр люминесценции.2. Luciferase reaction: During the interaction of nanoparticles with cells or tissues, luciferase catalyzes the reaction of luciferin. Depending on the local temperature, this reaction will occur at different rates, which affects the intensity or spectrum of luminescence.
3. Измерение температуры: при помощи детектора, анализирующего спектр и интенсивность света, можно точно определить температуру в месте реакции. Эти данные можно использовать для создания карты температурных распределений на наноразмерном уровне.3. Temperature measurement: Using a detector that analyzes the spectrum and intensity of light, the temperature at the reaction site can be accurately determined. This data can be used to create a map of temperature distributions at the nanoscale.
Применение нанотермометрии на основе АЛЧApplication of nanothermometry based on ALC
а. Измерение температуры в клетках и тканях a. Measuring temperature in cells and tissues
Одним из основных применений нанотермометрии является измерение температуры в клетках и тканях, поскольку такие данные важны для мониторинга различных биологических процессов, таких как метаболизм, воспаление, онкогенез или реакция на лечение. Например, в онкологии использование люминесцентных наночастиц для измерения температуры в опухолевых клетках может помочь в исследовании эффективности термической абляции опухолей - метода, при котором опухолевые ткани уничтожаются с использованием высоких температур. Измеряя температурное распределение в тканях, можно точно контролировать процесс нагрева и избегать повреждения здоровых тканей.One of the main applications of nanothermometry is the measurement of temperature in cells and tissues, as such data is important for monitoring various biological processes such as metabolism, inflammation, oncogenesis, or response to treatment. For example, in oncology, the use of luminescent nanoparticles to measure temperature in tumor cells can help in studying the effectiveness of thermal ablation of tumors, a method in which tumor tissues are destroyed using high temperatures. By measuring the temperature distribution in tissues, it is possible to precisely control the heating process and avoid damage to healthy tissues.
б. Изучение метаболизма и клеточных процессовb. Study of metabolism and cellular processes
Температура играет важную роль в метаболизме клеток и в молекулярных процессах, таких как ферментативные реакции, транспорт молекул и клеточные сигнальные пути. Нанотермометрия с люминесцентными наночастицами может быть использована для изучения локальных температурных изменений в клетках, что позволяет исследовать, как изменения температуры влияют на клеточные функции, например, производство тепла клетками при активном метаболизме или стрессовых условиях (например, при гипоксии или воспалении).Temperature plays an important role in cellular metabolism and molecular processes such as enzymatic reactions, molecular transport, and cellular signaling pathways. Nanothermometry with luminescent nanoparticles can be used to study local temperature changes in cells, allowing us to investigate how temperature changes affect cellular functions, such as heat production by cells during active metabolism or stress conditions (e.g. hypoxia or inflammation).
в. Мониторинг температурных изменений при воздействии терапевтических агентовc. Monitoring temperature changes during exposure to therapeutic agents
Введение терапевтических агентов, таких как тепловые терапии, лекарственные препараты или микроскопические устройства, может вызвать локальные температурные изменения. Нанотермометрия позволяет точно измерять температуру в этих местах и следить за воздействием на ткани или клетки, что важно для оптимизации терапевтических стратегий. Например, в процессах гипертермии при лечении рака можно использовать АЛЧ для мониторинга температуры в опухолевых тканях в реальном времени, что позволяет контролировать прогрев опухоли до нужной температуры и избегать перегрева здоровых тканей.The introduction of therapeutic agents such as thermal therapies, drugs or microscopic devices can cause local temperature changes. Nanothermometry allows precise temperature measurement at these locations and monitoring of the effects on tissues or cells, which is important for optimizing therapeutic strategies. For example, in hyperthermia processes for cancer treatment, ALC can be used to monitor the temperature in tumor tissues in real time, allowing for controlled heating of the tumor to the desired temperature and avoiding overheating of healthy tissues.
г. Измерение температуры в биологических жидкостяхg. Measuring temperature in biological fluids
Нанотермометрия с люминесцентными наночастицами может также применяться для измерения температуры в биологических средах и жидкостях, таких как кровь, лимфа или межклеточная жидкость. Это может быть полезно для диагностики различных заболеваний, которые сопровождаются нарушениями температурных режимов в организме, а также для оценки влияния лекарственных препаратов на внутреннюю температуру тела. Например, изучение температурных колебаний в крови в ответ на воспаление или инфекцию может помочь в ранней диагностике заболеваний, а также в мониторинге реакции организма на лечение.Nanothermometry with luminescent nanoparticles can also be used to measure temperature in biological environments and fluids, such as blood, lymph or intercellular fluid. This can be useful for diagnosing various diseases that are accompanied by temperature disturbances in the body, as well as for assessing the effect of drugs on the internal body temperature. For example, studying temperature fluctuations in the blood in response to inflammation or infection can help in the early diagnosis of diseases, as well as in monitoring the body's response to treatment.
Преимущества использования АЛЧ в нанотермометрииAdvantages of using ALC in nanothermometry
1. Высокая чувствительность: АЛЧ обладают высокой чувствительностью к изменениям температуры, что позволяет получать точные данные о локальных температурных изменениях даже на наноуровне.1. High sensitivity: ALCs have high sensitivity to temperature changes, which allows obtaining accurate data on local temperature changes even at the nano level.
2. Локализация и избирательность: люминесцентные наночастицы могут быть функционализированы для связывания с конкретными клетками или молекулами, что позволяет точно измерять температуру в нужных областях, например, в опухолевых клетках или в ходе воспалительного процесса.2. Localization and selectivity: Luminescent nanoparticles can be functionalized to bind to specific cells or molecules, allowing for precise temperature measurement in targeted areas, such as tumor cells or during inflammation.
3. Низкая инвазивность: нанотермометрия с использованием люминесцентных наночастиц является неинвазивной, что позволяет проводить мониторинг температурных изменений в живых организмах без их повреждения.3. Low invasiveness: Nanothermometry using luminescent nanoparticles is non-invasive, which allows monitoring temperature changes in living organisms without damaging them.
4. Возможность получения данных в реальном масштабе времени: использование АЛЧ для нанотермометрии позволяет проводить измерения температурных изменений в реальном времени, что полезно для динамичного мониторинга биологических процессов.4. Real-time data acquisition capability: The use of ALC for nanothermometry enables real-time measurements of temperature changes, which is useful for dynamic monitoring of biological processes.
5. Высокая пространственная разрешающая способность: нанотермометрия с использованием наночастиц позволяет измерять температуру на очень малых масштабах (наноуровень), что невозможно с помощью традиционных методов.5. High spatial resolution: Nanothermometry using nanoparticles allows temperature measurements at very small scales (nano level), which is not possible using traditional methods.
Иммуноферментный анализ (ELISA)Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)
В наших исследованиях использование биолюминесцентных наночастиц в качестве меток в ELISA показало улучшенную чувствительность и скорость анализа. При связывании с целевыми антителами или антигенами частицы создавали стабильное автономное свечение, что исключало необходимость добавления субстрата. Мы успешно применяли эту методику для диагностики вирусных инфекций, гормональных анализов и детекции аутоантител.
In our studies, the use of bioluminescent nanoparticles as labels in ELISA showed improved sensitivity and speed of analysis. When bound to target antibodies or antigens, the particles created stable autonomous luminescence, which eliminated the need for adding a substrate. We have successfully applied this technique to the diagnosis of viral infections, hormonal assays, and the detection of autoantibodies.
Иммуноферментный анализ (ELISA)Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)
Иммуноферментный анализ (ELISA) - это один из наиболее широко используемых методов для определения антигенов или антител в биологических образцах. Этот метод основывается на специфичном связывании антител и антигенов и позволяет детектировать присутствие целевых молекул с высокой чувствительностью. Стандартная версия ELISA в качестве индикатора использует фермент, который катализирует реакцию с хромогенным или люминесцентным субстратом, образуя продукт, который можно количественно измерить.Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) is one of the most widely used methods for detecting antigens or antibodies in biological samples. This method is based on the specific binding of antibodies and antigens and allows for the detection of the presence of target molecules with high sensitivity. The standard version of ELISA uses an enzyme as an indicator that catalyzes a reaction with a chromogenic or luminescent substrate, forming a product that can be measured quantitatively.
Интеграция люминесцентных наночастиц, содержащих люциферазу и её субстрат в процесс ELISA открывает новые возможности для повышения чувствительности, специфичности и универсальности метода. Люминесцентные наночастицы позволяют использовать более быстрые, чувствительные и высокоэффективные подходы для выявления целевых молекул в анализируемых образцах.The integration of luminescent nanoparticles containing luciferase and its substrate into the ELISA process opens up new possibilities for increasing the sensitivity, specificity and versatility of the method. Luminescent nanoparticles allow for faster, more sensitive and highly efficient approaches to detecting target molecules in analyzed samples.
Принцип проведения ELISA с использованием люминесцентных наночастицPrinciple of ELISA using luminescent nanoparticles
В классическом ELISA процессе молекулы (например, антитела или антигены) фиксируются на твердой поверхности (например, в лунках микропланшета), а затем взаимодействуют с молекулами-прототипами, такими как антитела или антигены, которые связаны с ферментом. После добавления субстрата фермент катализирует образование окрашенного или люминесцентного продукта. В случае использования АЛЧ по данному изобретению процесс проведения анализа включает следующие стадии.In the classical ELISA process, molecules (e.g., antibodies or antigens) are fixed to a solid surface (e.g., in the wells of a microplate) and then react with prototype molecules, such as antibodies or antigens, that are bound to an enzyme. After addition of the substrate, the enzyme catalyzes the formation of a colored or luminescent product. In the case of using the ALS according to the present invention, the assay process includes the following steps.
1. Фиксация антител/антигенов на поверхности: на поверхности микропланшета или других носителей фиксируются антитела или антигены, которые могут специфически связываться с целевыми молекулами (например, антителами или антигенами в образце).1. Fixation of antibodies/antigens on the surface: Antibodies or antigens are fixed on the surface of the microplate or other carriers, which can specifically bind to target molecules (e.g. antibodies or antigens in the sample).
2. Введение люминесцентных наночастиц: в анализируемый образец добавляются АЛЧ. Эти наночастицы могут быть функционализированы с помощью антител или других молекул, что позволяет им связываться с целевыми молекулами, присутствующими в образце.2. Introduction of luminescent nanoparticles: ALPs are added to the sample to be analyzed. These nanoparticles can be functionalized with antibodies or other molecules, allowing them to bind to target molecules present in the sample.
3. Реакция люциферазы с субстратом: когда наночастицы связываются с целевыми молекулами, люцифераза катализирует окисление люциферина, что приводит к образованию света (люминесценции). Интенсивность излучаемого света пропорциональна количеству целевых молекул в образце.3. Luciferase-substrate reaction: When nanoparticles bind to target molecules, luciferase catalyzes the oxidation of luciferin, resulting in the formation of light (luminescence). The intensity of the emitted light is proportional to the amount of target molecules in the sample.
4. Измерение люминесценции: интенсивность люминесценции регистрируется с помощью специализированных детекторов (например, флуориметром или спектрофотометром), что позволяет количественно оценить содержание целевых молекул (например, антител или антигенов) в образце.4. Luminescence measurement: The intensity of luminescence is recorded using specialized detectors (e.g., a fluorimeter or spectrophotometer), which allows for quantitative assessment of the content of target molecules (e.g., antibodies or antigens) in the sample.
Преимущества использования АЛЧ для ELISAAdvantages of using ALS for ELISA
а. Повышенная чувствительность: люминесцентные наночастицы обладают высокой яркостью, что позволяет проводить анализ с высокой чувствительностью. В отличие от традиционных хромогенных методов, где цвет может изменяться на поздних стадиях реакции, люминесценция позволяет детектировать даже малые количества целевых молекул. Это значительно улучшает возможности диагностики и позволяет обнаруживать очень низкие концентрации антигенов или антител.a. Increased sensitivity: Luminescent nanoparticles have high brightness, which allows for highly sensitive analysis. Unlike traditional chromogenic methods, where color may change at later stages of the reaction, luminescence allows for detection of even small amounts of target molecules. This significantly improves diagnostic capabilities and allows for detection of very low concentrations of antigens or antibodies.
б. Широкий динамический диапазон: люминесцентные наночастицы обеспечивают широкий диапазон измерений, т.е. метод может быть использован для анализа как очень низких, так и высоких концентраций целевых молекул, что расширяет возможности использования ELISA в различных областях науки и медицины.b. Wide dynamic range: luminescent nanoparticles provide a wide measurement range, i.e. the method can be used to analyze both very low and high concentrations of target molecules, which expands the possibilities of using ELISA in various fields of science and medicine.
в. Быстрота и удобство использования: использование АЛЧ позволяет уменьшить время проведения анализа. Традиционные методы ELISA, использующие хромогенные реакции, часто требуют длительного времени для формирования отчетливого окрашивания. Люминесцентные наночастицы позволяют ускорить процесс, так как измерение люминесценции можно проводить быстрее и без необходимости в дополнительной обработке образца.c. Fast and easy to use: The use of ALC allows for a reduction in the analysis time. Traditional ELISA methods using chromogenic reactions often require a long time to form a distinct color. Luminescent nanoparticles allow for a faster process, as luminescence can be measured more quickly and without the need for additional sample processing.
г. Повышенная специфичность: АЛЧ могут быть легко функционализированы для связывания с определенными молекулами, что увеличивает специфичность анализа. Эта способность позволяет использовать ELISA для более точной и избирательной детекции различных биомаркеров или патогенов в сложных биологических матрицах.d. Increased specificity: ALTs can be easily functionalized to bind to specific molecules, increasing the specificity of the assay. This capability allows ELISA to be used for more accurate and selective detection of various biomarkers or pathogens in complex biological matrices.
Применение ELISA на основе АЛЧ в биомедицинской диагностикеApplication of ELISA based on ALT in biomedical diagnostics
а. Диагностика инфекционных заболеваний. АЛЧ в ELISA могут быть использованы для быстрого и точного обнаружения антигенов вирусов и бактерий в образцах пациентов. Этот подход позволяет диагностировать заболевания на ранних стадиях, а также мониторить инфекционные процессы.a. Infectious disease diagnostics. ALT in ELISA can be used for rapid and accurate detection of viral and bacterial antigens in patient samples. This approach allows for early diagnosis of diseases and monitoring of infectious processes.
б. Онкологическая диагностика. ELISA с использованием люминесцентных наночастиц может быть использован для детекции онкомаркеров в крови, что позволяет проводить раннюю диагностику рака и мониторинг состояния пациентов во время лечения. Этот метод позволяет отслеживать изменения в концентрации биомаркеров, таких как CA 125 (маркер рака яичников), PSA (простат-специфический антиген) и других.b. Oncological diagnostics. ELISA using luminescent nanoparticles can be used to detect tumor markers in the blood, which allows for early cancer diagnostics and monitoring of patients during treatment. This method allows for tracking changes in the concentration of biomarkers such as CA 125 (ovarian cancer marker), PSA (prostate-specific antigen), and others.
в. Автоматизация диагностики и многокомпонентные анализы. Метод ELISA с люминесцентными наночастицами позволяет проводить многокомпонентный анализ с одновременным измерением несколько целевых молекул. Это идеально подходит для сложных диагностических панелей, включающих анализы на несколько инфекционных заболеваний или мониторинг различных биомаркеров.c. Diagnostic automation and multi-component assays. The luminescent nanoparticle ELISA method enables multi-component assays with simultaneous measurement of several target molecules. This is ideal for complex diagnostic panels including assays for several infectious diseases or monitoring of different biomarkers.
Перспективы и преимущества предложенного решенияProspects and advantages of the proposed solution ::
Разработка биолюминисцентных частиц с интегрированными компонентами на наночастицах имеет важные преимущества в таких областях, как биосенсоры, мониторинг состояния клеток, а также в области наномедицины, где требуется высокая степень контроля над биологическими процессами.The development of bioluminescent particles with integrated nanoparticle components has important advantages in areas such as biosensors, cell health monitoring, and nanomedicine, where a high degree of control over biological processes is required.
БиоимиджингBioimaging
Биоимиджинг представляет собой одну из ключевых областей медицины, направленную на визуализацию биологических процессов, структур и функциональных изменений в организме с использованием различных технологий. В отличие от традиционных методов флуоресцентной визуализации, которые часто сталкиваются с проблемой автофлуоресценции тканей и высоким фоновым сигналом, биолюминесцентные системы позволяют достичь высокого соотношения сигнал/шум за счет автономного излучения света в видимом диапазоне, возникающего при взаимодействии люциферазы и субстрата, инкапсулированного в наночастице. Bioimaging is one of the key areas of medicine aimed at visualizing biological processes, structures and functional changes in the body using various technologies. Unlike traditional fluorescence imaging methods, which often face the problem of tissue autofluorescence and high background signal, bioluminescent systems allow achieving a high signal-to-noise ratio due to autonomous emission of light in the visible range, which occurs during the interaction of luciferase and the substrate encapsulated in a nanoparticle.
Предлагаемые в данном изобретении АЛН предоставляют новые возможности для высокочувствительного и высокоспецифичного биоимиджинга. Эти наночастицы обладают уникальной способностью излучать свет в ответ на специфические биохимические реакции, что позволяет использовать их в качестве меток или индикаторов для визуализации и мониторинга различных физиологических и патологических состояний. The ALNs proposed in this invention provide new opportunities for highly sensitive and highly specific bioimaging. These nanoparticles have a unique ability to emit light in response to specific biochemical reactions, which allows them to be used as labels or indicators for visualization and monitoring of various physiological and pathological conditions.
В частности, АЛН по данному изобретению могут быть использованы для следующих направлений биоимиджинга:In particular, the ALNs according to this invention can be used for the following areas of bioimaging:
а. Визуализация клеточных взаимодействий и молекулярных процессов. Для этого АЛН могут быть дополнительно функционализированы для связывания с конкретными клеточными структурами, такими как клеточные мембраны, рецепторы или внутриклеточные компоненты. Люминесцентная активность, возникающая при взаимодействии люциферазы с её субстратом, позволяет визуализировать эти взаимодействия в реальном времени.a. Visualization of cellular interactions and molecular processes. For this purpose, ALNs can be further functionalized to bind to specific cellular structures, such as cell membranes, receptors or intracellular components. The luminescent activity generated by the interaction of luciferase with its substrate allows for the visualization of these interactions in real time.
б. Молекулярная визуализация опухолей и их локализация. Для этого АЛН могут быть функционализированы так, чтобы они связывались с опухолевыми клетками или их маркерами, такими как специфические белки или рецепторы, выраженные на поверхности раковых клеток.b. Molecular imaging of tumors and their localization. For this purpose, ALNs can be functionalized so that they bind to tumor cells or their markers, such as specific proteins or receptors expressed on the surface of cancer cells.
в. Тканевая визуализация и мониторинг заболеваний. Благодаря специальной модификации, АЛН могут приобретать способность проникать через клеточные мембраны и взаимодействовать с целевыми молекулами, и таким образом быть применены для неинвазивного мониторинга воспалений, инфекций, сосудистых заболеваний и других патологий.c. Tissue imaging and disease monitoring. Through special modification, ALNs can acquire the ability to penetrate cell membranes and interact with target molecules, and thus be used for non-invasive monitoring of inflammation, infections, vascular diseases and other pathologies.
г. Интраоперационный биоимиджинг может быть полезен в хирургии, где требуется точная локализация опухолей или других патологических участков во время операции, позволяя точно определить границы опухоли, а также оценить эффективность лечения.g. Intraoperative bioimaging can be useful in surgery where precise localization of tumors or other pathological areas is required during surgery, allowing for precise determination of tumor boundaries and assessment of treatment effectiveness.
Использование АЛН для биоимиджинга позволит обеспечить следующие преимущества перед традиционными методами: The use of ALN for bioimaging will provide the following advantages over traditional methods:
1. Высокая чувствительность за счет интеграции люциферазы и её субстрата, что позволит детектировать очень малые количества целевых молекул или клеток для ранней диагностики заболеваний и мониторинга процессов на клеточном уровне.1. High sensitivity due to the integration of luciferase and its substrate, which will allow detection of very small amounts of target molecules or cells for early diagnosis of diseases and monitoring of processes at the cellular level.
2. Низкая токсичность АЛН будут более безопасными для организма, поскольку позволяют отказаться от введения больших концентраций субстрата, а количества интегрированного с частицей будет мало и локализовано непосредственно у частицы.2. Low toxicity ALN will be safer for the body, since it allows to avoid the introduction of high concentrations of the substrate, and the amount integrated with the particle will be small and localized directly at the particle.
3. Высокая специфичность за счет возможности настройки свойств частиц на высокую избирательность к заданным типам молекулярных мишений, что значительно повысит точность диагностики и позволит избегажь ложных результатов.3. High specificity due to the ability to adjust the properties of particles for high selectivity to specified types of molecular targets, which will significantly increase the accuracy of diagnostics and avoid false results.
4. Низкая инвазивность, поскольку, будучи введенными в организм, АЛН являются полностью автономными и не требуют дополнительного введения субстрата, а само измерение не требует хирургического вмешательства.4. Low invasiveness, since, once introduced into the body, ALNs are completely autonomous and do not require additional introduction of a substrate, and the measurement itself does not require surgical intervention.
5. Мониторинг в реальном времени за биологическими процессами, что делает АЛН идеальным инструментом для динамического отслеживания изменений в организме.5. Real-time monitoring of biological processes, making ALN an ideal tool for dynamically tracking changes in the body.
АЛН могут вводиться в организм одним из следующих способов, в зависимости от конкретного назначения и свойств самих частиц.ALNs can be introduced into the body in one of the following ways, depending on the specific purpose and the properties of the particles themselves.
Интравенозное введение (IV) является одним из наиболее распространённых методов доставки наночастиц in vivo и позволяет относительно быстро распределить наночастицы по всему организму через кровеносную систему. Метод особенно полезен для исследования циркуляции в организме в реальном времени, для мониторинга различных физиологических процессов, а также для диагностики или терапии заболеваний, требующих быстрого распределения наночастиц. Intravenous (IV) administration is one of the most common methods of delivering nanoparticles in vivo and allows for relatively rapid distribution of nanoparticles throughout the body via the circulatory system. The method is particularly useful for studying circulation in the body in real time, for monitoring various physiological processes, and for diagnosing or treating diseases that require rapid distribution of nanoparticles.
Внутримышечное введение (IM) – метод доставки наночастиц, при котором они вводятся непосредственно в мышечную ткань и подходит для локализованных исследований или терапевтических целей, когда необходимо воздействовать на определенные участки тела, что может быть полезно для терапевтического воздействия, например, в лечении опухолей или воспалений. IM введение часто используется для исследования взаимодействия наночастиц с клетками и тканями непосредственно по месту их введения, а также для создания терапевтических систем доставки лекарств.Intramuscular (IM) administration is a method of delivering nanoparticles directly into muscle tissue and is suitable for localized research or therapeutic purposes where specific areas of the body need to be targeted, which may be useful for therapeutic intervention, such as treating tumors or inflammation. IM administration is often used to study the interaction of nanoparticles with cells and tissues directly at the site of administration, as well as to create therapeutic drug delivery systems.
Подкожное введение (SC) предполагает введение наночастиц в подкожную клетчатку, что позволяет наночастицам медленно всасываться в кровь и поступать в различные органы более дозированно и постепенно, что может быть полезно для долгосрочных исследований или терапии, а также для создания моделей хронических заболеваний.Subcutaneous administration (SC) involves the introduction of nanoparticles into the subcutaneous tissue, which allows the nanoparticles to be slowly absorbed into the blood and delivered to various organs in a more dosed and gradual manner, which may be useful for long-term research or therapy, as well as for the creation of chronic disease models.
Интраперитонеальное введение (IP) предполагает введение АЛЧ в брюшную полость, что позволяет наночастицам распределяться по органам и тканям, расположенным в брюшной полости. Метод удобен для животных моделей и позволяет исследовать распределение наночастиц в различных внутренних органах, таких как печень, почки и кишечник, поэтому может быть рекомендован для токсикологических исследованиях и для исследования фармакокинетики наночастиц в живых организмах.Intraperitoneal administration (IP) involves the introduction of ALP into the peritoneal cavity, which allows the nanoparticles to be distributed throughout the organs and tissues located in the abdominal cavity. The method is convenient for animal models and allows for the study of the distribution of nanoparticles in various internal organs, such as the liver, kidneys, and intestines, and can therefore be recommended for toxicological studies and for the study of the pharmacokinetics of nanoparticles in living organisms.
Пероральное введение – это возможный метод доставки АЛЧ через желудочно-кишечный тракт (через рот), что особенно важно для систем доставки лекарств, предназначенных для использования в виде таблеток или капсул. Этот метод удобен для пациентов и животных, так как позволяет избежать инвазивных процедур, таких как инъекции. Пероральное введение может быть использовано для доставки наночастиц по данному изобретению с целью мониторинга процессов в ЖКТ, а также для диагностики заболеваний, таких как инфекции или заболевания пищеварительной системы.Oral administration is a possible method of delivering ALC via the gastrointestinal tract (through the mouth), which is especially important for drug delivery systems intended for use in tablet or capsule form. This method is convenient for patients and animals, as it avoids invasive procedures such as injections. Oral administration can be used to deliver the nanoparticles of the present invention for the purpose of monitoring processes in the gastrointestinal tract, as well as for diagnosing diseases such as infections or digestive diseases.
Назальное и ингаляционное введение предполагает доставку АЛЧ через дыхательные пути, что позволяет им проникать в легкие и слизистые оболочки носа. Метод позволяет доставлять наночастицы непосредственно в легкие и другие дыхательные пути, что делает его полезным для лечения респираторных заболеваний, таких как астма или пневмония, а также для исследования доставки лекарств в органы дыхания.Nasal and inhalation administration involves the delivery of ALPs through the respiratory tract, allowing them to penetrate the lungs and nasal mucosa. The method allows nanoparticles to be delivered directly to the lungs and other respiratory tract, making it useful for the treatment of respiratory diseases such as asthma or pneumonia, as well as for research into drug delivery to the respiratory system.
Для успешного использования АЛН in vivo необходимо также учитывать несколько факторов, таких как стабильность, биосовместимость, а также способность наночастиц проникать через биологические барьеры и накапливаться в целевых органах. Для улучшения этих параметров можно использовать следующие подходы, хорошо известные в отрасли.For successful use of ALN in vivo, several factors must also be taken into account, such as stability, biocompatibility, and the ability of nanoparticles to penetrate biological barriers and accumulate in target organs. The following approaches, well known in the industry, can be used to improve these parameters.
Функционализация наночастиц при помощи различных молекул, таких как полимеры, низко и высокомолекулярные лиганды, биомолекулы, антитела и т.д. для повышения их биосовместимости и селективности;Functionalization of nanoparticles using various molecules such as polymers, low and high molecular weight ligands, biomolecules, antibodies, etc. to increase their biocompatibility and selectivity;
Стабилизация наночастиц с помощью различных поверхностных покрытий, состоящих из полимеров, липидов или других материалов для предотвращения агрегации или разрушения наночастиц в биологических средах;Stabilization of nanoparticles using various surface coatings consisting of polymers, lipids or other materials to prevent aggregation or degradation of nanoparticles in biological environments;
Реализация целевой доставки путем дополнительного связывания наночастиц с молекулами, которые обладают способностью проникать в определенные типы клетокImplementation of targeted delivery by additionally linking nanoparticles to molecules that have the ability to penetrate specific cell types
Мы продемонстрировали эффективность таких систем для визуализации накопления наночастиц в органах при внутримышечном введении, что открывает перспективы для использования в производстве вакцин. Кроме того, наши исследования показали, что визуализация биолюминесцентных наночастиц в желудочно-кишечном тракте позволяет диагностировать заболевания ЖКТ, такие как воспалительные процессы и язвенные поражения. Наконец, наши наночастицы продемонстрировали надежное накопление в опухолевых тканях, что дает возможность использовать их для диагностики онкологических заболеваний, таких как рак груди, с модификацией поверхности частиц антителами против HER2 для целевой визуализации.We demonstrated the effectiveness of such systems for visualizing the accumulation of nanoparticles in organs after intramuscular administration, which opens up prospects for use in vaccine production. In addition, our studies showed that visualization of bioluminescent nanoparticles in the gastrointestinal tract allows for the diagnosis of gastrointestinal diseases, such as inflammatory processes and ulcerative lesions. Finally, our nanoparticles demonstrated robust accumulation in tumor tissues, which opens the possibility of using them for the diagnosis of oncological diseases, such as breast cancer, with particle surface modification with anti-HER2 antibodies for targeted visualization.
Диагностика заболеванийDiagnosis of diseases
Наши биолюминесцентные наночастицы продемонстрировали высокую эффективность в диагностике различных заболеваний. Например, для диагностики онкологических заболеваний мы использовали частицы, модифицированные антителами против специфических онкомаркеров, включая HER2 для рака груди и PSA для рака простаты. Наночастицы связывались с опухолевыми клетками, что обеспечивало автономное свечение и позволяло точно визуализировать и отслеживать опухолевое накопление в реальном времени. Для диагностики инфекционных заболеваний мы использовали наночастицы, функционализированные для связывания вирусных антигенов, таких как белки SARS-CoV-2, что позволяет быстро и точно выявлять инфекцию.Our bioluminescent nanoparticles have demonstrated high efficiency in diagnostics of various diseases. For example, to diagnose oncological diseases, we used particles modified with antibodies against specific tumor markers, including HER2 for breast cancer and PSA for prostate cancer. Nanoparticles bound to tumor cells, which provided autonomous luminescence and allowed accurate visualization and tracking of tumor accumulation in real time. To diagnose infectious diseases, we used nanoparticles functionalized to bind viral antigens, such as SARS-CoV-2 proteins, which allows for rapid and accurate detection of infection.
Экспресс-диагностика заболеванийExpress diagnostics of diseases
Использование АЛЧ в диагностике заболеваний открывает широкие перспективы благодаря высокой чувствительности, скорости и точности получения результатов. Эти наночастицы могут быть использованы для раннего обнаружения заболеваний, мониторинга их прогрессирования, а также для оценки эффективности терапии. В сочетании с существующими клиническими иммунохимическими тестами, такие наночастицы представляют собой мощный инструмент для диагностики множества заболеваний - от инфекционных до онкологических и сердечно-сосудистых.The use of ALC in disease diagnostics opens up broad prospects due to the high sensitivity, speed and accuracy of obtaining results. These nanoparticles can be used for early detection of diseases, monitoring their progression, and also for assessing the effectiveness of therapy. In combination with existing clinical immunochemical tests, such nanoparticles are a powerful tool for diagnosing many diseases - from infectious diseases to oncological and cardiovascular diseases.
АЛЧ по данному изобретению могут быть использованы для быстрой и точной диагностики различных инфекционных заболеваний. Эти наночастицы могут быть функционализированы с помощью антител или молекул, которые связываются с патогенами - бактериями, вирусами или грибами. Применение таких наночастиц в диагностике инфекций может включать следующие применения.The ALPs of the present invention can be used for rapid and accurate diagnosis of various infectious diseases. These nanoparticles can be functionalized with antibodies or molecules that bind to pathogens - bacteria, viruses or fungi. The use of such nanoparticles in the diagnosis of infections can include the following applications.
а. Экспресс-диагностика вирусных инфекций. Для диагностики вирусных заболеваний, таких как грипп, COVID-19, гепатиты, ВИЧ и других, люминесцентные наночастицы могут быть использованы для детекции вирусных антигенов в образцах крови, мочи, слюны или других биологических жидкостей. Люцифераза, размещенная на поверхности наночастиц, катализирует реакцию с интегрированным с частицей субстратом, результатом которой является выделение света, интенсивность которого пропорциональна количеству вирусных частиц в образце. Применение данного метода обеспечивает потенциально высокую чувствительность и возможность раннего выявления вирусных инфекций, даже в случаях, когда вирусная нагрузка в организме ещё невелика. Метод можно использовать как для диагностики на ранних стадиях болезни, так и для мониторинга эффективности лечения.a. Rapid diagnostics of viral infections. To diagnose viral diseases such as influenza, COVID-19, hepatitis, HIV and others, luminescent nanoparticles can be used to detect viral antigens in samples of blood, urine, saliva or other biological fluids. Luciferase located on the surface of the nanoparticles catalyzes a reaction with a substrate integrated with the particle, resulting in the release of light, the intensity of which is proportional to the number of viral particles in the sample. The use of this method provides potentially high sensitivity and the ability to early detect viral infections, even in cases where the viral load in the body is still small. The method can be used both for diagnostics in the early stages of the disease and for monitoring the effectiveness of treatment.
б. Экспресс-диагностика бактериальных инфекций, таких как туберкулез, пневмония, инфекции моче-полового тракта и многие другие. В этом случае АЛЧ могут быть функционализированы для связывания с рецепторами (антителами, гаптенами, аптамерами и др.), специфичными к бактериальным клеткам. К преимуществам метода можно отнести возможность быстрого и высокочувствительного обнаружения бактериальных антигенов или бактерий в организме, что может привести к более ранней и точной постановке диагноза.b. Rapid diagnostics of bacterial infections such as tuberculosis, pneumonia, genitourinary tract infections and many others. In this case, ALC can be functionalized to bind to receptors (antibodies, haptens, aptamers, etc.) specific to bacterial cells. The advantages of the method include the ability to quickly and sensitively detect bacterial antigens or bacteria in the body, which can lead to an earlier and more accurate diagnosis.
в. Онкологическая экспресс-диагностика. АЛЧ могут выступать в качестве важного инструмента в диагностике и мониторинге различных онкологических заболеваний. Например, АЛН могут быть использованы для ранней диагностики рака путем выявления низких уровней онкомаркеров, которые часто присутствуют в крови или других биологических жидкостях на ранних стадиях заболевания, но выявление которых традиционными, менее чувствительными клиническими методами, затруднительно. При этом высокая чувствительность и способность выявить рак на самых ранних стадиях, когда ещё нет явных симптомов даёт возможность начать лечение на более ранних этапах, что значительно повышает шансы на успешное выздоровление. Примером таких маркеров могут быть простат-специфический антиген (PSA) для обнаружения рака простаты, маркер CA125 для обнаружения рака яичников, CEA (раковый эмбриональный антиген) для ранней диагностики рака толстой кишки и других.c. Oncological express diagnostics. ALC can act as an important tool in diagnostics and monitoring of various oncological diseases. For example, ALC can be used for early diagnostics of cancer by detecting low levels of tumor markers that are often present in the blood or other biological fluids at the early stages of the disease, but the detection of which by traditional, less sensitive clinical methods is difficult. At the same time, high sensitivity and the ability to detect cancer at the earliest stages, when there are no obvious symptoms yet, makes it possible to begin treatment at earlier stages, which significantly increases the chances of successful recovery. Examples of such markers include prostate-specific antigen (PSA) for detecting prostate cancer, CA125 marker for detecting ovarian cancer, CEA (cancer embryonic antigen) for early diagnostics of colon cancer, and others.
Кроме того, проводя анализ в реальном масштабе времени, АЛЧ могут также использоваться для мониторинга прогрессирования заболевания и отслеживания возможных рецидивов. Они могут быть использованы для наблюдения за динамикой изменения уровней онкомаркеров в процессе лечения. Такой подход дает возможность мониторинга эффективности терапии в реальном времени, что позволяет корректировать план лечения и избегать ненужных или неэффективных методов.In addition, by conducting real-time analysis, ALC can also be used to monitor disease progression and track possible relapses. They can be used to monitor the dynamics of changes in tumor marker levels during treatment. This approach makes it possible to monitor the effectiveness of therapy in real time, which allows for adjustments to the treatment plan and avoidance of unnecessary or ineffective methods.
г. Люминесцентные наночастицы могут быть использованы для ранней диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы, таких как острый инфаркт миокарда, инсульт, гипертония и другие. Такая возможность может быть обеспечена благодаря соответствующей модификации АЛЧ для обеспечения специфического связывания с биомаркерами, являющимися индикаторами воспаления, повреждения клеток сердечной мышечной ткани или сосудистой дисфункции. Примером таких маркеров могут служить сердечные тропонины (I и T) и/или креатинкиназа MB, которые присутствуют в крови при повреждении сердечной мышцы. Благодаря высокой чувствительности анализа возможно обнаружение указанных биомаркеров даже при низких их уровнях в крови непосредственно сразу после осложнения, что может быть полезно для диагностики инфаркта миокарда на ранних стадиях или для мониторинга состояния пациента после операции. Кроме того, АЛЧ могут быть использованы для экстренной диагностики заболеваний сосудов, таких как атеросклероз за счет обнаружения молекул, характерных для воспаления или образования бляшек в артериях. При этом достигается неинвазивность оценки состояния сосудов и возможность определения признаков раннего развития атеросклероза.g. Luminescent nanoparticles can be used for early diagnostics of cardiovascular diseases, such as acute myocardial infarction, stroke, hypertension and others. This can be achieved by appropriately modifying ALP to provide specific binding to biomarkers that are indicators of inflammation, damage to cardiac muscle cells or vascular dysfunction. An example of such markers are cardiac troponins (I and T) and/or creatine kinase MB, which are present in the blood when the heart muscle is damaged. Due to the high sensitivity of the analysis, it is possible to detect these biomarkers even at low levels in the blood immediately after the complication, which can be useful for diagnosing myocardial infarction at early stages or for monitoring the patient's condition after surgery. In addition, ALP can be used for emergency diagnostics of vascular diseases, such as atherosclerosis, by detecting molecules characteristic of inflammation or plaque formation in the arteries. This achieves non-invasive assessment of the state of blood vessels and the ability to determine signs of early development of atherosclerosis.
Для проведения экспресс-диагностических исследований с применением АЛЧ возможно использование различных форматов реализации анализа, в зависимости от условий применения, типа заболевания и требований к диагностической системе. Ниже приведены примеры различных форматов, которые могут быть использованы:To conduct express diagnostic studies using ALC, it is possible to use various formats of analysis implementation, depending on the conditions of use, the type of disease and the requirements for the diagnostic system. Below are examples of various formats that can be used:
1. АЛЧ в виде раствора или суспензии, которая может быть нанесена на тест-полоски, микрочипы или использована в пробирках. Такой формат удобен для использования в лабораторных условиях, где наночастицы могут быть быстро смешаны с образцами (например, сывороткой крови или мочой) для анализа. Такой формат анализа отличает простота подготовки, гибкость в применении для различных типов образцов и возможность использования в стандартных лабораторных анализаторах. Основные области применения: быстрая диагностика инфекционных заболеваний, рак, аутоиммунные заболевания, токсические или химические маркеры.1. ALP in the form of a solution or suspension that can be applied to test strips, microchips or used in test tubes. This format is convenient for use in laboratory conditions, where nanoparticles can be quickly mixed with samples (e.g., blood serum or urine) for analysis. This analysis format is characterized by ease of preparation, flexibility in application to various types of samples and the ability to be used in standard laboratory analyzers. The main areas of application are: rapid diagnostics of infectious diseases, cancer, autoimmune diseases, toxic or chemical markers.
2. Иммунохроматографический анализ (ИХА) с использованием тест-полосок с АЛЧ. В данном формате частицы могут быть интегрированы в структуру тест-полосок, на которые наносятся антигены или антитела, способные связываться с молекулами-мишенями в образце пациента. При наличии целевых молекул (например, вирусных антигенов или антител) на тест-полоске происходит люминисценция. Данный формат обеспечивает портативность и удобство использования аналогично тест-полоскам для домашних тестов, отсутствие необходимости в наличии дополнительного оборудования или квалифицированного персонала, а также быстрая интерпретация результатов (визуальная или с помощью простого детектора). Примером такого рода применения АЛЧ может служить экспресс-диагностика инфекционных заболеваний, например, COVID-19, гриппа, гепатита, а также для тестирования на аллергии или аутоиммунные заболевания.2. Immunochromatographic analysis (ICA) using test strips with ALS. In this format, particles can be integrated into the structure of test strips, onto which antigens or antibodies are applied that are capable of binding to target molecules in the patient's sample. In the presence of target molecules (e.g. viral antigens or antibodies), luminescence occurs on the test strip. This format provides portability and ease of use similar to test strips for home tests, no need for additional equipment or qualified personnel, as well as rapid interpretation of results (visual or using a simple detector). An example of this type of application of ALS is the rapid diagnosis of infectious diseases, such as COVID-19, influenza, hepatitis, as well as for testing for allergies or autoimmune diseases.
3. АЛЧ, встроенные в микрочипы или биосенсоры. Такие форматы анализа быть использованы для детекции люминисцентного сигнала, исходящего от наночастиц, активируемых присутствием целевых молекул после их реакции с твердой фазой микрочипа. Для такого типа анализов характерны высокая чувствительность и точность, возможность автоматизации анализа и интеграции с цифровыми системами, а также получение высокой степени мультиплексности за счет одновременного анализа на целый ряд биологических мишеней в одном образце. Такие системы могут быть успешно использованы в современных диагностических лабораториях, мобильных диагностических системах, службах экстренной медицины, а также в составе многофункциональных устройств для диагностики различных заболеваний.3. ALCs built into microchips or biosensors. Such analysis formats can be used to detect the luminescent signal emanating from nanoparticles activated by the presence of target molecules after their reaction with the solid phase of the microchip. This type of analysis is characterized by high sensitivity and accuracy, the possibility of automation of analysis and integration with digital systems, as well as obtaining a high degree of multiplexity due to simultaneous analysis for a number of biological targets in one sample. Such systems can be successfully used in modern diagnostic laboratories, mobile diagnostic systems, emergency medical services, and as part of multifunctional devices for diagnosing various diseases.
4. АЛЧ в составе наногелей или в капсулах. Автономные люминисцентные наночастицы по данному изобретению могут быть заключены в полимерные наногели или капсулы, что позволяет контролировать высвобождение люциферазы и ее субстрата, а также обеспечивать стабилизацию системы. Эти наногели могут быть использованы в виде инъекций или имплантируемых систем для мониторинга биохимических процессов в организме. Такой формат анализа позволит создавать прочные и стабильные формулы для долговременного хранения.4. LFA in nanogels or capsules. Autonomous luminescent nanoparticles according to this invention can be enclosed in polymer nanogels or capsules, which allows for controlled release of luciferase and its substrate, as well as for stabilization of the system. These nanogels can be used in the form of injections or implantable systems for monitoring biochemical processes in the body. This format of analysis will allow for the creation of durable and stable formulas for long-term storage.
Могут быть использованы для контроля внутри организма, например, для диагностики в реальном времени.Can be used for monitoring inside the body, for example for real-time diagnostics.
Могут быть программируемыми, с возможностью активации люминисценции в ответ на определенные биохимические условия.They can be programmable, with the ability to activate luminescence in response to certain biochemical conditions.
Применение: Контроль за терапевтическим процессом, мониторинг опухолей, воспалений, инфекций в организме, диагностика заболеваний в динамике.Application: Control of the therapeutic process, monitoring of tumors, inflammations, infections in the body, diagnostics of diseases in dynamics.
5. Люминисцентные наночастицы в виде планшетов или порошков для непосредственного использования5. Luminescent nanoparticles in the form of tablets or powders for direct use
• Описание: В этом формате наночастицы могут быть представлены в виде порошка или таблеток, которые добавляются к образцам. Они могут быть активированы при определенных условиях, таких как изменение pH или температура.• Description: In this format, nanoparticles can be presented as powder or tablets that are added to samples. They can be activated under certain conditions such as pH change or temperature.
• Преимущества: • Advantages:
○ Удобство транспортировки и хранения.○ Convenient transportation and storage.
○ Долгий срок хранения.○ Long shelf life.
○ Простой процесс использования - достаточно растворить или смешать с образцом.○ Simple process of use - just dissolve or mix with the sample.
• Применение: Экспресс-диагностика в условиях ограниченных ресурсов, использование в полевых условиях, для диагностики инфекционных заболеваний, мониторинга качества воды, токсинов или аллергенов.• Application: Rapid diagnostics in resource-limited settings, field use, diagnostics of infectious diseases, monitoring water quality, toxins or allergens.
6. Наночастицы, активируемые с помощью внешнего источника (например, УФ-излучение)6. Nanoparticles activated by an external source (e.g. UV radiation)
• Описание: Люминисцентные наночастицы могут быть активированы внешним источником света (например, ультрафиолетовым или видимым излучением), что позволяет получить четкие результаты визуализации.• Description: Luminescent nanoparticles can be activated by an external light source (e.g. ultraviolet or visible light), resulting in clear imaging results.
• Преимущества: • Advantages:
○ Высокая степень контроля над процессом активации.○ High degree of control over the activation process.
○ Возможность использования в портативных устройствах с минимальными требованиями к оборудованию.○ Possibility of use in portable devices with minimal hardware requirements.
○ Применение в различных точках диагностики, включая полевые условия.○ Application in various diagnostic points, including field conditions.
• Применение: Диагностика в полевых условиях, экстренная диагностика инфекционных заболеваний, мониторинг здоровья в удаленных районах.• Application: Field diagnostics, emergency diagnostics of infectious diseases, health monitoring in remote areas.
7. Интеграция с мобильными приложениями или портативными детекторами7. Integration with mobile applications or portable detectors
• Описание: Для удобства использования, люминисцентные наночастицы могут быть интегрированы в устройства, которые совместимы с мобильными приложениями или портативными детекторами. Эти устройства могут измерять уровень люминисценции и передавать результаты в цифровом формате для дальнейшего анализа.• Description: For ease of use, luminescent nanoparticles can be integrated into devices that are compatible with mobile apps or portable detectors. These devices can measure luminescence levels and transmit the results in digital format for further analysis.
• Преимущества: • Advantages:
○ Возможность использования в домашних условиях.○ Possibility of use at home.
○ Автоматическое анализирование результатов через приложение.○ Automatic analysis of results via the application.
○ Портативность и удобство.○ Portability and convenience.
• Применение: Мобильная диагностика, домашние тесты на различные инфекции, аллергии, мониторинг хронических заболеваний, быстрое определение опасных токсинов.• Application: Mobile diagnostics, home tests for various infections, allergies, monitoring of chronic diseases, rapid identification of dangerous toxins.
Каждый из этих форматов имеет свои особенности и может быть использован в различных условиях, от лабораторных исследований до экспресс-диагностики в полевых условиях. Выбор подходящего формата зависит от целей диагностики, типа заболевания, доступности оборудования и требований к скорости и точности анализа.Each of these formats has its own characteristics and can be used in various conditions, from laboratory research to express diagnostics in the field. The choice of the appropriate format depends on the diagnostic purposes, the type of disease, the availability of equipment and the requirements for the speed and accuracy of analysis.
ПримерыExamples
Далее настоящее изобретение будет подробно описано в сочетании со следующими примерами, чтобы специалисты в данной области могли лучше понять настоящее изобретение, при этом, настоящее изобретение не ограничивается следующими примерами.The present invention will now be described in detail in conjunction with the following examples so that those skilled in the art can better understand the present invention, but the present invention is not limited to the following examples.
Пример 1. Синтез гибридных наночастиц на основе магнетита с оболочкой из металл-органических координационных полимеров (МОКП)Example 1. Synthesis of hybrid nanoparticles based on magnetite with a shell of metal-organic coordination polymers (MOCPs)
Синтез проводили в соответствии с протоколом, описанном в статье [https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.12.012] с изменением количества покрытий магнетита для получения оболочки из МОКП. Для получения магнетита (Fe3O4) 0,901 г мочевины, 0,15 г полиакрилата натрия, 0,487 г FeCl3 • 6H2O растворяли в 16 мл этиленгликоля. Раствор переносили в автоклав с тефлоновой прослойкой и инкубировали в сушильном шкафу в течение 12 ч при 200°С. Затем охлаждали до комнатной температуры и отмывали этанолом и дистиллированной водой по 3 раза посредством осаждения частиц на магните и замены растворителя.The synthesis was carried out according to the protocol described in the article [https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.12.012] with a change in the number of magnetite coatings to obtain a MOF shell. To obtain magnetite (Fe3O4), 0.901 g of urea, 0.15 g of sodium polyacrylate, 0.487 g of FeCl3 • 6H2O were dissolved in 16 ml of ethylene glycol. The solution was transferred to an autoclave with a Teflon layer and incubated in a drying oven for 12 h at 200 °C. Then it was cooled to room temperature and washed with ethanol and distilled water 3 times by depositing particles on a magnet and replacing the solvent.
Для покрытия частиц оболочкой из МОКП (MIL-100(Fe)) 40,0 мг магнетита и 137 мг Fe(NO3)3 • 9H2O растворяли в 4 мл дистиллированной воды. К полученной смеси добавляли 20 мл водного раствора, содержащего 68,2 мг тримезиновой кислоты и оставляли на ультразвуковой бане на 30 мин. Далее синтез проводили в микроволновом реакторе в течение 15 мин при 80 оС, после чего отмывали полученные частицы (Fe3O4@MIL-100(Fe)) этанолом и дистиллированной водой. После покрытия оболочкой из МОКП частицы меняли цвет с черного на коричневый.For coating particles with a shell of MOF (MIL-100(Fe)) 40.0 mg magnetite and 137 mg Fe(NO3)3• 9H2O was dissolved in 4 ml of distilled water. 20 ml of an aqueous solution containing 68.2 mg of trimesic acid were added to the resulting mixture and left in an ultrasonic bath for 30 min. Then the synthesis was carried out in a microwave reactor for 15 min at 80OC, after which the obtained particles (Fe3O4@MIL-100(Fe)) were washed with ethanol and distilled water. After coating with a MOF shell, the particles changed color from black to brown.
Для стабилизации частицы покрывали карбоксиметилдекстраном (КМД). Для этого к 5 мг Fe3O4@MIL-100(Fe) добавляли 2 мл водного раствора, содержащего 100 мг натриевой соли CMD. Смесь ставили на ультразвуковую баню на 30 минут, после чего инкубировали на ротаторе при 30 об/мин в течение 12 ч, затем отмывали частицы Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД 3 раза в дистиллированной воде.To stabilize the particles, they were coated with carboxymethyldextran (CMD). For this purpose, 2 ml of an aqueous solution containing 100 mg of CMD sodium salt were added to 5 mg of Fe3O4 @MIL-100(Fe). The mixture was placed in an ultrasonic bath for 30 minutes, after which it was incubated on a rotator at 30 rpm for 12 hours, then the Fe3O4 @MIL-100(Fe)@CMD particles were washed 3 times in distilled water.
Пример 2. Синтез наночастиц из полимера молочной и гликолевой кислот (PLGA НЧ)Example 2. Synthesis of nanoparticles from the polymer of lactic and glycolic acids (PLGA NPs)
Синтез проводили в соответствии с протоколом, описанном в статье [https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03421]. Наночастицы получали микроэмульсионным методом с последующем испарением растворителя. Для этого 300 мкл PLGA в концентрации 40 г/л в дихлорметане приливали к 3 мл 3% ПВС в воде. Обрабатывали ультразвуком в течение 40 сек при мощности 20 %. Выпаривали в течение 1.5 ч на ротаторе при постоянном покачивании. Отмывали частицы трёхкратным центрифугированием при 8500 g в течение 7 мин.The synthesis was carried out according to the protocol described in the article [https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03421]. Nanoparticles were obtained by the microemulsion method with subsequent evaporation of the solvent. For this, 300 μl of PLGA at a concentration of 40 g / l in dichloromethane were added to 3 ml of 3% PVA in water. They were treated with ultrasound for 40 sec at a power of 20%. They were evaporated for 1.5 h on a rotator with constant shaking. The particles were washed by three-fold centrifugation at 8500 g for 7 min.
Пример 3. Изучение размеров и морфологии наночастиц с помощью сканирующей электронной микроскопииExample 3. Study of the size and morphology of nanoparticles using scanning electron microscopy
Изображения Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД, PLGA НЧ и магнитных карбоксиполистерольных наночастиц Magsphere (МКПНЧ) методом сканирующей электронной микроскопии были получены при ускоряющем напряжении 11, 7 и 11 кВ, соответственно. Образцы наночастиц в воде в концентрации 1 г/л высушивали на воздухе на кремниевой подложке на углеродном скотче и немедленно анализировали. СЭМ-изображения обрабатывали с использованием программного обеспечения ImageJ для получения распределения частиц по размерам. Показано, что все наночастицы имеют сферическую форму с диаметрами в диапазоне 100-130 нм для Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД, 140-500 нм для PLGA НЧ и 300-2500 нм для МКПНЧ (Фиг. 1).Scanning electron microscopy images of Fe 3 O 4 @MIL-100(Fe)@CMD, PLGA NPs and Magsphere magnetic carboxypolystyrene nanoparticles (MCPSNPs) were obtained at accelerating voltages of 11, 7 and 11 kV, respectively. Nanoparticle samples in water at a concentration of 1 g/L were air-dried on a silicon substrate on carbon tape and immediately analyzed. SEM images were processed using ImageJ software to obtain particle size distribution. All nanoparticles were shown to be spherical in shape with diameters in the range of 100-130 nm for Fe 3 O 4 @MIL-100(Fe)@CMD, 140-500 nm for PLGA NPs and 300-2500 nm for MCPSNPs (Fig. 1).
Пример 4. Конъюгация наночастиц с полимерами карбодиимидным методомExample 4. Conjugation of nanoparticles with polymers by the carbodiimide method
Конъюгацию наночастиц с карбоксилированной поверхностью с полимерами, содержащими аминогруппы, проводили в 2 этапа. Для активации 1 мг наночастиц смешали с 5 мг N-этил-N'-(3-диметиламинопропил)карбодиимида (EDC) и 2 мг сульфо-N-Гидроксисукцинимида (S-NHS), растворенными в 200 мкл 50 мМ MES-буфера (рН = 4,5). Полученную смесь обрабатывали ультразвуком и оставляли инкубироваться на ротаторе со скоростью 30 об/мин в течение 20 минут при комнатной температуре. Затем частицы один раз промывали фосфатно-солевым буфером (PBS) и добавляли 100 мкл раствора PBS, содержащего 100 мкг полимера (люцифераза, полиэтиленимин, стрептавидин, антитела). Частицы отмывали 3 раза в дистиллированной воде путем магнитного осаждения (для магнитных частиц) или центрифугированием в течение 7 мин при 8500g (для PLGA НЧ).Conjugation of nanoparticles with a carboxylated surface with polymers containing amino groups was performed in 2 stages. For activation, 1 mg of nanoparticles was mixed with 5 mg of N-ethyl-N'-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and 2 mg of sulfo-N-hydroxysuccinimide (S-NHS) dissolved in 200 μl of 50 mM MES buffer (pH = 4.5). The resulting mixture was sonicated and left to incubate on a rotator at 30 rpm for 20 min at room temperature. The particles were then washed once with phosphate-buffered saline (PBS) and 100 μl of a PBS solution containing 100 μg of polymer (luciferase, polyethyleneimine, streptavidin, antibodies) were added. The particles were washed 3 times in distilled water by magnetic precipitation (for magnetic particles) or centrifugation for 7 min at 8500g (for PLGA NPs).
Пример 5. Получение автономных биолюминесцентных наночастицExample 5. Obtaining autonomous bioluminescent nanoparticles
Люциферазу NanoLuc ковалентно пришивали к поверхности Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД, PLGA НЧ и карбокси-полистерольных магнитных наночастиц (КПМНЧ) карбодиимидным методом, как описано в примере 3. Автономную люминесцентную систему получали путем сорбции фуримазина (субстрат для люциферазы NanoLuc) в наночастицы. Для этого инкубировали 100 мкг частиц с 10 мкг фуримазина в 10 мкл дистиллированной воды в течение 10 мин, после чего 3 раза промывали частицы от несорбированного субстрата. Сорбцию фуримазина изучали за счет магнитной сепарации частиц и их перевода в ДМСО для десорбции фуримазина. После чего изучали процент загрузки фуримазина в частицы по калибровочной кривой получилось от 7% до 30% по массе (при добавлении от 0.1мкг до 100мкг фуримазина).NanoLuc luciferase was covalently linked to the surface of Fe3O4@MIL-100(Fe)@CMD, PLGA NPs, and carboxypolystyrene magnetic nanoparticles (CPMNPs) using the carbodiimide method as described in Example 3. An autonomous luminescent system was obtained by sorption of furimazine (a substrate for NanoLuc luciferase) onto nanoparticles. For this purpose, 100 μg of particles were incubated with 10 μg of furimazine in 10 μl of distilled water for 10 min, after which the particles were washed 3 times to remove the unsorbed substrate. Furimazine sorption was studied by magnetic separation of particles and their transfer to DMSO for furimazine desorption. After which the percentage of furimazine loading into particles was studied using a calibration curve; it turned out to be from 7% to 30% by weight (with the addition of 0.1 μg to 100 μg of furimazine).
Пример 6.Example 6. Получение автономных биолюминесцентных наночастиц с использованием системы биотин-стрептавидинProduction of autonomous bioluminescent nanoparticles using the biotin-streptavidin system
В качестве альтернативного способа получения автономных люминесцентных наночастиц поверхность частиц Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД покрывали стрептавидином по протоколу из примера 3. Люциферазу NanoLuc предварительно конъюгировали с биотином. Для этого инкубировали 100 мкг люциферазы с 10 мкг NHS-биотина в 100 мкл PBS в течение 2 ч, после чего отмывали белок методом гель-фильтрации. 100 мкг частиц Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-стрептавидин инкубировали с 10 мкг фуримазина в 10 мкл дистиллированной воды течение 1 ч, после чего отмывали 3 раза. 100 мкг полученных частиц инкубировали с 10 мкг биотинилированной люциферазы в течение 5 мин, после чего промывали 3 раза.As an alternative method for obtaining autonomous luminescent nanoparticles, the surface of Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD particles was coated with streptavidin according to the protocol from Example 3. NanoLuc luciferase was pre-conjugated with biotin. For this, 100 μg of luciferase were incubated with 10 μg of NHS-biotin in 100 μl of PBS for 2 h, after which the protein was washed by gel filtration. 100 μg of Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-streptavidin particles were incubated with 10 μg of furimazine in 10 μl of distilled water for 1 h, after which they were washed 3 times. 100 μg of the resulting particles were incubated with 10 μg of biotinylated luciferase for 5 min, after which they were washed 3 times.
Пример 7. Модификация поверхности биолюминесцентных наночастицExample 7. Surface modification of bioluminescent nanoparticles
Поверхность биолюминесцентных наночастиц дополнительно модифицировали функциональными полимерами карбодиимидным методом согласно протоколу из примера 3. Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc конъюгировали с антителами к хлорамфениколу (antiCAP), или с ветвистым полиэтиленимином с молекулярной массой 25 кДа (ПЭИ). PLGA НЧ конъюгировали с антителами к рецепторам HER2 (трастузумаб). Сорбцию субстрата проводили после модификации поверхности.The surface of bioluminescent nanoparticles was additionally modified with functional polymers by the carbodiimide method according to the protocol from Example 3. Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc was conjugated with antibodies to chloramphenicol (antiCAP), or with branched polyethyleneimine with a molecular weight of 25 kDa (PEI). PLGA NPs were conjugated with antibodies to HER2 receptors (trastuzumab). Sorption of the substrate was carried out after surface modification.
Пример 8. Пролонгированная люминесценция наночастицExample 8. Prolonged luminescence of nanoparticles
Наночастицы Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc синтезировали как в примере 3. 100 мкг наночастиц с субстратом перевели в 1 мл PBS и поместили в диализный мешок из с размером пор 8-12 кДа. Частицы диализовали против 1 л PBS. Через определенные промежутки времени люминесцентный сигнал частиц в диализном мешке измеряли с использованием системы биовизуализации LumoTrace FLUO (ООО «Абисенс», Сириус, Россия). В качестве контроля исследовали наночастицы Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc, к которым добавили субстрат непосредственно перед диализом. Спустя 24 ч после начала эксперимента у биолюминесцентных наночастиц детектировали остаточный сигнал (Фиг. 2). Люминесцентный сигнал от контрольных частиц спустя 7 часов не получалось задетектировать.Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc nanoparticles were synthesized as in Example 3. 100 μg of nanoparticles with the substrate were transferred to 1 ml of PBS and placed in a dialysis bag with a pore size of 8-12 kDa. The particles were dialyzed against 1 l of PBS. At certain intervals, the luminescent signal of the particles in the dialysis bag was measured using the LumoTrace FLUO biovisualization system (Abisens LLC, Sirius, Russia). Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc nanoparticles, to which the substrate was added immediately before dialysis, were studied as a control. 24 h after the start of the experiment, a residual signal was detected in the bioluminescent nanoparticles (Fig. 2). The luminescent signal from the control particles could not be detected after 7 hours.
Пример 9. Иммунохроматографический анализ с использованием автономных биолюминесцентных наночастицExample 9. Immunochromatographic analysis using autonomous bioluminescent nanoparticles
Раствор, содержащий BSA-биотин, в концентрации 3 г/л наносили на мембраны с помощью системы напыления с расходом 4 мкл/см, а затем сушили в течение ночи. Тест-полоски были вырезаны с помощью модуля гильотинной резки и имели ширину 2 мм.A solution containing BSA-biotin at a concentration of 3 g/L was applied to the membranes using a spray system at a flow rate of 4 μL/cm and then dried overnight. The test strips were cut using a guillotine cutting module and had a width of 2 mm.
Автономные биолюминесцентные частицы из Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc, PLGA-NanoLu и КПМНЧ-NanoLu получали как в примере 3, а затем конъюгировали с стрептавидином. На тестовые полоски наносили 20 мкл раствора, содержащего 1 мкг частиц, путем их погружения в этот раствор. Полоски анализировали с помощью системы биовизуализации LumoTrace FLUO. В месте нанесения BSA-биотина детектировали люминесцентный сигнал (Фиг. 3а). Далее в раствор с частицами добавляли избыток биотина (5 мкг). На тест-полоске с Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-bioNanoLuc детектировали сниженный сигнал по сравнению с раствором без свободного биотина (Фиг. 2б), для остальных частиц сигнал был недетектируемым.Autonomous bioluminescent particles of Fe3O4@MIL-100(Fe)@CMD-NanoLuc, PLGA-NanoLu, and KPMNP-NanoLu were prepared as in Example 3 and then conjugated with streptavidin. 20 μl of the solution containing 1 μg of particles were applied to the test strips by immersing them in this solution. The strips were analyzed using the LumoTrace FLUO bioimaging system. A luminescent signal was detected at the site of BSA-biotin application (Fig. 3a). Then, an excess of biotin (5 μg) was added to the solution with the particles. A reduced signal was detected on the test strip with Fe3O4@MIL-100(Fe)@CMD-bioNanoLuc compared to the solution without free biotin (Fig. 2b), for the remaining particles the signal was undetectable.
Пример 10. Получение конъюгата BSA-CAPExample 10. Preparation of BSA-CAP conjugate
CAP-сукцинат растворяли до концентрации 100 г/л. EDC растворяли в 50 мМ MES, pH6, а затем разбавляли ДМСО в два раза для достижения конечной концентрации 100 г/л.
NHS сначала растворяли в ДМСО, а затем разбавляли в два раза 50 мМ MES, pH 6, чтобы достичь конечной концентрации 100 г/л.CAP succinate was dissolved to a concentration of 100 g/L. EDC was dissolved in 50 mM MES, pH6, and then diluted two-fold with DMSO to achieve a final concentration of 100 g/L.
NHS was first dissolved in DMSO and then diluted two-fold with 50 mM MES, pH 6, to achieve a final concentration of 100 g/L.
50 мкл CAP-сукцината смешивали с 18,3 мкл раствора EDC, 13,6 мкл раствора NHS, 18,1 мкл смеси 50 мМ MES, рН 6 и ДМСО (1:1 по объему). Активацию проводили в течение 1 часа при комнатной температуре.50 μl of CAP succinate were mixed with 18.3 μl of EDC solution, 13.6 μl of NHS solution, 18.1 μl of a mixture of 50 mM MES, pH 6 and DMSO (1:1 by volume). Activation was carried out for 1 hour at room temperature.
После инкубации смешивали 58,5 мкл BSA в концентрации 100 г/л, 28,7 мкл активированного CAP-сукцината и 42,8 мкл 0,1 М боратного буфера, рН 8. Пробирку центрифугировали в течение 1 мин при 10000g, и в дальнейшем использовали надосадочную жидкость. Пробирку инкубировали в течение ночи.After incubation, 58.5 μl of BSA at a concentration of 100 g/l, 28.7 μl of activated CAP succinate and 42.8 μl of 0.1 M borate buffer, pH 8, were mixed. The tube was centrifuged for 1 min at 10,000 g, and the supernatant was used. The tube was incubated overnight.
Для очистки конъюгата его наносили на обессоливающие колонки ZEBA (7 кДа MWCO) однократно в соответствии с рекомендациями производителя. Конъюгат хранили в воде Milli-Q. To purify the conjugate, it was applied to ZEBA desalting columns (7 kDa MWCO) once according to the manufacturer's recommendations. The conjugate was stored in Milli-Q water.
Пример 11. Конкурентный иммуноферментный анализ на наличие хлорамфеникола в образце с помощью автономных биолюминесцентных наночастицExample 11. Competitive enzyme immunoassay for the presence of chloramphenicol in a sample using autonomous bioluminescent nanoparticles
Наночастицы Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc-antiCAP синтезировались как описано в примере 6. Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc-antiCAP nanoparticles were synthesized as described in Example 6.
Для анализа образца подготавливался планшет: 100 мкл BSA-CAP 0,1 г/л в карбонатно-бикарбонатном буфере (0,1 М, рН 9,6) помещали в лунки 96-луночных ИФА планшетов и инкубировали при комнатной температуре в течение ночи. Далее раствор удаляли, а лунки промывали однократно 100 мкл раствора PBS (PBS с 0,05 % Tween 20). После этого в лунки добавляли 100 мкл блокирующего буфера (1% BSA в PBS). Планшет инкубировали в течение 1 ч при комнатной температуре и трижды промывали PBST.For sample analysis, a plate was prepared: 100 μl of BSA-CAP 0.1 g/l in carbonate-bicarbonate buffer (0.1 M, pH 9.6) were placed into the wells of 96-well ELISA plates and incubated at room temperature overnight. The solution was then removed and the wells were washed once with 100 μl of PBS solution (PBS with 0.05% Tween 20). After that, 100 μl of blocking buffer (1% BSA in PBS) were added to the wells. The plate was incubated for 1 h at room temperature and washed three times with PBST.
Далее, производился непосредственно анализ образца: в лунку добавляли 100 мкл следующей смеси: 5 мкл Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc-anti-CAP в концентрации 2 г/л, 10 мкл CAP-сукцината в заданной концентрации в качестве образца, 10 мкл 10% BSA и 75 мкл PBS. Планшет инкубировали в течение 1 ч, трижды промывали PBST, а в лунки добавляли PBS. Полученный люминесцентный сигнал измеряли с использованием фильтра эмиссии 480/80 нм. Наблюдали увеличение сигнала люминесценции при уменьшении концентрации аналита с порогом детекции 0,5 мг/л (Фиг. 4).Next, the sample was directly analyzed: 100 μl of the following mixture was added to the well: 5 μl of Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc-anti-CAP at a concentration of 2 g/l, 10 μl of CAP-succinate at a given concentration as a sample, 10 μl of 10% BSA and 75 μl of PBS. The plate was incubated for 1 h, washed three times with PBST, and PBS was added to the wells. The resulting luminescent signal was measured using a 480/80 nm emission filter. An increase in the luminescence signal was observed with a decrease in the analyte concentration with a detection threshold of 0.5 mg/l (Fig. 4).
Пример 12. Культивация клеточных линийExample 12. Cultivation of cell lines
В экспериментах использовались клеточные линии EMT 6/P и EMT-HER2 (клеточная линия, стабильно экспрессирующая трансмембранный рецептор HER2, полученная из линии EMT6/P лентивирусной трансдукцией, с последующим отбором HER2-положительных клонов). The experiments were carried out using EMT 6/P and EMT-HER2 cell lines (a cell line stably expressing the HER2 transmembrane receptor, obtained from the EMT6/P line by lentiviral transduction, followed by selection of HER2-positive clones).
Клетки культивировали в следующих условиях: модифицированная среда Eagle Medium от Dulbecco / основная среда F12 (1:1) от Ham; 100 ЕД/мл пенициллина-стрептомицина; 10 мг/л гентамицина; 10 % фетальной бычьей сыворотки; 300 мг/л L-глютамина; 5 % CO2 при 37 °C. Клетки снимали с поверхности культурального флакона с помощью раствора Версена.The cells were cultured under the following conditions: modified Eagle Medium from Dulbecco/basic F12 medium (1:1) from Ham; 100 U/ml penicillin-streptomycin; 10 mg/l gentamicin; 10% fetal bovine serum; 300 mg/l L-glutamine; 5% CO2 at 37 °C. Cells were removed from the surface of the culture flask using Versene solution.
Пример 13. Проведение микроскопического анализа клеточного образцаExample 13. Carrying out microscopic analysis of a cell sample
20.000 клеток EMT и EMT-HER2 высевали в 96-луночный планшет в 200 мкл среды и инкубировали в течение ночи. Затем к клеткам добавляли 10 мкл частиц Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc, полученных как описано в примере 5, в концентрации 0,1 г/л в ФСБ. Ко дну культурального планшета в течение 1 мин прикладывали постоянный магнит. Затем были получены микроскопические изображения клеток в канале светлого поля, а также в отсутствие источников света для детекции люминесцентного сигнала (Фиг. 5).20,000 EMT and EMT-HER2 cells were seeded in 96-well plates in 200 μl of medium and incubated overnight. Then, 10 μl of Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc particles prepared as described in Example 5 at a concentration of 0.1 g/l in PBS were added to the cells. A permanent magnet was applied to the bottom of the culture plate for 1 min. Microscopic images of the cells were then obtained in the bright field channel and in the absence of light sources for detecting the luminescent signal (Fig. 5).
Пример 14. Цитометрический анализ клеточного образца с помощью автономных биолюминесцентных наночастиц Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc-ПЭИExample 14. Cytometric analysis of a cellular sample using autonomous bioluminescent nanoparticles Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc-PEI
200.000 клеток EMT 6/P в 200 мкл среды 1% раствора BSA в PBS смешивали с 5 мкг частиц Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc-ПЭИ, полученных как описано в примере 6. Полученную смесь инкубировали в течение 20 мин, центрифугировали при 300 g в течение 3 мин и ресуспендировали в 100 мкл PBS. Затем клетки сразу же анализировали с помощью проточного цитофлуориметра. В эмиссионном канале 530-30, возбуждаемом лазером с длиной волны 488 нм, наблюдали смещение пика по сравнению с нелюминесцентными частицами (Фиг. 6).200,000 EMT 6/P cells in 200 μl of 1% BSA in PBS were mixed with 5 μg of Fe3O4@MIL-100(Fe)@CMD-NanoLuc-PEI particles prepared as described in Example 6. The resulting mixture was incubated for 20 min, centrifuged at 300 g for 3 min and resuspended in 100 μl of PBS. The cells were then immediately analyzed by flow cytometry. A peak shift was observed in the 530-30 emission channel excited by a 488 nm laser compared to the non-luminescent particles (Fig. 6).
Пример 15. Специфичное взаимодействие наночастиц с клеткамиExample 15. Specific interaction of nanoparticles with cells
100.000 клеток EMT6/P и EMT-HER2 в 100 мкл среды 1% раствора BSA в ФСБ смешивали с 1 мкг частиц PLGA@NanoLuc@trastuzumab, полученных как описано в примере 6. Полученную смесь инкубировали в течение 20 мин, центрифугировали при 300 g в течение 3 мин и ресуспендировали в 100 мкл PBS. Сигнал анализировали с использованием мультимодального планшетного ридера в режиме люминесценции с фильтром эмиссии 480/80 нм. На клетках EMT-HER2 наблюдали увеличение люминесцентного сигнала с частицами PLGA-NanoLuc-трастузумаб по сравнению с частицами PLGA-NanoLuc. При этом на HER2-отрицательных клетках EMT6/P статистически-значимой разницы в люминесценции частиц не наблюдали (Фиг. 7).100,000 EMT6/P and EMT-HER2 cells in 100 μl of 1% BSA in PBS were mixed with 1 μg of PLGA@NanoLuc@trastuzumab particles obtained as described in Example 6. The resulting mixture was incubated for 20 min, centrifuged at 300 g for 3 min and resuspended in 100 μl of PBS. The signal was analyzed using a multimodal plate reader in luminescence mode with an emission filter of 480/80 nm. On EMT-HER2 cells, an increase in the luminescent signal was observed with PLGA-NanoLuc-trastuzumab particles compared to PLGA-NanoLuc particles. However, on HER2-negative EMT6/P cells, no statistically significant difference in the luminescence of the particles was observed (Fig. 7).
Пример 16. Люминесцентная биовизуализация ex vivo и биораспределениеExample 16. Ex vivo luminescent bioimaging and biodistribution
Мышам BALB/c ретроорбитально вводили 300 мкг наночастиц КПМНЧ-NanoLuc, Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc и PLGA-NanoLuc НЧ в 100 мкл PBS. Затем, через 1 час после инъекции, мышей анестезировали и подвергали эвтаназии путем цервикальной дислокации, а органы (печень, легкие, почки, селезенку, сердце) извлекали и визуализировали с помощью системы биовизуализации LumoTrace FLUO без фильтра эмиссии. Результирующие изображения в канале светлого поля приведены и в люминесцентном режиме на Фиг 8. Наблюдали наиболее интенсивные сигналы от наночастиц в селезенке, легких и печени. Распределение магнитных частиц, измеренное люминесцентным методом, совпало с распределением, полученным методом MPQ.BALB/c mice were retro-orbitally injected with 300 μg of KPMNPs-NanoLuc, Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc and PLGA-NanoLuc NPs in 100 μl PBS. Then, 1 hour after the injection, the mice were anesthetized and euthanized by cervical dislocation, and the organs (liver, lungs, kidneys, spleen, heart) were removed and visualized using the LumoTrace FLUO bioimaging system without an emission filter. The resulting images in the bright field channel and in the fluorescence mode are shown in Fig. 8. The most intense signals from the nanoparticles were observed in the spleen, lungs and liver. The distribution of magnetic particles measured by the fluorescence method coincided with the distribution obtained by the MPQ method.
Пример 17. Люминесцентная биовизуализация in vivoExample 17. In vivo luminescent bioimaging
Предварительно побритым мышам BALB/c ретроорбитально вводили 300 мкг Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc в 100 мкл PBS. Сразу после введения наночастиц мышей помещали помещали в систему биовизуализации LumoTrace FLUO. Кинетику люминесценции наночастиц снимали в течение 30 мин. Через 15 секунд циркуляции детектировали сигнал в легких, а через 1 мин - в селезенке (Фиг. 9).Pre-shaved BALB/c mice were retro-orbitally injected with 300 μg Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc in 100 μl PBS. Immediately after nanoparticle administration, mice were placed in the LumoTrace FLUO bioimaging system. Nanoparticle luminescence kinetics were recorded for 30 min. After 15 seconds of circulation, a signal was detected in the lungs, and after 1 min - in the spleen (Fig. 9).
Пример 18. Получение автономных биолюминесцентных наночастиц с люциферазами Firefly, Renilla и GaussiaExample 18. Preparation of autonomous bioluminescent nanoparticles with Firefly, Renilla and Gaussia luciferases
Наночастицы Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД конъюгировали с люциферазами Firefly, Renilla и Gaussia как в примере 4. В частицы с Firefly сорбировали D-люциферином (с или без) АТФ, а в частицы с Renilla и Gaussia - коэлентеразин (целентеразин) как в примере 5. Биолюминесцентные частицы с Renilla и Gaussia и Firefly (в случае сорбции АТФ) демонстрировали автономное свечение в различных модельных средах, частицы с Firefly но без АТФ - только в случае присутствия в среде АТФ.Nanoparticles Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD were conjugated with Firefly, Renilla and Gaussia luciferases as in Example 4. Particles with Firefly were adsorbed with D-luciferin (with or without) ATP, and particles with Renilla and Gaussia were adsorbed with coelenterazine (coelenterazine) as in Example 5. Bioluminescent particles with Renilla and Gaussia and Firefly (in the case of ATP adsorption) demonstrated autonomous luminescence in various model environments, particles with Firefly but without ATP - only in the case of the presence of ATP in the environment.
Пример 19. Специфичное взаимодействие автономных биолюминесцентных наночастиц с модифицированной поверхностью с различными молекулярными мишенямиExample 19. Specific interaction of autonomous bioluminescent nanoparticles with modified surfaces with various molecular targets
Наночастицы Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc дополнительно конъюгировали с различными типами нацеливающих молекул, включая анти-CD4 Fab фрагмент, анти-CD3 F(ab')2 фрагмент, анти-CD8 scFv фрагмент, анти-HER2 аффибоди и дарпин G3. Субстрат сорбировали после модификации поверхности как в примере 5. Модифицированные частицы инкубировали с различными клеточными линиями со сверхэкспрессией определенных поверхностных рецепторов и анализировали методом проточной цитометрии как в примере 14. Наблюдали статистически значимое смещение флуоресцентного пика в область больших интенсивностей при взаимодействии CD3+ клеток с частицами с анти-CD3 F(ab')2, CD4+ клеток с частицами с анти-CD4 Fab, CD8+ клеток с частицами с анти-CD8 scFv фрагмент, HER2+ клеток с частицами с анти-HER2 аффибоди и дарпином G3.Nanoparticles Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc was further conjugated with various types of targeting molecules, including anti-CD4 Fab fragment, anti-CD3 F(ab')2 fragment, anti-CD8 scFv fragment, anti-HER2 affibody and DARPin G3. The substrate was adsorbed after surface modification as in Example 5. The modified particles were incubated with various cell lines overexpressing certain surface receptors and analyzed by flow cytometry as in Example 14. A statistically significant shift of the fluorescence peak to the region of higher intensities was observed upon interaction of CD3+ cells with particles containing anti-CD3 F(ab')2, CD4+ cells with particles containing anti-CD4 Fab, CD8+ cells with particles containing anti-CD8 scFv fragment, HER2+ cells with particles containing anti-HER2 affibody and DARPin G3.
Пример 20. Загрузка малых терапевтичесих молекул в люминесцентные наночастицыExample 20. Loading of small therapeutic molecules into luminescent nanoparticles
Наночастицы, модифицированные стрептавидином, получали как в примере 4. После сорбции фуримазина, в частицы аналогичным образом сорбировали низкомолекулярные терапевтические молекулы, включая химиотерапевтические агенты доксорубицин и/или даунорубицин, после чего частицы отмывали от несорбированных молекул. Наблюдали одновременную сорбцию субстрата и терапевтического агента. Далее люминесцентные частицы получали как в примере 6. Наблюдали пролонгированное свечение полученных частиц как в примере 8. Nanoparticles modified with streptavidin were obtained as in Example 4. After sorption of furimazine, low-molecular therapeutic molecules were similarly sorbed into the particles, including the chemotherapeutic agents doxorubicin and/or daunorubicin, after which the particles were washed from unsorbed molecules. Simultaneous sorption of the substrate and the therapeutic agent was observed. Then, luminescent particles were obtained as in Example 6. Prolonged luminescence of the obtained particles was observed as in Example 8.
Пример 21. Использование биолюминесцентных наночастиц в тераностических целяхExample 21. Use of bioluminescent nanoparticles for theranostic purposes
Автономные биолюминесцентные наночастицы на основе Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД и немагнитных MIL-100(Fe)@КМД с дополнительной терапевтической нагрузкой в виде химеотерапевтического препарата доксорубицина получали как в примере 20. 300 мкг наночастиц с доксорубицином в 100 мкл PBS ретроорбитально вводили мышам с предварительно привитыми опухолями. Наблюдали люминесцентный сигнал в опухолях и детектируемое уменьшение размеров опухолей в сравнении с интактными животными. Для улучшения терапевтического потенциала наночастиц использовали технологию цитоблокады мононуклеарной фагоцитарной системы. Для этого за 8 часов перед введением наночастиц, мышам вводили 25 мкг антиэритроцитарных анител Ter-119. С помощью предложенной технологии наблюдали более выраженный терапевтический эффект от наночастиц. Дополнительно к месту привития опухоли прикладывали магнит, что позволило значительно увеличить накопление магнитных наночастиц в опухоли, а также статистически значимо продлить время жизни мышей по сравнению с немагнитными частицами. Также наблюдали снижение токсичности терапии по сравнению со свободным доксорубицином (введенной контрольным мышам в той же суммарной дозе) по биохимическим показателям.Autonomous bioluminescent nanoparticles based on Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD and non-magnetic MIL-100(Fe)@KMD with an additional therapeutic load in the form of the chemotherapeutic drug doxorubicin were obtained as in Example 20. 300 μg of nanoparticles with doxorubicin in 100 μl of PBS were retroorbitally administered to mice with pre-inoculated tumors. A luminescent signal in the tumors and a detectable decrease in tumor size were observed compared to intact animals. To improve the therapeutic potential of the nanoparticles, the technology of cytoblockade of the mononuclear phagocyte system was used. For this purpose, 8 hours before the introduction of the nanoparticles, the mice were administered 25 μg of anti-erythrocyte antibodies Ter-119. Using the proposed technology, a more pronounced therapeutic effect of nanoparticles was observed. Additionally, a magnet was applied to the tumor grafting site, which allowed for a significant increase in the accumulation of magnetic nanoparticles in the tumor, as well as a statistically significant extension of the lifespan of mice compared to non-magnetic particles. A decrease in the toxicity of the therapy was also observed compared to free doxorubicin (administered to control mice in the same total dose) according to biochemical indicators.
Пример 23. Загрузка нуклеиновых кислот в люминесцентные наночастицыExample 23. Loading of nucleic acids into luminescent nanoparticles
Автономные люминесцентные наночастицы, модифицированные полиэтиленимином, получали как в примере 7. Далее инкубировали 100 мкг наночастиц с 10 мкг нуклеиновой кислоты (плазмидная ДНК или матричная РНК) в 1 мл воды, свободной от нуклеаз, в течение 10 мин, после чего отмывали от несвязавшихся молекул нуклеиновых кислот. С помощью ПЦР подтверждали иммобилизацию нуклеиновых кислот на поверхности наночастиц. Наблюдали пролонгированную люминесценцию наночастиц как в примере 8, а также демонстрировали люминесцентную визуализацию клеток как в примере 13, и одновременную трансфекцию с использованием репортерных систем. Трансфекцию с помощью полученных наночастиц и мРНК или плазмидной ДНК наблюдали за счет экспрессии трансгена - зеленого флуоресцентного белка, кодируемого в последовательностях нуклеиновых кислот.Autonomous luminescent nanoparticles modified with polyethyleneimine were obtained as in Example 7. Then, 100 μg of nanoparticles were incubated with 10 μg of nucleic acid (plasmid DNA or matrix RNA) in 1 ml of nuclease-free water for 10 min, after which unbound nucleic acid molecules were washed off. Immobilization of nucleic acids on the surface of nanoparticles was confirmed using PCR. Prolonged luminescence of nanoparticles was observed as in Example 8, and luminescent visualization of cells was demonstrated as in Example 13, and simultaneous transfection using reporter systems. Transfection using the obtained nanoparticles and mRNA or plasmid DNA was observed due to expression of the transgene - green fluorescent protein encoded in nucleic acid sequences.
Пример 24. Прямой иммуноферментный анализ на наличие тропонина в образце с помощью автономных биолюминесцентных наночастицExample 24. Direct enzyme immunoassay for the presence of troponin in a sample using autonomous bioluminescent nanoparticles
Автономные биолюминесценные наночастицы с поверхностью, модифицированной антителами к тропонину (клон 9G6 или поликлональные антитела), получали как в примере 6. На дно планшета иммобилизировали антитела к тропонину (клон 1C11cc или поликлональные антитела) как в примере 11. Иммуноферментный анализ на наличие тропонина проводили в сэндвич-формате. В лунки планшета добавляли раствор с различными концентрациями тропонина, инкубировали 1 ч и промывали раствором PBS. Далее добавляли 100 мкл раствора наночастиц в концентрации 0,1 г/л. Планшет инкубировали в течение 1 ч, трижды промывали PBST, а в лунки добавляли PBS. Полученный люминесцентный сигнал измеряли с использованием фильтра эмиссии 480/80 нм. Наблюдали увеличение сигнала люминесценции при увеличении концентрации аналита с порогом детекции 0.13 нг/мл.Autonomous bioluminescent nanoparticles with a surface modified with antibodies to troponin (clone 9G6 or polyclonal antibodies) were obtained as in Example 6. Antibodies to troponin (clone 1C11cc or polyclonal antibodies) were immobilized on the bottom of the plate as in Example 11. Enzyme-linked immunosorbent assay for the presence of troponin was performed in a sandwich format. A solution with different concentrations of troponin was added to the wells of the plate, incubated for 1 h and washed with a PBS solution. Then 100 μl of a nanoparticle solution at a concentration of 0.1 g/l were added. The plate was incubated for 1 h, washed three times with PBST, and PBS was added to the wells. The resulting luminescent signal was measured using a 480/80 nm emission filter. An increase in the luminescence signal was observed with increasing analyte concentration with a detection threshold of 0.13 ng/ml.
Пример 25. Получение автономных дальневолновых биолюминесцирующих наночастиц с люциферазой NanoLucExample 25. Obtaining autonomous far-wave bioluminescent nanoparticles with NanoLuc luciferase
Люминесцентные наночастицы, содержащие люциферазу NanoLuc, конъюгировали с различными флуоресцентными белками, включая CyOFP1, TurboGFP и LSSmScarlet как в примере 4, после чего сорбировали фуримазин как в примере 5. У полученных автономных биолюминесцентных систем наблюдали смещение спектра эмиссии в более длинноволновую область, с максимумом на длине волны 502 нм для TurboGFP, 590 нм для CyOFP1 и 598 нм для LSSmScarlet в отсутствие внешнего источника света.Luminescent nanoparticles containing NanoLuc luciferase were conjugated with various fluorescent proteins, including CyOFP1, TurboGFP, and LSSmScarlet as in Example 4, and then furimazine was adsorbed as in Example 5. The resulting autonomous bioluminescent systems exhibited a shift in the emission spectrum to a longer wavelength region, with a maximum at a wavelength of 502 nm for TurboGFP, 590 nm for CyOFP1, and 598 nm for LSSmScarlet in the absence of an external light source.
Пример 26. Получение автономных дальневолновых биолюминесцирующих наночастиц с люциферазой FireflyExample 26. Obtaining autonomous far-wave bioluminescent nanoparticles with Firefly luciferase
Люминесцентные наночастицы, содержащие люциферазу Firefly, конъюгировали с флуоресцентными белками mScarlet, RFP611 и RFP618 как в примере 4, после чего сорбировали D-люциферин как в примере 5. У полученных автономных биолюминесцентных систем наблюдали смещение спектра эмиссии в более длинноволновую область, с максимумом на длине волны 594 нм для mScarlet, 611 нм для RFP611 и 618 нм для RFP618 в отсутствие внешнего источника света.Luminescent nanoparticles containing Firefly luciferase were conjugated with mScarlet, RFP611, and RFP618 fluorescent proteins as in Example 4, after which D-luciferin was adsorbed as in Example 5. The resulting autonomous bioluminescent systems exhibited a shift in the emission spectrum to a longer wavelength region, with a maximum at a wavelength of 594 nm for mScarlet, 611 nm for RFP611, and 618 nm for RFP618 in the absence of an external light source.
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1-9.The essence of the invention is explained by the drawings Figs. 1-9.
На фиг. 1 представлены снимки со сканирующего электронного микроскопа (А) МКПНЧ, (Б) Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД, (В) PLGA НЧ. Масштабный отрезок 500 нм. Все наночастицы обладают сферической формой. Диаметр МКПНЧ, согласно данной фотографии, лежит в диапазоне от 300 до 2500 нм; Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД – от 100 до 130 нм, а PLGA НЧ – от 140 до 500 нм.Fig. 1 shows scanning electron microscope images of (A) MCNPs, (B) Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD, (C) PLGA NPs. The scale bar is 500 nm. All nanoparticles are spherical. The diameter of MCNPs, according to this photograph, ranges from 300 to 2500 nm; Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD – from 100 to 130 nm, and PLGA NPs – from 140 to 500 nm.
На фиг. 2 представлены кинетики люминесценции наночастиц Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc, находящихся в диализной камере, проницаемой для фуримазина. Верхняя кривая соответствует биолюминесцентным наночастицам с предварительно просорбированным субстратом в течение 10 мин. Нижняя кривая соответствует частицам, к которым добавили субстрат непосредственно перед диализом. Частицы с предварительно сорбированным субстратом демонстрирует более, чем в 3 раза длительную люминесценцию по сравнению с контрольными.Fig. 2 shows the luminescence kinetics of Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc nanoparticles in a dialysis chamber permeable to furimazine. The upper curve corresponds to bioluminescent nanoparticles with pre-sorbed substrate for 10 min. The lower curve corresponds to particles to which the substrate was added immediately before dialysis. Particles with pre-sorbed substrate demonstrate more than 3 times longer luminescence compared to the control.
На фиг. 3 представлены результаты иммунохроматографического анализа (А) в отсутствие и (Б) при наличии аналита (биотина) в образце. На тест-полоски нанесен BSA-биотин. На фотографиях представлены тест-полоски провзаимодействовавшие с (слева-направо) Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc-стрептавидин, КПМНЧ-NanoLuc-стрептавидин и PLGA НЧ-NanoLuc-стрептавидин. Фотографии получены с помощью системы биовизуализации LumoTrace FLUO. На верхней панели расположены снимки в светлом поле, а на нижней – без внешнего освещения. На фотографиях обведены места нанесения BSA-биотина на полоски. На тест-полосках наблюдается сильное связывание частиц, не взаимодействующих с биотином в растворе, с тестовой линией. Связывание частиц, предварительно смешанных с избытком биотина, значительно слабее.Fig. 3 shows the results of immunochromatographic analysis (A) in the absence and (B) in the presence of the analyte (biotin) in the sample. BSA-biotin is coated on the test strips. The photographs show the test strips interacted with (left to right) Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc-streptavidin, KPMNP-NanoLuc-streptavidin and PLGA NP-NanoLuc-streptavidin. The photographs were obtained using the LumoTrace FLUO bioimaging system. The upper panel shows images in a bright field, and the lower panel shows images without external illumination. The places where BSA-biotin is applied to the strips are circled in the photographs. Strong binding of particles that do not interact with biotin in solution to the test line is observed on the test strips. Binding of particles pre-mixed with excess biotin is significantly weaker.
На фиг. 4 представлены результаты конкурентного иммуноферментного анализа образца на наличие CAP с помощью биолюминесцентных наночастиц Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc-антиCAP. Предел детекции с помощью данной системы составляет 5 мг/л.Fig. 4 shows the results of competitive enzyme immunoassay of the sample for the presence of CAP using bioluminescent nanoparticles Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc-antiCAP. The detection limit using this system is 5 mg/l.
На фиг. 5 представлены микроскопические фотографии клеточных образцов, взаимодействующих с биолюминесцентными наночастицами Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc под действием приложенного внешнего магнитного поля. Фотографии сняты с использованием объективов с увеличением (А) х20 и (Б) х40. Масштабный отрезок 100 мкм. На верхней панели расположены фотографии в светлом поле, а на нижней – в отсутствие освещения. Наблюдается люминесцентный сигнал от клеток, взаимодействующих с частицами (справа), в то время как люминесценция у интактных клеток (слева) отсутствует.Figure 5 shows microscopic photographs of cell samples interacting with bioluminescent Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc nanoparticles under an applied external magnetic field. The photographs were taken using objectives with a magnification of (A) x20 and (B) x40. The scale bar is 100 μm. The upper panel shows photographs in a bright field, and the lower panel shows photographs in the absence of illumination. A luminescent signal is observed from cells interacting with the particles (right), while luminescence from intact cells (left) is absent.
На фиг. 6 представлены результаты цитомерического анализа взаимодействия клеток EMT6/P с биолюминесцентными наночастицами Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc-ПЭИ. (А-Б) Схема отбора цитометрических событий: сначала отсекаются события со слишком малым значением прямого светорассеяния (А), а затем события со слишком большим значением параметра FSC-A для данного значения FSC-H (Б). (В) Гистограммы интенсивности во флуоресцентном канале FITC-H для клеток, провзаимодействовавших с люминесцентными наночастицами и частицами без субстрата. Наблюдается смещение пика, обусловленное люминесценцией наночастиц. Figure 6 shows the results of cytometric analysis of the interaction of EMT6/P cells with bioluminescent Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc-PEI nanoparticles. (A-B) Scheme of cytometric event selection: first, events with too low forward scattering value are cut off (A), and then events with too high FSC-A parameter value for a given FSC-H value (B). (C) Histograms of intensity in the FITC-H fluorescent channel for cells interacted with luminescent nanoparticles and particles without substrate. A peak shift is observed due to nanoparticle luminescence.
На Фиг. 7 представлены результаты теста на специфичность взаимодействия таргетных биолюминесцентных частиц PLGA НЧ-NanoLuc-трастузумаб с клетками-мишенями. На клетках EMT-HER2 наблюдается увеличение люминесцентного сигнала с частицами PLGA-NanoLuc-трастузумаб по сравнению с частицами PLGA-NanoLuc. При этом на HER2-отрицательных клетках EMT6/P статистически-значимая разница в люминесценции частиц отсутствует.Fig. 7 shows the results of the test for the specificity of the interaction of targeted bioluminescent particles PLGA NP-NanoLuc-trastuzumab with target cells. On EMT-HER2 cells, an increase in the luminescent signal with PLGA-NanoLuc-trastuzumab particles is observed compared to PLGA-NanoLuc particles. At the same time, on HER2-negative EMT6/P cells, there is no statistically significant difference in the luminescence of the particles.
На Фиг. 8 представлены ex vivo биораспределения (А) КПМНЧ-NanoLuc, (Б) Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc и (В) PLGA-NanoLuc НЧ. Верхняя панель содержит фотографии в светлом поле, посередине расположены фотографии без внешнего освещения, а снизу расположены диаграммы распределения наночастиц по органам, полученные из анализа люминечентного сигнала. Видно преимущественное накопление КПМНЧ-NanoLuc и Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc в легких и селезенке, PLGA-NanoLuc НЧ - в селезенке, печени и легких.Fig. 8 shows ex vivo biodistributions of (A) KPMNPs-NanoLuc, (B) Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc and (C) PLGA-NanoLuc NPs. The upper panel contains bright field photographs, the middle panel contains photographs without external illumination, and the lower panel contains diagrams of the distribution of nanoparticles in organs obtained from the analysis of the luminescent signal. It is seen that KPMNPs-NanoLuc and Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc accumulate predominantly in the lungs and spleen, and PLGA-NanoLuc NPs accumulate in the spleen, liver and lungs.
На Фиг. 9 предвставлено in vivo биораспределение биолюминесцентных наночастиц Fe3O4@MIL-100(Fe)@КМД-NanoLuc в организме мыши BALB/c. (А) Фотография в светлом поле. (Б-Г) Фотографии, полученные в отсутствие внешних источников освещения с экспозицией в (Б) 25 с, (В) 2 мин и (Г) 15 мин. Детектируется накопление наночастиц сначала в легких, а затем и в селезенке.Fig. 9 shows the in vivo biodistribution of bioluminescent Fe3O4@MIL-100(Fe)@KMD-NanoLuc nanoparticles in the BALB/c mouse. (A) Bright field photograph. (B-D) Photographs obtained in the absence of external light sources with exposures of (B) 25 sec, (C) 2 min, and (D) 15 min. Accumulation of nanoparticles is detected first in the lungs and then in the spleen.
Claims (20)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2846033C1 true RU2846033C1 (en) | 2025-08-29 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019083365A1 (en) * | 2017-10-25 | 2019-05-02 | Universiteit Leiden | VECTORS OF ADMINISTRATION |
| US12042248B2 (en) * | 2012-09-25 | 2024-07-23 | Bioventures, Llc | Device and method for in vivo photoacoustic diagnosis and photothermal purging of infected blood |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12042248B2 (en) * | 2012-09-25 | 2024-07-23 | Bioventures, Llc | Device and method for in vivo photoacoustic diagnosis and photothermal purging of infected blood |
| WO2019083365A1 (en) * | 2017-10-25 | 2019-05-02 | Universiteit Leiden | VECTORS OF ADMINISTRATION |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| SUN, X., et al. Luciferase and Luciferin Co-immobilized Mesoporous Silica Nanoparticle Materials for Intracellular Biocatalysis. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18554-18557. * |
| НИКИТИН П.И. и др. Биохимическая in vitro диагностика и направленная доставка лекарственных препаратов in vivo на основе магнитных наночастиц. СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ VII СЪЕЗДА БИОФИЗИКОВ РОССИИ: в 2 томах, том 2 - Краснодар: Типография ФГБОУ ВО "КубГТУ", 2023. - Стр. 144-145. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7539711B2 (en) | Ultrabright fluorescent nanoconstructs as versatile enhancers | |
| Volkov | Quantum dots in nanomedicine: recent trends, advances and unresolved issues | |
| Xie et al. | Medical applications of surface-enhanced Raman scattering | |
| CN101978254B (en) | Analyte Detection Using Metal Nanoparticle Probes and Dynamic Light Scattering | |
| Cordina et al. | Reduced background autofluorescence for cell imaging using nanodiamonds and lanthanide chelates | |
| JP2017079634A (en) | Method for detecting a target cell in a biological sample | |
| US20120164717A1 (en) | Identity profiling of cell surface markers | |
| Jacob et al. | Nanoparticles and nanosized structures in diagnostics and therapy | |
| Turan et al. | A fluoroimmunodiagnostic nanoplatform for thyroglobulin detection based on fluorescence quenching signal | |
| Mahfoud et al. | Detection of ErbB2: nanotechnological solutions for clinical diagnostics | |
| KR101692052B1 (en) | Methods for Detecting Circulating Tumor Cells and Stem-like Circulating Tumor Cells Using Surface-Enhanced Raman Scattering and Systems Using Thereof | |
| WO2021145796A2 (en) | Method of determining analyte content in a sample with the aid of a nanoparticle-based agent and a recognition oligonucleotide | |
| RU2846033C1 (en) | Method for optically controlled theranostics using mps-cytoblockade | |
| RU2850090C1 (en) | Method for conducting cytometric bioluminescent analysis of cell samples | |
| Kurihara et al. | Water-dispersible carboxymethyl dextran-coated melamine nanoparticles for biosensing applications | |
| Chang et al. | Luminescent nanomaterials (II) | |
| Sa et al. | Recent advances in aptamer-based nanomaterials in imaging and diagnostics of cancer | |
| Lee et al. | In vitro dual detection of GNPs conjugated rabbit IgG using anti-IgG anchored calcein green fluorescent LC microdroplets | |
| JP2017079635A (en) | Carrier for capturing tumor cell | |
| RU2815436C1 (en) | Method for catalytic decomposition of hydrogen peroxide using silver nanowires | |
| RU2808717C1 (en) | METHOD OF MEASURING pH BASED ON SILVER NANOWIRES | |
| RU2808559C1 (en) | Method of solid-phase catalytic analysis of analyte content in sample using silver nanowires | |
| RU2835203C1 (en) | Method for microscopic analysis of a cell sample | |
| RU2835213C1 (en) | Method for cytometric analysis of a sample | |
| RU2836697C1 (en) | Method of competitive enzyme immunoassay for detecting an analyte in a sample using multimodal nanoparticles |