Заведующий лабораторией:д.х.н., профессор Курочкин Илья Николаевич
Телефон отдела:8 (499) 137-64-20
Почта:director@sky.chph.ras.ru
Комната:315
Лаборатория химической физики биоаналитических процессов была создана в 2015 году в результате объединения нескольких лабораторией Института: лаборатории теоретической генетики (зав. лаб., д.б.н. С.В. Васильева), лаборатории нейролипидологии (зав. лаб, д.б.н., проф. А.В. Алесенко), лаборатории постгеномных молекулярно-генетических исследований (зав. лаб., д.б.н. В.В. Носиков) и сотрудников, непосредственно работающих с И.Н. Курочкиным по разработке биосенсоров и биоаналитических систем.
Лаборатория создана с целью создания комплексной, многопрофильной биоаналитической платформы для исследования различных химических, физических и биологических процессов. Основные научные направления лаборатории:
Разработка биосенсоров и биоаналитических систем рассматривается в лаборатории как комплексная научно-техническая задача. В связи с многообразием поставленных задач лаборатория объединяет биологов, генетиков, биохимиков, биофизиков, химиков, физиков, математиков, инженеров, которые совместно решают фундаментальные и прикладные проблемы химической физики биоаналитических процессов. В состав лаборатории входят следующие сотрудник: зав. лаб. Курочкин И.Н., главные научные сотрудники: В.В. Носиков, С.В. Васильева, А.В. Алесенко; вед.н.с. А.В. Еременко; старшие научные сотрудники: И.А. Ефремов, А.Г. Никитин, С.Н. Подойницын; научные сотрудники: Т.М. Заварыкина, И.А. Будашов, У.А. Гутнер, М.А. Шупик, Н.Л. Нечаева, М.В. Аткарская, Р.Р. Гулиев, Е.Г. Евтушенко; младшие научные сотрудники: О.А. Малошицкая, Д.М. Мазур, М.С. Петрищева, А.М. Бурденный, Н.Н. Дурманов, А.Ю. Сунцова, О.М. Сунцова, С.В. Янович; главные специалисты: А.В. Ковалев, В.Д. Холмогоров, В.В. Моргунов, О.В. Константинов.
Одной из групп биохимического направления является группа липидологии под руководством доктора биологических наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ Алисы Владимировны Алесенко. В состав группы входят также: н.с., к.б.н. У.А. Гутнер, н.с., к.б.н. М.А. Шупик; н.с., к.х.н. О.А. Малошицкая; м.н.с., к.х.н. Д.М. Мазур.
Основным направлением работ группы является поиск маркеров липидной природы, позволяющих диагностировать раннюю стадию нейродегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваний и использовать их для мониторинга эффективности лечения этих патологий. Данные исследования развивают новые направления нейронауки и кардиологии, такие как нейролипидология и кардиолипидология, которые осуществляются в России только этим коллективом.
В последнее десятилетие значительно возрос интерес к изучению роли липидов в патогенезе сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний. Особое внимание привлекают сфинголипиды, т.к. ряд из них участвует в процессинге и олигомеризации β-амилоидного пептида, альфа-синуклеина, в нарушении синаптической функции и индукции апоптоза клеток нервной системы при заболеваниях ЦНС. Сфинголипиды также участвуют в патогенезе различных сердечно-сосудистых заболеваний. Изучение роли сфинголипидов при развитии болезни Альцгеймера (БА) и Паркинсона (БП) проводится методами высокоэффективной тонкослойной хроматографии и хромато-масс-спектрометрии на инъекционной и генетической моделях у животных и спорадической форме у человека, а также на модели бокового амиотрофического склероза (БАС). БАС – неизлечимое нейродегенеративное заболевание, характеризующееся селективной дегенерацией верхних и нижних двигательных нейронов (двигательных нейронов спинного мозга, моторной коры и ствола головного мозга). Особое направление составляет исследование функциональной роли сфинголипидов в процессе развития атеросклероза и ишемической болезни сердца. Изучается влияние препаратов, обладающих нейропротекторными и кардиопротекторными свойствами на изменение метаболизма сфинголипидов в плазме пациентов с БА, БП и сердечно-сосудистыми патологиями. Ведется поиск новых эффективных препаратов, способных корректировать липидный метаболизм при исследуемых заболеваниях. Проведение этих исследований позволяет определить новую группу маркеров липидной природы соответствующего заболевания и использовать их для мониторинга эффективности лечения патологий ЦНС и сердца.
Новейшие достижения научного коллектива под руководством доктора биологических наук, профессора, заслуженного деятеля науки Светланы Васильевны Васильевой связаны с изучением молекулярно-генетических механизмов биологической активности газотрансмиттеров - их сигнальной и антиоксидантной активности. За последнее десятилетие открыты явления индукции оксидом азота ДНК SOS и quasi- Ada репарационных ответов, установлены молекулярные механизмы NO- катализируемой деструкции кластеров железо-серных белков – главных клеточных мишенях в сигнальной передаче во всех биосистемах. Экспериментально обоснована собственная гипотеза о роли H2S как медиатора сигнальных функций оксида азота в защите клеток от стрессов и ее вкладе в установление общих закономерностей глобальной биологической активности малых молекул газов - газотрансмиттеров. Создана комплексная про-/эукариотическая экспресс тест-система для индикации окислительного стресса различными внешними воздействиями на организм, предложены способы его регуляции. Изучены фундаментальные основы применения доноров оксида азота для борьбы с возбудителями хронических инфекций семейства энтеробактерий микробиома человека, растущими планктонно или в составе биопленок, и в регуляции развития опухолевых процессов в клетках млекопитающих различных типов. В 2015 году опубликован обзор литературы по использованию доноров оксида азота для новых медицинских технологий в монографии изд-ва Макс Пресс « Биофизические медицинские технологии» в 2-х томах.
Под руководством главного научного сотрудника, доктора биологических наук Валерия Вячеславовича Носикова в группе постгеномных молекулярно-генетических исследований проводится изучение генетической предрасположенности к развитию и прогрессированию хронического гломерулонефрита (ХГН). У всех больных ХГН и лиц из контрольной группы идентифицированы полиморфные маркеры генов, участвующих в регуляции иммунного ответа и выраженности воспаления в ткани почек. Выявлен ряд ассоциаций полиморфных маркеров исследованных генов-кандидатов с особенностями клинической картины ХГН. Была изучена ассоциация с возникновением, прогрессированием, особенностями клинической картины и эффективностью иммуносупрессивной терапии хронического гломерулонефрита (ХГН) с использованием полиморфных маркеров G(-238)A гена TNF, G(-174)C гена IL6 и G(-1082)A гена IL10. Таким образом, полученные результаты позволяют обсуждать вклад ряда исследованных нами генов-кандидатов в развитие ХГН и определение особенностей его течения, а также выделить группы пациентов, у которых терапия может оказаться более (или, наоборот, менее) эффективной. Проведение этого исследования позволит установить уровень ассоциации этих генов с хроническим гломерулонефритом (ХГН). Успешная реализация предлагаемого проекта позволит разработать новые диагностические подходы, а также индивидуализировать подход к терапии и ведению каждого конкретного пациента.
Важным разделом прикладных ДНК-исследований группы профессора В.В. Носикова являются работы в области криминалистики и судебной медицины, в частности, идентификации личности по следовым биологическим образцам, установления различных отдаленных и неочевидных степеней родства, а также определения гаплогрупп обследуемых лиц. Осуществляются научные проекты, направленные на исследование гаплогрупп митохондриальной ДНК и Y-хромосомы (именно в русской популяции), которые могут быть эффективно использованы для идентификации личности в рамках гражданских и уголовных экспертиз, связанных с исследованием биологического материала самого разного происхождения и степени сохранности.
Группой под руководством к.б.н. Т.М. Заварыкиной проводятся молекулярно-генетические исследования в области молекулярной онкологии и трансляционной медицины, целью которой является внедрение данных фундаментальной науки в практическую онкологию. Одним из актуальных направлений в этой области является изучение риска возникновения злокачественных опухолей. К настоящему времени уже выявлены десятки драйверных мутаций, однако, учитывая генетическую гетерогенность опухолей, актуальной и необходимой задачей является поиск новых мутаций, определяющих прогрессию опухолей, и возможных терапевтических мишеней для выработки оптимальной терапии опухолей. Одной из целей современной клинической онкологии является развитие персонифицированного подхода в лечении онкологических пациентов. Это делает актуальным поиск и изучение маркеров эффективности лечения онкологических больных, так как химиотерапевтические препараты отличает высокий уровень токсичности, тогда как у ряда пациентов наблюдается резистентность опухоли к проводимой химиотерапии. Научной группой проведены исследования полиморфных молекулярно-генетических маркеров риска развития рака легкого, рака верхних дыхательных путей, рака молочной железы и рака яичников. Анализ полиморфных маркеров в образцах крови и ткани проведен методом ПЦР-ПДРФ (полиморфизм длин рестрикционных фрагментов). Выявлено статистически значимое повышение риска развития рака яичников (в 2 раза) у носителей аллеля Arg маркера Gln399Arg гена XRCC1 (репарации ДНК) Можно полагать, что этот ген, являющийся одним из генов эксцизионной репарации, участвует в патогенезе рака яичника и является одним из звеньев в цепи событий при развитии этого заболевания. Проводятся работы по изучению связи молекулярно-генетических особенностей опухоли рака яичников и тройного негативного фенотипа рака молочной железы с ответом на платиносодержащую химиотерапию. Работы группы в области молекулярной онкологии проводятся совместно ФГБУ «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава России, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова» Минздрава России, ФГБНУ «Научно-исследовательский институт общей патологии и патофизиологии», ФГБОУ ВО «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии – МВА имени К.И. Скрябина. Следует отметить, что в группе молекулярной онкологии активно работают студентки бакалавриата академии ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина (кафедра биохимии), успешно защищают дипломы бакалавров, участвуют в международных конференциях.
Важнейшим достижением лаборатории химической физики биоаналитических процессов за последние годы является создание нового класса высокодобротных композитных метаматериалов на основе периодических, тонкопленочных, нанодисперсных структур металла и диэлектрика в оптической области электромагнитного спектра. Предложены новые нанокомпозитные метаматериалы на основе нано- и микроразмерных высокодобротных плазмонных и диэлектрических резонаторов. Такие метаматериалы реализуют возможность фокусировки гигантских электромагнитных полей на их поверхности и селективного усиления сигнала комбинационного рассеяния света в 104-108 раз на выбранной частоте, с одной стороны, и прочную адсорбцию анализируемых молекул, с другой. Предложенные структуры позволяют начать разработку не имеющих аналогов в мире высокочувствительных биоаналитические систем на основе ГКР для определения низких концентраций биологических и химических веществ. В группе спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) (н.с. Н.Л. Нечаева, м.н.с. Н.Н. Дурманов, н.с. Р.Р. Гулиев, н.с., к.б.н. И.А. Будашов) проведены исследования ГКР спектров ряда микробиологических объектов и физиологически активных веществ на поверхности тонкопленочных оптических метаматериалов различной структуры и выявлены закономерности проявления стоксовых сдвигов в спектрах ГКР при изменении характеристик метаматериала с целью повышения специфичности определения выбранных аналитов. Осуществлен экспериментальный поиск методов модификации метаматериалов на основе диэлектрических резонаторов, структурами, содержащими плазмонные резонаторы на основе наноразмерных частиц золота и серебра, с целью дополнительного повышения интенсивности сигналов ГКР. Проведено исследование возможностей создания специфических сенсоров на основе оптических метаматериалов для определения эстеразного профиля организма и его изменений при воздействии на организм токсических соединений.
К важнейшим достижениям лаборатории следует отнести также создание в 2017 году (совместно с к.х.н. А.Н. Щеголихиным и д.б.н. А.Б. Шевелевым) прибора индикации и идентификации патогенных биологических агентов на основе спектроскопии комбинационного рассеяния и ИК-Фурье спектроскопии. Успешно проведены Государственные испытания созданного аппаратно-программного комплекса индикации и идентификации патогенных биологических агентов, согласно ГОСТ РВ 15.203-2001. Утверждена рабочая конструкторская документация для организации промышленного производства прибора литеры «О», согласно ГОСТ РВ 15.203-2001; Проведено исследование патентной чистоты опытного образца прибора, согласно ГОСТ Р15.011-96. Проведена регистрация нового типа средств измерений.
Исследования в области электрохимических биосенсоров проводятся под руководством ведущего научного сотрудника, кандидата физико-математических наук Аркадия Вениаминовича Еременко. В рамках направления создания электрохимических биосенсоров для экологического мониторинга разработана технология получения стабильного гидрозоля наночастиц γ-MnO2, имеющих гидродинамический радиус 60 нм. На основе полученного гидрозоля созданы высокочувствительные электрохимические медиаторные слои, позволяющие определять пероксид водорода и тиол-содержащие соединения. С использованием метода трафаретной печати на керамической подложке получены планарные сенсоры для анализа тиохолина, активности фермента бутирилхолинэстеразы (БХЭ) и ее ингибиторов (фосфорорганических пестицидов и карбаматов). Предел обнаружения для БХЭ и ее ингибитора диазинона составил 1·10-10 М и 1·10-9 М, соответственно. Разработанный подход позволил создать портативный анализатор нейротоксинов, который значительно упрощает проведение анализа ингибиторов БХЭ и может использоваться для контроля качества воды и экологического мониторинга. Эксплуатация таких сенсоров и анализатора проводится на базе Научного Центра Экологической Безопасности РАН в условиях мониторинга нейротоксичности водоемов в период вредоносного цветения водорослей и в системе Водоканала г. Санкт- Петербурга.
Вторым направлением работ в области электрохимических биосенсоров, развиваемым совместно с кафедрой химической энзимологии (Л.В. Сиголаева) и кафедрой высокомолекулярных соединений (Д.В. Пергушов) Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, является рациональный дизайн биосенсорной поверхности с привлечением разнообразных полимерных объектов, в частности изучение принципов формирования и свойств тонких (наноразмерных) полимер-ферментных пленок, а также создание на их основе улучшенных биосенсорных покрытий. Иммобилизация биомолекул в таких тонких пленках осуществляется за счет преимущественно электростатической адсорбции на поверхности, модифицированные слоем (слоями) полимеров. В рамках данного направления проводятся работы в следующих областях: функциональные полимеры для модификации поверхностей и создания биокомпозитных материалов и биосенсорных систем и интерполиэлектролитные комплексы на основе полиионных объектов нелинейной архитектуры. Основные научные результаты направления: продемонстрировано, что функциональные (рН- и/или термочувствительные) полимерные микрогели и сополимеры можно использовать для эффективной модификации поверхностей, пространственно-контролируемой иммобилизации биомолекул и создания улучшенных биосенсорных систем. Показана перспективность применения амфифильных ионогенных диблок-сополимеров для эффективной модификации поверхностей, формирования композитных материалов с гомогенно распределенными углеродными наноматериалами/биомолекулами и создания на их основе улучшенных биосенсорных систем.
В группе физико-химических методов исследования (н.с. Е.Г. Евтушенко), совместно с лабораторией постгеномной химии Химического факультета МГУ, методом сканирующей силовой микроскопии проводятся исследования структуры полимер-ферментных пленок, формируемых на поверхности электрода при изготовлении электрохимических биосенсоров. Метод анализа траекторий наночастиц используется как для изучения поведения используемых в лаборатории наноообъектов (полимерных микрогелей, мицелл диблок-сополимеров, наночастиц металлов, наночастиц MnO2 и др.) в коллоидных растворах, так и самостоятельно, для выявления методических аспектов работы с внеклеточными везикулами (экзосомы, микровезикулы), продуцируемыми клетками млекопитающих. Так, совместно с ФНКЦ Физико-химической медицины ФМБА России, был разработан подход, позволяющий «уравнять» условия осаждения везикул при их выделении из кондиционированных сред с использованием центрифужных роторов разной конструкции и геометрии. На основании работы создан онлайн-калькулятор http://vesicles.niifhm.ru/.
Отдельное внимание в работах лаборатории (С.Н. Подойницын, О.Н. Сорокина) уделяется исследованию влияния неоднородного электрического поля на величину усиления сигнала ГКР аналитов коллоидными частицами серебра. Показано, что внешнее градиентное электрическое поле может многократно усиливать сигнал гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), в том случае, когда смешивание регистрируемого аналита и золя серебряных наночастиц вызывает их коагуляцию. Теоретически рассмотрены механизмы воздействия электрического поля на коллоидные наночастицы путем диэлектрофореза (ДЭФ) наночастиц, приводящего к их концентрированию в области максимального электрического поля, и путем более интенсивной коагуляции коллоида благодаря дополнительному индуцированному диполь-дипольному притяжению наночастиц.
В нашем Институте идея объединения микрофлюидных технологий и лазерного детектирования на основе ГКР для создания портативной платформы экспресс-диагностики критических состояний прорабатывалась с 2009 года. Получение финансирования этого проекта по линии Фонда перспективных исследований (ФПИ) позволило в октябре 2016 года создать в Институте направление биосенсорных технологий на чипе, получить необходимое дополнительное оборудование и материалы и создать проблемную лабораторию биосенсорных технологий на чипе.
Важная часть работ лаборатории химической физики биоаналитических процессов направлена на изучение физико-химических закономерностей взаимодействия биомакромолекул и физиологически активных соединений с нанокомпозитными метаматериалами на основе высокодобротных плазмонных и диэлектрических резонаторов. Новые метаматериалы позволяют создать новую высокочувствительную биоаналитическую платформу, предназначенную для биозондирования важнейших метаболических показателей (уровень гликированных белков крови, уровень кардиомаркеров и концентрации активных метаболитов современных антитромботических препаратов), экотоксикантов, бактерий, вирусов и других биологических агентов. Совместно с лабораторией биосенсорных технологий на чипе уже созданы суперчувствительные биоаналитические системы для определения активности ферментов, их субстратов, вирусных и бактериальных частиц. Разработана технология создания «лаборатории на чипе» на основе мультимодальной оптической биосенсорной платформы для медицинской диагностики.
Следует отметить, что лаборатория химической физики биоаналитических процессов проводит комплексные научные исследования в тесном содружестве с многими лабораториями Института: лабораторией термодинамики биосистем (зав. лаб.- д.б.н., проф. М.А. Розенфельд), лабораторией нейрохимии (зав. лаб.- д.б.н. Г.Р. Каламкаров), лабораторией количественной онкологии (зав. лаб. – д.м.н., проф. Д.Б. Корман), группой тканевой инженерии (рук. группы – д.б.н. А.Б. Шевелев) лаборатории процессов фотосенсибилизации (зав. лаб.- д.х.н. В.А. Кузьмин), лабораторией электрофизики и радиофотоники композиционных материалов и наноструктур (зав. лаб.- к.ф.-м.н. С.Б. Бибиков).
В штат проблемной лаборатории биосенсорных технологий на чипе входили многие сотрудники ИБХФ РАН и других институтов, работающих в направлении биосенсорных технологий: А.В. Ковалев, В.Д. Холмогоров, И.Н. Курочкин, гл.н.с. Л.А. Островская; ведущие научные сотрудники: А.В. Еременко, В.А. Рыжиков; старшие научные сотрудник: С.Н. Подойницын, О.Н. Сорокина, А.Е. Бугрова, В.А. Рыкова, В.В. Моргунов, П.В. Агафонов, Н.А. Бызова; научные сотрудники: Т.С. Константинова, Богинская И.А., Н.Н. Дурманов, Е.Г. Евтушенко, А.Д. Васильева; младшие научные сотрудники: Н.А. Мануйлович, Н.Л. Нечаева, Л.В. Юрина, А.А. Мальцев; инженеры-исследователи: В.С. Иванов, Ю.Н. Маков, Н.С. Виноградов, Н.С. Покровский; специалист по патентоведению Т.Е. Кузьменко; старший лаборант Т.Н. Карасева.
Сотрудники проблемной лаборатории биосенсорных технологий на чипе, лаборатории химической физики биоаналитических процессов и других лабораторий Института совместно с коллегами из Института теоретической и прикладной электродинамики Российской академии наук (ИТПЭ РАН), Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова Российской академии наук (ИРЭ РАН) и Института биохимии имени А.Н. Баха РАН (ИНБИ РАН) разработали платформу для определения белков-маркеров на микрофлюидных чипах. Прототип позволял по одновременному определению нескольких маркерных белков в крови выдавать их концентрацию в течение десяти минут. Новое устройство, создаваемое в нашем Институте, призвано решить эту проблему. Пациента (или взятые у него пробы) для проведения анализа не придется доставлять в медицинские центры, поскольку прибор в портативном исполнении позволит провести диагностику в экспресс-режиме в любом медицинском учреждении, в автомобиле скорой медицинской помощи, в фельдшерском пункте и, при необходимости, даже в полевых условиях.
В 2018 году в сотрудничестве с ООО «Троицкий инженерный центр» была разработана Роботизированная установка для измерения в автоматическом режиме концентрации пяти белков - маркеров сердечной деятельности в сыворотке, цельной крови или плазме крови.
В начале 2019 года был успешно завершен основной этап проекта по созданию технологического демонстратора «лаборатории на чипе» на основе мультимодальной оптической биосенсорной платформы с использованием роботизированной системы. Демонстратор успешно прошел исследовательские испытания в присутствии представителей Федеральных органов исполнительной власти, в ходе которых проверена правильность выбранных технологических решений и подтверждены основные характеристики.
Научные исследования лаборатории поддержаны грантами Президиума РАН, РФФИ, РНФ, ФЦП «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2015-2020 годы)», Министерства здравоохранения РФ. Статьи сотрудников лаборатории И.Н. Курочкина, А.В. Еременко, Н.Л. Нечаевой, Н.Н. Дурманова, Р.Р. Гулиева, И.А. Богинской печатаются в таких высокорейтинговых международных журналах, имеющих импакт-фактор больше 5,0 и входящих в список ТОП-25% (Q1), как «SENSOR AND ACTUATORS, B: CEMICAL».
Молодые сотрудники лаборатории принимают активное участие в конкурсах научных работ Института. Так, на конкурсе научных работ имени Елены Борисовны Бурлаковой в 2017 году доклад младшего научного сотрудника Н.Н. Дурманова «Немаркированное селективное обнаружение вирусов с помощью новых SERS-активных пористых пленок из наночастиц серебра» получил высокую оценку и занял 2 место, а работа научного сотрудника Н.Л. Нечаевой «Количественное определение активности бутирилхолинэстеразы методом спектрометрии гигантского комбинационного рассеяния» - почетное 3 место.
Сотрудники лаборатории активно участвуют в научных конференциях, симпозиумах, съездах, семинарах и школах: ежегодной международной молодежной конференции ИБХФ-ВУЗы «Биохимическая физика» и молодежной школы «Современные проблемы биохимической физики», в организации и проведении междисциплинарных конференций «Наноплазмоника: химия, биология, медицина», Международной конференции "Биокатализ. Фундаментальные основы и применения», Международной конференции «BIOCATALYSIS-2019: FUNDAMENTALS and APPLICATIONS».
