РФФИ №20-57-7804 «Мультифункциональный Lung-on-Chip с использованием акустоэлектронных элементов для изучения вирусных заболеваний и перепрофилирования антивирусных препаратов»
Руководитель: д.ф.-м.н. Анисимкин В.И.
Целью международного междисциплинарного проекта является моделирование на основе концепции «Лаборатория на чипе» (Lab-on-Chip, LoC) физиологической микросреды дыхательных путей «Легкое на чипе» (Lung-On-Chip) и исследование в режиме реального времени ключевых функциональных параметров с помощью специализированных датчиков. Фундаментальной задачей исследования являлось исследование процессов взаимодействия акустических полей с биологическими объектами в микрофлюидных устройствах типа «лаборатория на чипе» для биосенсорных применений. Прикладная задача проекта заключается в исследовании влияния потенциально эффективных против SARS-COV-2 лекарственных препаратов на барьерные свойства эпителиальных клеток, иммобилизованных в разрабатываемом микрофлюидном устройстве.
Для достижения поставленной цели были выполнены следующие работы: разработано и создано скомбинированное с акустическими линиями задержки микрофлюидное устройство; разработана и создана микрофлюидная ячейка, скомбинированная с микроэлектродной структурой, для кондуктометрических исследований влияния электрического поля на капиллярное течение биологических жидкостей в присутствии акустического поля; разработаны методы обнаружения и исследования клеточных объектов в биологических жидкостях при помощи созданных микрофлюидных устройств; исследована проницаемость, электрическое сопротивление и плотные контакты клеточных барьеров; выбраны и исследованы различные лекарственные препараты с потенциальным противовирусным эффектом к SARS-COV-2 на барьерные свойства эпителиальных клеток иммобилизированных в разрабатываемое микрофлюидное устройство (Lung-оn-Chip).
В результате выполнения работ совместно с Итальянской командой были разработаны микрофлюидные устройства, скомбинированные с акустическими линиями задержки и с микроэлектродной структурой для кондуктометрических измерений. Были разработаны различные топологии микрофлюидных устройств и проведено теоретическое исследование ее влияния на характеристики акустических волн различных типов. Были получены шаблоны микроэлектродной структуры для кондуктометрических измерений в микрофлюидной ячейке с использованием технологии Итальянской команды и выбраны перспективные лекарственные препараты с потенциальным противовирусным эффектом к SARS-COV-2 для использования в дальнейших исследованиях в рамках проекта.
Было проведено исследование влияния электрического поля на капиллярное течение биологических жидкостей в присутствии акустического поля. В результате были получены: характеристики акустических волн различной поляризации, распространяющихся пьезоэлектрических пластинах в контакте с микрофлюидными ячейками и предложено использовать антисимметричную волну Лэмба в 128YX пластине ниобата лития для реализации комбинированного микрофлюидного устройства. Показана возможность увеличения концентрации акустического поля пьезоактивной волны в области контакта микрофлюидного канала с пьезоэлектрической пластины. Установлено, что для увеличения скорости потока жидкости вблизи стенок канала и уменьшения гидродинамической дисперсии жидкости с целью получения ламинарного потока с малым гидродинамическим сопротивлением предложено использовать совокупность гидрофобизации и гидрофилизации поверхности каналов.
Были разработаны методы обнаружения и исследования клеточных объектов в биологических жидкостях при помощи созданных микрофлюидных устройств. Было предложено сочетание методов машинного обучения с анодной вольтамперометрией для повышения аналитической точности количественного определения ионов тяжелых металлов в средах для культивирования клеток. Показана возможность выявления присутствия биологических объектов как в жидких средах, так и в гидрогелях на основе агарозы различной концентрации при помощи акустоэлектронных линий задержки.
Были исследованы проницаемость, электрическое сопротивление (TEER) и плотные контактов клеточных барьеров эпителиальных слоев, созданных Итальянской и Российской командами. На основе разработанного микрофлюидного устройства типа «Лаборатория на чипе» исследовано переходное трансэпителиальное электрическое сопротивление (TEER) барьерообразующих клеток, выращенных на пористых мембранах. Показано, что на основе разработанной методики и микрофлюидного устройства типа «Лаборатория на чипе» можно осуществлять в режиме реального времени мониторинг состава электролита, а также отслеживать функциональное состояние эпителиального клеточного слоя.
Были подобраны лекарственных препаратов с потенциальным противовирусным эффектом к SARS-COV-2 и исследовано их влияние на барьерные свойства эпителиальных клеток иммобилизированных в микрофлюидное устройство (Lung-оn-Chip). Таким образом, перспективными препаратами, имеющими определенную доказательную базу своего применения при COVID -19, нам представляются риамиловир, фавипиравир, кларимтромицин как самостоятельно, так и в комплексе с препаратами патогенетической противовоспалительной терапии коронавирусной инфекции (глюкокортикостероиды, ингибиторы JAK-киназ, блокаторы IL-6 и IL-6R, низкие концентрации алкилирующих соединений). Представляется важным исследовать влияние на клеточные культуры этих препаратов в концентрациях, достижимых в организме человека при стерильном моделировании воспалительного ответа, характерного для инфицирования SARS-COV2.
Были разработаны и исследованы модели дыхательного легкого человека на чипе на основе биомиметической стратегии, которая учитывает интегрированные биологические, механические структуры и биохимические функции живого легкого является актуальным современным инновационным направлением, имеющим важное фундаментальное и прикладное значение, как для получения новых знаний о тканеклеточной физиологии, а также для медицинской и фармацевтической практики. Показано также, что для создания микрофлюидных микрочипов и дальнейших экспериментов с живыми культурами альвеолоцитов и бронхиального эпителия необходимо использовать мембраны на основе MCE, фильтра Флёрова, пористого этилена и/или PTFE. Мембраны на основе бактериальной целлюлозы и Al2O3 не подходят для этой цели, поскольку характеризуются низкой адгезивной способностью, цитотоксичностью и слабыми механическими свойствами.
Публикации:
- A. Smirnov, V. Anisimkin, E. Shamsutdinova, M.-A. Signore, L. Francioso, K. Zykov, V. Baklaushev,
I. Kuznetsova // Acoustic Waves in Piezoelectric Layered Structure for Selective Detection of
Liquid Viscosity // Sensors 2023, 23, 7329. https://doi.org/10.3390/s23177329 - I. Kuznetsova, I. Nedospasov, A. Smirnov, V. Anisimkin, D. Roshchupkin, M.-A. Signore, L.
Francioso, J. Kondoh, M. Serebrov, V. Kashin, V. Kolesov // The Peculiarities of the Acoustic
Waves of Zero-Order Focusing in Lithium Niobate Plate // Sensors 2021, 21, 4000.
https://doi.org/10.3390/s21124000 - Dmitry A. Skladnev, Vladimir V. Sorokin // Methods for Studying Parameters Biogenic Metal
Nanoparticles, Formed in situ // RENSIT: Radioelectronics. Nanosystems. Information
technologies | 2022 | Vol. 14 | No. 4 - S. Tarasov, Y. Plekhanova, V. Kashin, P. Gotovtsev, M.-A. Signore, L. Francioso, V. Kolesov, A.
Reshetilov // Gluconobacter Oxydans-Based MFC with PEDOT:PSS/Graphene/Nafion Bioanode
for Wastewater Treatment // Biosensors 2022, 12, 699. https://doi.org/10.3390/bios12090699 - F. Biscaglia, A. Caroppo, C. T. Prontera, E. Sciurti, M.- A. Signore, I. Kuznetsova, A. Leone, P. Siciliano, L.
Francioso // A Comparison between Different Machine Learning Approaches Combined with Anodic
Stripping Voltammetry for Copper Ions and pH Detection in Cell Culture Media // Chemosensors 2023,
11, 61. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010061 - M.A. Signore, L. Velardi, C. De Pascali, I. Kuznetsova, L. Blasi, F. Biscaglia, F. Quaranta, P. Siciliano, L.
Francioso // Effect of silicon-based substrates and deposition type on sputtered AlN thin films: Physical
& chemical properties and suitability for piezoelectric device integration // Applied Surface Science 599
(2022) 154017