НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) чл. корр. РАН, С. Г. Псахье, д. т. н. , М. И. Лернер Взаимодействие наноразмерных и низкоразмерных структур с биологическими объектами: применение в медицине Докладчик: М. И. Лернер

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ПРОБЛЕМА 1 • От небезопасной питьевой воды погибло больше людей, чем за все войны вместе взятые (United Nations Human Development Report - 2006). • 80 % всех инфекционных заболеваний связано с некачественной водой. • Очищенная от микроорганизмов вода жизненна необходима как в быту, так в промышленности. ПРОБЛЕМА 2 • Мощное действие антибиотиков, убивающих бактерии и замедляющих их рост, уменьшило количество чувствительных штаммов, приведя к распространению резистентных микроорганизмов. • Опасность представляет как распространение самих резистентных бактерий, так и перенос свойства резистентности от клетки к клетке. • Образование резистентных штаммов делает человечество беззащитным перед многими болезнями, которые в недавнем прошлом излечивались сравнительно просто.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ИНФОРМАЦИЯ • Почти 75 % больничных палат заражены метицилин-резистентными штаммами золотистого стафилококка (Mc. Caughey B. Coming Clean // NY Times. ‑ June 6 th, 2005). • Около 2 млн человек в год погибает от внутрибольничных инфекций (Klevens RM et al. Estimating health care-associated infections and deaths in U. S. hospitals // Public Health Reports. ‑ V. 122. ‑ 2007. ‑ P. 160‑ 166). • 30 % случаев заражения синегнойной палочкой не поддается лечению имеющимися на рынке препаратами (Кризис антибиотикотерапии, или Где искать решение проблемы // Фармацевтический вестник. ‑ № 31. ‑ 2009). • В хирургических и ожоговых стационарах 80‑ 100 % штаммов энтеробактерий и грамотрицательных бактерий, включая синегнойную палочку, проявляют клиническую устойчивость к риванолу, фурациллину, хлорамину, цетилпиридинийхлориду, этонию и декаметоксину (Handbuch der Antiseptik. ‑ Berlin: Veb. Verlag Volk und Gesundheit, 1984). • 77– 88% штаммов золотистого и коагулазоотрицательных стафилококков устойчивы к фурацилину и хлорамину (Handbuch der Antiseptik. ‑ Berlin: Veb. Verlag Volk und Gesundheit, 1984).

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ТАКИМ ОБРАЗОМ • Антибиотикоустойчивость - глобальная проблема, которая стала основной темой для обсуждения на Всемирном дне здоровья 2011 года, проводимом ВОЗ. • Активно ведется поиск способов воздействия на вирусы и бактерии основанных на новых принципах. • Основа разработанного в ИФПМ СО РАН физического принципа воздействия - использование поверхностного заряда микроорганизмов. • Отрицательный электрический потенциал поверхности микробной клетки в основном определяется карбоксильными группами сиаловых кислот, входящих в состав надмембранного матрикса.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПОДХОДЫ • Электроположительные природные и синтетические антимикробные пептиды разрушающие клеточную мембрану. • Электроположительная полимерная структура, которая под воздействием электростатических сил притягивается к клеткам и прорывает их мембраны (IBM and Institute of Bioengineering and Nanotechnology). • Электроположительные наночастицы кремния (Россия, США).

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ПРЕДЛАГАЕМОЕ РЕШЕНИЕ Сорбция микроорганизмов из водных сред и биологических жидкостей при помощи электроположительных низкоразмерных структур.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ Полученные результаты фундаментальных исследований позволяют решать глобальные проблемы: • получение воды свободной от микробиологических загрязнений (эффективность удаления бактерий и вирусов не менее 99, 9999%); • возможность лечения раневых инфекций без применения антибиотиков и антисептиков.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» СИНТЕЗ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР Наночастицы Al/Al. N Электроположительные структуры Al. OOH + Al(OH)3 Дзета – потенциал электроположительных структур оксигидроксида алюминия - до +100 m. V

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» «СТРУКТУРА» СОРБЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Нанесенные на полимерную матрицу низкоразмерные структуры оксигидроксида алюминия Образцы материала

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ МАТЕРИАЛОМ ИЗ ВОДНОЙ СРЕДЫ Образец Микроорганизм Исходная концентрация, КОЕ/мл Текущая концентрация, КОЕ/мл 0, 5 ч 3 ч 6 ч 24 ч 72 ч № 1 E. coli 107 300 132 20 0 0 Контроль E. coli 107 300 300 № 2 St. aureus 107 300 230 2 Контроль St. aureus 107 300 300 № 3 P. aeruginosa 107 300 0 0 Контроль P. aeruginosa 107 300 300 № 4 P. vulgaris 107 300 45 0 Контроль P. vulgaris 107 300 300

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» СОРБЦИЯ ЭНДОТОКСИНОВ Испытуемый раствор Дистиллированная вода до фильтрации Наличие эндотоксина, ЕЭ/мл 0, 24 Проба после фильтрации 50 мл раствора эндотоксина менее 0, 3 Проба после фильтрации 120 мл раствора эндотоксина менее 0, 3 Проба после фильтрации 200 мл раствора эндотоксина менее 0, 3 Проба после фильтрации 250 мл раствора эндотоксина менее 0, 3 Проба после фильтрации 300 мл раствора эндотоксина менее 0, 3 Проба после фильтрации 450 мл раствора эндотоксина менее 0, 3 Фильтрация через дисковый фильтр 13 см 2

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ • Сепарация макромолекул, иммобилизация ферментов и клеточных культур. • Микробиологический анализ водных растворов. • Системы для получения чистой воды в фармацевтических производствах. • Стерилизующая фильтрация инъекционных и других растворов в медицинских учреждениях. • Системы концентрирования биомолекул в физиологических жидкостях перед электрофорезом или иммуноэлектрофорезом в клинических лабораториях для ранней диагностики заболеваний. • Ультрафильтрационные системы для концентрирования и извлечения вирусов и микроорганизмов, фильтрационные системы для пробоподготовки.

EXPO-2008 «Water for Life» Zaragoza, Spain June 14 – September 14, 2008 Tomsk exposition

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (модель инфицированной раны) Эксперимент проводился при комнатной температуре. В чашку с агаром вносили 20 мл микробной взвеси (E. Coli) с концентрацией 103 КОЕ/мл. 1 – образец сорбционного материала модифицированного серебром; 2 – сплошной рост микроорганизмов на агаре; 3 – место контакта материала с агаром через 48 часов.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ПОВЯЗКИ ДЛЯ РАНЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ • Модификация низкоразмерных структур наночастицами Ag. • Синтез композиционных частиц состава Al/Al. N/Me, где Me - Cu, Zn, Fe. • Синтез сорбентов для удаления микроорганизмов из ран и подавления их размножения в объеме материала. • Создание антимикробных повязок на основе модифицированных сорбентов. Низкоразмерные структуры оксигидроксида алюминия модифицированные наночастицами серебра

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» КОМПОЗИЦИОННЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ Наночастицы состава Al/Al. N/Zn Спектр 1 Спектр 2 Спектр 3 Спектр 4 Al, % ат. 4. 91 29. 45 9. 43 47. 80 Zn, % ат. 88. 03 66. 04 74. 34 42. 76 Наночастицы состава Al/Al. N/Cu Спектр 1 Спектр 2 Al, % ат. 68. 15 57. 42 Cu, % ат. 24. 14 17. 15 Спектр 3 58. 79 18. 80 Спектр 4 46. 36 24. 35

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕКУРСОРОВ СAl в прекурсоре, % Sуд прекурсора, м 2/г Sуд продуктов окисления, м 2/г Al/Al. N/Zn 50 14, 8 229 Al 2 O 3, Al. OOH, Zn. O Al/Zn 50 11, 8 233 Al 2 O 3, Al. OOH, Zn. O Al/Zn 35 7, 0 208 Al 2 O 3, Al. OOH, Zn. O Al/Zn 15 7, 0 104 Al 2 O 3, Zn. O Al/Al. N/Сu 50 12, 3 182 Бёмит, Байерит, Cu 2 O, Cu. O 2, Cu Al/Al. N/Fe 50 6, 3 125 Нанопорошок Фазовый состав продуктов окисления - Низкоразмерные структуры оксигидроксида алюминия модифицированные наночастицами оксида меди

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ИЗ ВОДНОЙ СРЕДЫ Количественную оценку антимикробной активности образцов проводили на культуре E. coli 7935 in vitro тест − методом AATCC 100– 2004, исходная концентрация микроорганизмов 2 × 103 КОЕ/мл. Прекурсор Среднее значение, КОЕ/мл Время контакта 0, 5 ч Al/Al. N/Zn Al/Al. N/Cu Al/Al. N/Fe Al/Al. N (Ag) Al/Al. N 24 ч 300 10 100 21 100 0 0 530 Примечание: сорбент нанесен на микроволокна полимерного материала Вывод: максимальным антимикробным действием обладают наноструктурные материалы на основе Al/Al. N/Cu

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» БЕЗОПАСНОСТЬ • • Перевязочный материал не оказывает заметного аллергизирующего, раздражающего, иммунотоксического и цитотоксического действия. Проведено изучение мутагенной активности : перевязочный материал не увеличивает уровень цитогенетических нарушений в клетках костного мозга у мыши линии СВА/Ca. Lac и частоту появления самок с мутациями у дрозофилы. Накожное применение перевязочного материала крысам и кроликам в течение одного месяца не показало гибели животных и патологических изменений их общего состояния, динамики общей массы и функциональной активности изученных внутренних органов и систем. Макроскопическое и микроскопическое исследование внутренних органов животных не выявило каких-либо патологических изменений по сравнению с контролем.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» КЛИНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ Диагноз: Ожог головы IIIБ степени. Отказ от трансплантации кожи, сокращение времени лечения 80 суток Стандартные сроки лечения 150 -180 суток Диагноз: Рецидивирующая рожа Прогноз – Неблагоприятный. Результат: Заживление 95% 12 суток Пандактилит I пальца правой кисти Прогноз: неблагоприятный (ампутация) 15 суток

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ТЕСТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА • Федеральное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор", Кольцово, РФ. • Вирусологическая лаборатория Центра гигиены и эпидемиологии Томской области, РФ. • Аккредитованный испытательный лабораторный центр Противочумной станции Федерального медико-биологического агентства России, Оболенск, РФ. • ФГБУ "НИИ ЭЧ И ГОС ИМ. А. Н. Сысина" МИНЗРАВСОЦРАЗВИТИЯ РФ. • Испытательная лаборатория ЗАО «МЕТТЭМ-Технологии» , Москва, РФ. • Vietnam Institute for Water Resources Research, Вьетнам. • National Institute of Virology, Индия. • Kitasato Research Center of Environmental Sciences, Япония. • Water Research Institute, Словения

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ТЕСТИРОВАНИЕ ПЕРЕВЯЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА • Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск. • НИИ онкологии СО РАМН, г. Томск. • Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова, г. Санкт-Петербург • Клинический центр стоматологии ФМБА России, г. Москва. • Испытательная лаборатория ФГУ «НИИ ФХМ» ФМБА РФ, г. Москва. • ГБОУ ДПО «Российская образования» , г. Москва. медицинская академия последипломного • ЦИТО Травматологии и ортопедии им. Н. Н. Пирогова, г. Москва. • ФГУ ГНИЦ ПМ Росмедтехнологий, г. Москва. • ФГБУ «Институт хирургии им. А. В. Вишневского» , г. Москва. • Госпитальная клиника им. Савиных А. Г. Сиб. ГМУ, г. Томск; • Городская клиническая больница № 3, г. Саратов; • Центральная клиническая больница Ханоя, Вьетнам; • Центральная больница Мумбая, Индия; • Клиника хирургии, Сеул, Южная Корея.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ЗАКЛЮЧЕНИЕ • Разработанные в ИФПМ СО РАН в течение последних 12 лет подходы к направленному воздействию на микроорганизмы с помощью с низкоразмерных электроположительных структур показали их высокую эффективность и практическую значимость. • Развитие данного направления является перспективным для решения актуальных проблем медицины и биотехнологий. • Интеллектуальная собственность (фильтровальный материал) Зарубежные патенты: 5; патенты РФ: 13 • Интеллектуальная собственность (перевязочный материал) Зарубежные патенты: 4; Патенты РФ: 2 • Работы выполнялись в ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке программ РАН и отделений РАН, междисциплинарным проектам СО РАН, РФФИ, Федеральным целевым программам • Организация опытно-промышленного производства ведется в рамках сотрудничества с ОАО «ФНПЦ «Алтай»

Спасибо за внимание! Лернер Марат Израильевич д. т. н. , зав. лабораторией физикохимии высокодисперсных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН 634021 г. Томск, пр. Академический 8/2 Тел. (3822) 492619, факс (3822) 491726. e-mail: lerner@ispms. tsc. ru

Электроположительные свойства Зависимость дзета-потенциала частиц оксигидроксида алюминия от количества адсорбированного бактериофага MS 2 на их поверхности. Зависимость величины дзета потенциала частиц оксигидроксида алюминия от ионной силы раствора; СKCl — концентрация KCl в растворе, моль/л.

Основные стадии изготовления материала Нанесение суспензии наночастиц Формирование низкоразмерных структур, прессование Готовый материал

Водоочистители Aqua. Vallis

Нанофильтровальный материал Aqua. Vallis – это новый композитный материал на основе полимерных микроволокон с нано-активными центрами сорбции вирусов и бактерий. На фильтровальный материал Aqua. Vallis получен гигиенический сертификат, разрешающий его применения в системах очистки питьевой воды.

Нанофильтровальный материал Aqua. Vallis Фильтровальный материал CUNO (2 mm толщина) MILLIPORE (мембрана с размером пор 25 nm) Aqua. Vallis (2 mm толщина ) Скорость фильтра-ции, см/сек Эффективность сорбции бактериофага MS 2, % Цена, USD/m 3 1. 0 99. 0 720 000 0. 003 100 511 000 – 2 980 000 (removes particles with size 25 nm) 1. 0 99. 99 – 100 300 000 Aqua. Vallis фильтровальный материал удовлетворяет требованиям управления по охране окружающей среды и Оборонным спецификациям США, предъявляемым к микробиологическим водоочистителям.

Заключение • • Разработан фильтровальный материал для удаления бактерий и вирусов из водных сред с эффективностью 99, 99 %. Фильтры на основе материала пригодны для использования для стерилизации водных сред в фармацевтической промышленности и в медицине. Разработан антисептический материал нетоксического действия - в составе материала отсутствуют антибиотики и антисептики; механизм действия материала основан на электропозитивной сорбции, в том числе и резистентных штаммов микроорганизмов из раны, и последующей их дезактивации в объеме материала. Клиническое применение материала показало его высокую эффективность в отношении лечения инфицированных ожогов II-III степени, пролежней, трофических язв, рожистых воспалений, ведения инфицированных хирургических и бытовых ран. • Работы выполнялись в ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке программ РАН и отделений РАН, междисциплинарным проектам СО РАН, РФФИ, Федеральным целевым программам • Организация опытно-промышленного производства ведется в рамках сотрудничества с ОАО «ФНПЦ «Алтай» Интеллектуальная собственность (фильтровальный материал) Зарубежные патенты: 5; патенты РФ: 13 Интеллектуальная собственность (перевязочный материал) Зарубежные патенты: 1; Патенты РФ: 2