Научные направления Института биомедицинских систем и биотехнологий

Коды ГРНТИ: 31.23.27

Руководитель направления: Рязанцев Михаил Николаевич, доктор хим. наук, директор НИК «Цифровые технологии в медико-биологических системах», профессор ВШБМСиТ, ryazantsev_mn@spbstu.ru

Ведущие учёные:

• Николаев Дмитрий Михайлович, ст. преподаватель ВШБМСиТ, nikolaev_dm@spbstu.ru
• Штыров Андрей Андреевич
• Метелкина Екатерина Михайловна

Актуальность исследований:

Современным трендом химической, фармацевтической, топливно-энергетической и медицинской промышленности является всё большее использование биологических систем и процессов. В связи с этим возникает задача разработки новых биосистем с заданными свойствами и функциями. Цифровой инжиниринг способен значительно ускорить и повысить эффективность их разработки. Цель проекта — создание программного комплекса для компьютерного инжиниринга белков, основанного на подходах in silico направленной эволюции и направленного дизайна с использованием атомистических моделей. В рамках программного комплекса будут реализованы решения, интегрирующие различные методы и алгоритмы, включая эволюционные алгоритмы, методы генеративного искусственного интеллекта, классического машинного обучения, атомистического моделирования и биоинформатики. Разработка комплекса будет осуществлена поэтапно. На каждом этапе для верификации полученных результатов будет проведен синтез и экспериментальная проверка свойств нового набора белков, предсказанного с использованием разработанных методов.

Научные результаты:

На данный момент разработан модуль для in silico направленной эволюции, который позволил получить новые генетически кодируемые инструменты для мониторинга мембранного потенциала. Созданы подходы и модули, позволяющие интегрировать результаты направленной эволюции и направленного дизайна.

Коды ГРНТИ: 76.09.41

Руководитель направления: Юдин Владимир Евгеньевич, доктор физико-математических наук, доцент, профессор Высшей школы биомедицинских систем и технологий, yudin_ve@spbstu.ru

Ведущие учёные:

• Дресвянина Елена Николаевна, к.т.н.
• Добровольская Ирина Петровна, д.ф.-м.н.

Актуальность исследований:

Обильное кровотечение остается одной из основных причин смерти пациентов в медицинских учреждениях как во время хирургических вмешательств, так и после их завершения, а также в полевых условиях. Хотя существуют разнообразные способы остановки кровотечений, местное применение гемостатических средств остается предпочтительным вариантом из-за удобства использования и местного эффекта. Тем не менее, на рынке отсутствуют универсальные гемостатические препараты, что создает необходимость дальнейшего совершенствования существующих средств. Отечественные аналоги заметно уступают иностранным продуктам по своим характеристикам. Прогнозы аналитической компании Data Bridge Market Research показывают, что мировой рынок гемостатических средств к 2029 году вырастет до 4,65 миллиардов долларов США, демонстрируя средний ежегодный рост (CAGR) около 6,85% в период прогноза.

Научные результаты:

Создан новый гемостатический материал на основе композиционных волокон хитозана, содержащего наполнитель в виде нанофибрилл хитина. Материал защищен патентом РФ № 2509091. Дополнительно разработана конструкция и технология получения биоразлагаемого биосовместимого волокна. Проведенные испытания in vivo подтвердили высокую эффективность нетканого материала из композиционных волокон. Например, на модели артериальной травмы бедренной артерии (a.femoralis) разработанный материал остановил кровотечение за 58,1 ± 8,5 секунд, что сравнимо с показателем популярного коммерческого препарата Surgicel (53,6 ± 7,0 секунды) и значительно превосходит показатель другого известного продукта TachoComb (78,7 ± 2,8 секунды).

Коды ГРНТИ: 76.09.41

Руководитель направления: Юдин Владимир Евгеньевич, доктор физико-математических наук, доцент, профессор Высшей школы биомедицинских систем и технологий, yudin_ve@spbstu.ru

Ведущие учёные:

• Добровольская Ирина Петровна, д. ф.-м. н.
• Попов Гурий Иванович, к. мед. н.

Актуальность исследований:

По современным медицинским данным продолжает расти заболеваемость сердечно-сосудистыми заболеваниями и онкологией. Основной метод лечения в сердечно-сосудистой хирургии — реконструктивные операции с использованием искусственных протезов или собственных сосудов пациента. Во многих случаях онкологического заболевания необходимо применять сосудистые трансплантаты для замены повреждённых участков крупных сосудов. В настоящее время отсутствует универсальный сосудистый трансплантат, безопасный и эффективный в длительной перспективе. Особенно остро эта проблема проявляется в детской хирургии, где имплантат должен изменять свою структуру параллельно росту ребёнка, чтобы исключить дополнительные травматичные операции.

Научные результаты:

Проведены успешные предварительные доклинические испытания образцов полимерной биодеградируемой матрицы в Научно-исследовательском институте медицинской приматологии в 2022 году.

Коды ГРНТИ: 76.09.41

Руководитель направления: Юдин Владимир Евгеньевич, доктор физико-математических наук, доцент, профессор Высшей школы биомедицинских систем и технологий, yudin_ve@spbstu.ru

Ведущие учёные:

• Добровольская Ирина Петровна, д.ф.-м.н.
• Попов Гурий Иванович, к.мед.н.

Актуальность исследований:

Повреждения периферических нервов восстанавливают хирургическим путём без использования имплантатов или трансплантатов только при небольшой длине повреждения (до 3 см). Если длина поражения превышает 3 см, простое соединение концов нервов невозможна из-за возникающего натяжения, негативно влияющего на регенерацию нерва. В таких ситуациях применяют различные типы трансплантатов либо специальные устройства в виде направляющих трубчатых кондуитов, облегчающих восстановление нервной ткани. Однако существующие трубки эффективны лишь при небольшом расстоянии между концами нервов. Чтобы решить данную проблему, ведутся интенсивные поиски новых модификаций и наполнителей, направленных на улучшение и ускорение регенерации нервных волокон.

Научные результаты:

Разработаны и испытаны резорбируемые кондуиты для регенерации периферических нервов, выполненные в форме трубчатых конструкций из микрофибрилл и нановолокон поли(L-лактида), в которых направляющими элементами для роста аксонов служат волокна из хитозана. Комбинированные волокна дополнительно включают от 0,5 до 50 масс.% нанофибрилл хитина. Результаты показали, что наличие в конструкции мононитей из хитозана значительно ускоряет регенерацию нервных волокон. Присутствие нанофибрилл хитина в композитных волокнах увеличивает скорость и полноту восстановления двигательной функции задних конечностей лабораторных животных (крыс).

Коды ГРНТИ: 76.09.41, 76.03.29

Руководитель направления: Камалов Алмаз Маратович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник НИЛ «Полимерные материалы для тканевой инженерии и трансплантологии», kamalov_am@spbstu.ru

Ведущие учёные:

• Карпенко Марина Николаевна, д.б.н., профессор ВШБМСиТ, karpenko_mn@spbstu.ru
• Смирнова Наталья Владимировна, к.б.н.
• Добровольская Ирина Петровна, д.ф.-м.н.
• Юдин Владимир Евгеньевич, д.ф.-м.н.
• Шишов Михаил Александрович, к.т.н.

Актуальность исследований:

Согласно данным исследований, каждый десятый житель развитых стран обращается за медицинской помощью по поводу повреждений кожи разной природы. Затраты на лечение составляют значительную долю государственных бюджетов здравоохранения (от 3 до 6%). Повреждение покровных тканей сильно ухудшает качество жизни человека и нередко приводит к инвалидности. Причины поражений разнообразны: механическое воздействие, ожоги, лучевое поражение, осложнения после хирургических вмешательств, а также сопутствующие заболевания, такие как сахарный диабет, варикозное расширение вен, гипертоническая болезнь.

Настоящий проект нацелен на разработку технологии ускорения заживления ран и трофических язв с помощью электроактивных биоэлектродов, обладающих дополнительными полезными свойствами: гемостатическими, антисептическими и антиоксидантными. Будут проведены эксперименты in vitro по изучению пролиферативной активности клеточных линий человеческой кожи (фибробласты, кератиноциты) под воздействием электрических полей, а также клинические тесты on vivo на животных.

Создание биоэлектродов откроет новые перспективы для терапии трудно заживающих ран, поскольку отечественные технологии пока отстают от зарубежных аналогов. Такое нововведение способно значительно улучшить состояние больных, ускорить реабилитацию и сэкономить государственные деньги.

Научные результаты:

Освоены методы плазменной модификации полимерных покрытий для целей тканевой инженерии. Применялись два типа обработки поверхности: обработка диэлектрическим барьерным разрядом в плоских электродах и струёй холодного плазменного разряда (плазма джет) при атмосферном давлении, а также традиционная модификация постоянным током низкого давления в воздушной и аргонной атмосфере. Эксперимент проводили на поверхностях из полиимида, хитозана, полилактида и композитных плёнок на основе хитозана и гидроксиапатита. Показано, что плазменная модификация полимерных плёнок усиливает пролиферативную активность культивируемых фибробластов и остеобластов примерно на 10–20%. Электростимулированные фибробласты демонстрируют повышенный уровень деления клеток.

Коды ГРНТИ: 62.01.91

Руководитель направления: Базарнова Юлия Генриховна, доктор технических наук, профессор, директор Высшей школы биотехнологий и пищевых производств, jbazarnova@spbstu.ru, +7 (812) 550-07-17

Ведущие учёные:

• Смятская Юлия Александровна, к.т.н., доцент Высшей школы биотехнологий и пищевых производств, директор Центра подготовки кадров высшей квалификации, smyatskaya_yua@spbstu.ru
• Севастянова Анна Дмитриевна

Актуальность исследований:

Ежегодно в России образуется от 630 до 650 млн тонн сельскохозяйственных отходов, треть из которых (около 230 млн тонн) приходится на остатки переработки растений, включая шелуху, кожуру и скорлупу масличных и орехоплодных культур. Проблема компостирования таких остатков связана с высоким содержанием лигноцеллюлозы, что затрудняет биологическую обработку. Часто такие отходы сжигают или утилизируют. Современные исследования сосредоточены на поиске возможностей переработки таких отходов для производства биосорбентов, применяемых для очистки воды и воздуха. Сорбенты на основе растительных отходов привлекательны наличием функционально активных групп, способных захватывать тяжелые металлы. Поскольку содержание примесей в сточных водах постоянно меняется, предпочтение отдают неселективным сорбентам, а не дорогостоящим селективным материалам. Химическая модификация растительных отходов (щёлочи, кислоты, соли) распространена, но ферментативные методы имеют значительные преимущества. Соответственно, создание новых сорбционных материалов на основе отходов агрокультур путём биоконверсии является важным направлением для очистки стоков от ионов тяжёлых металлов.

Научные результаты:

1. Разработаны новые технологические решения для биоконверсии скорлупы грецкого ореха с использованием промышленных ферментных препаратов (Агроцелл Плюс, Целлолюкс A, Целлолюкс F): соотношение препарат : субстрат — 1:20, температура — 55 ± 2 °C, длительность обработки — 60 минут. Установлено, что степень биоконверсии при обработке ферментами повышается в 10–13 раз по сравнению с необработанной массой. Биоконверсия осуществляется по диффузионному механизму, характерному для гетерогенных реакций на границе фаз. Максимальная удельная скорость биоконверсии наблюдается при применении препарата Целлолюкс A. Адсорбционные свойства скорлупы после биоконверсии увеличиваются в 5 раз, что выражается увеличением общей площади пор на 44–63%, объёма пор и удельной поверхности — на 16–21% по сравнению с показателями нативной скорлупы.

2. Разработана технология получения сорбционных материалов для удаления ионов тяжёлых металлов (Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺) из сточных вод на основе биоконверсии отходов переработки грецкого ореха. Подготовлен проект технологической инструкции по изготовлению сорбционного материала (ТИ 01-2025). Адсорбционная ёмкость полученных образцов варьирует от 160 до 170 мг/г.

3. Разработанный способ биоконверсии растительных отходов защищён патентом РФ № 2799342 C1. Создана база данных характеристик сорбционных материалов, изготовленных из отходов сельхозпроизводства (свидетельство о госрегистрации базы данных РФ № 2024620119).

4. Реализована программа для ЭВМ, предназначенная для прогнозирования характеристик сорбционных материалов (свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ РФ № 2024611769).

Коды ГРНТИ: 62.13.47

Руководитель направления: Базарнова Юлия Генриховна, доктор технических наук, профессор, директор Высшей школы биотехнологий и пищевых производств, jbazarnova@spbstu.ru, +7 (812) 550-07-17

Ведущие учёные:

• Смятская Юлия Александровна, к.т.н.
• Балабаев Алексей Александрович, заведующий лабораторией органического синтеза, balabaev_aa@spbstu.ru

Актуальность исследований:

За последнее десятилетие получены важные данные о метаболизме микроводорослей, отличающемся от наземных растений большим разнообразием каротиноидов и их уникальным биохимическим профилем. Каротиноиды микроводорослей проявляют уникальные химические структуры, обусловленные различным происхождением каротиноидов: кроме β-каротина, встречаются α- и γ-каротиноподобные соединения. Эти соединения важны для человеческого организма, обладая антиоксидантными, иммуностимулирующими и профилактическими действиями, такими как профилактика сердечно-сосудистых заболеваний, рак, дегенерация зрения и другие состояния. Фенольные соединения микроводорослей характеризуются низкой токсичностью и отсутствием побочных эффектов, показывая высокие антираковые эффекты, влияя на ключевые этапы опухолевого процесса.

Наш проект посвящен разработке технологий выращивания микроводорослей, целенаправленно обогащенных первичными и вторичными метаболитами, выделению биологически активных соединений и исследованию их полезных свойств с использованием новейших аналитических методов. Мы намерены оценить функциональность выявленных молекул in silico и провести доклинические исследования потенциальных фармакологических свойств наших препаратов. Эта работа уникальна тем, что направлена на комплексное использование специально выращиваемой биомассы микроводорослей для терапевтических целей.

Научные результаты:

1. Разработан метод культивирования микроводорослей Chlorella в лабораторных условиях, включающий культивирование в пилотном фотобиореакторе, концентрацию клеточной суспензии путём автофлокуляции в щелочной среде и последующую сушку методом лиофилизации (Патент РФ № 2668162 от 06.12.2017).
2. Разработан способ получения пигментного комплекса из биомассы одноклеточных водорослей, включающий концентрирование клеточной суспензии в щелочной среде, фильтрацию, высушивание воздушным потоком, измельчение клеточной оболочки с помощью микроволновой обработки и экстракцию пигментного комплекса ступенчатым ультразвуковым воздействием (Патент РФ № 2695879 от 01.12.2018).
3. Создан способ получения каротиноидов из биомассы Chlorella vulgaris (Получение каротиноидных пигментов из микроводорослей Chlorella / А.Н. Шлыкова, А.А. Балабаев, Е.В. Трухина, Ю.Г. Базарнова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. – 2020. – № 3. – С. 20-37; Базарнова Ю.Г., Балабаев А.А., Радченко И.Л., Смятская Ю.А. // Патент на изобретение № 2779099 C1, 31.08.2022).
4. Разработан способ получения микрокапсулированных каротиноидов (Базарнова Ю.Г., Балабаев А.А., Радченко И.Л. // Патент на изобретение № 2779099 C1, 31.08.2022).
5. Установлены и модифицированы спектроскопические и хроматографические методы идентификации и количественного анализа биологически активных веществ в фитопрепаратах (Pass Online, SwissADME; Obtaining Fat-Soluble Pigments—Carotenoids from the Biomass of Chlorella Microalgae / J. Bazarnova et al. // Applied Sciences (Switzerland). – 2022. – Vol. 12, Issue 7. – Article ID 3246; A Method for Obtaining Plastid Pigments from the Biomass of Chlorella Microalgae / J. Bazarnova et al. // Agronomy Research. – 2020. – Vol. 18, Iss. 4. – PP. 2317-2327).
6. Изучена антиоксидантная активность биомассы микроводорослей Chlorella (Базарнова Ю.Г., Политаева Н.А., Кузнецова Т.А., Тоуми А. // Вестник Технологического университета. – 2018. – Том 21, № 2. – С. 176-179).
7. Определено влияние каротиноидов Chlorella vulgaris на противоопухолевый эффект у мышей линии BALB/c на модели карциномы Эрлиха (Influence of Chlorella vulgaris Carotenoids on Antitumor Effect in BALB/c Mice on Ehrlich Carcinoma Model Treated with Cisplatin-Lens / J.G. Bazarnova et al. // Butlerov Communications. – 2023. – Vol. 5, Iss. 2. – Art. 14. – DOI: 10.37952/ROI-jbc-C/23-5-2-14).
8. Разработан комплекс прикладных исследований по прогнозированию спектра физиологической активности каротиноидов и хлорофиллов Chlorella vulgaris с помощью цифровых ресурсов Pass Online и SwissADME. Выделены фитохимические комплексы из биомассы Chlorella vulgaris, Dunaliella salina, Nannochloris sp., содержащие каротиноиды, хлорофиллы и фенольные соединения (Получение фитоантиоксидантных комплексов из биомассы промышленных видов микроводорослей и перспективы их применения / Ю.Г. Базарнова, А.А. Балабаев, О.Р. Левчук // Химия растительного сырья (принята в печать октябрь 2024)).
9. Разработан способ получения микрокапсулированных нутрицевтиков, обеспечивающий формирование сферических частиц с инкапсулированными жирорастворимыми соединениями (Базарнова Ю.Г., Балабаев А.А. // Патент на изобретение № 2820656 C1, 07.06.2024).

Коды ГРНТИ: 34.15.31, 34.27.17

Руководитель направления: Антонова Дарья Александровна, ассистент Высшей школы биотехнологий и пищевых производств antonova_da@spbstu.ru

Ведущие учёные:

• Курдюмова Инна Викторовна, инженер ЦКП "Аналитический центр нано- и биотехнологий "СПбПУ", kurdyumova_iv@spbstu.ru
• Дмитриева Марьям, инженер Высшей школы биомедицинских систем и технологий, dmitrieva_m@spbstu.ru
• Касьянов В.А.

Актуальность исследований:

Широкомасштабное распространение антибиотикоустойчивых штаммов представляет собой глобальную опасность для здравоохранения и пищевой промышленности. За 2019 год непосредственно от антибиотикоустойчивых инфекций или от осложнений, вызванных антибиотикоустойчивыми бактериями, умерло 4,6 млн человек (https://www.thelancet.com/journals/lancet/article/PIIS0140-6736(21)02724-0/fulltext), тогда как от Covid-19, по данным ВОЗ, за три года пандемии умерло около 6,5 млн (https://covid19.who.int/). Проблема стремительно увеличивающегося числа антибиотикоустойчивых штаммов в медицине и ветеринарии настоятельно требует поиска альтернативных методов борьбы с патогенными бактериями. Модификация уже известных антибиотиков не решает проблему появления устойчивых мутаций, так как действие модифицированных антибиотиков нивелируется возникновением новых устойчивых к ним мутаций в клеточных мишенях. Разработка новых синтетических бактерицидных веществ происходит недостаточно быстро в силу тех же самых причин. Прямой поиск новых природных антибиотиков, ингибирующих не использованные ранее в качестве мишеней клеточные белки и процессы, по-прежнему остается медленной и трудоемкой работой. Природные враги бактерий — литические бактериофаги — в ходе эволюции выработали множество молекулярных механизмов, позволяющих им успешно и быстро инфицировать бактерии, развиваться в них, подавляя или модифицируя клеточные процессы, и в конечном итоге убивать зараженные бактерии. В основе этих механизмов лежат фаговые белки, экспрессируемые на ранних стадиях инфекции. Эти белки связываются с хозяйскими белками-компонентами функционально важных клеточных систем и быстро и эффективно либо ингибируют их, либо переориентируют для выполнения нужд бактериофага. Систематическая идентификация и изучение цитотоксических белков фагов, инфицирующих клинически важные патогенные бактерии, могли бы как решить проблему поиска новых клеточных мишеней для разработки новых антибиотиков, так и использовать фаговые белки или их производные в роли высокоэффективных ингибиторов роста бактерий.

Научные результаты:

1. 1. Было протестировано воздействие более 30 генов бактериофага phiKZ на рост бактериальных клеток Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa, из них было выявлено 4 ранних гена, экспрессия которых существенно ингибирует рост обеих бактериальных культур.
2. 2. На основе одного из белков phiKZ спроектированы короткие пептиды, сохраняющие антибактериальную активность при экспрессии внутри бактериальных клеток.
3. 3. Начаты работы по оптимизации условий синтеза и выделения антимикробных пептидов.
4. 4. Научный подход для поиска новых антибактериальных веществ, основанный на скрининге ранних фаговых генов, был применен для скрининга токсичных генов бактериофага 9g. В результате чего было найдено два гена этого бактериофага, влияющих на рост обеих вышеупомянутых бактериальных культур, что подтверждает эффективность этого подхода для поиска новых антимикробных веществ и использования для этого новых организмов в качестве источника антибиотиков — бактериофагов.

Коды ГРНТИ: 34.39.15

Руководитель направления: Власова Ольга Леонардовна, доктор физико-математических наук, профессор, директор Высшей школы биомедицинских систем и технологий, vlasova_ol@spbstu.ru, +7 (812) 290-95-00

Ведущие учёные:

• Безпрозванный Игорь Борисович, д.м.н., ведущий научный сотрудник ИПФ РАН
• Балабан Павел Михайлович, чл.-корр. РАН, профессор, директор ИПФ РАН
• Малышев Алексей Юрьевич, к.б.н., старший научный сотрудник ИПФ РАН
• Анохин Константин Владимирович, д.м.н., профессор МГУ имени Ломоносова

Актуальность исследований:

Изучение нейронных механизмов когнитивных функций и их нарушений при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, остаётся одной из ключевых задач современной нейробиологии. Разработка и применение высокотехнологичных инструментов для in vivo регистрации активности нейронов является необходимым условием для получения принципиально новых знаний о работе мозга в норме и патологии.

В рамках проекта НЦМУ (2020–2024 гг., руководитель — Власова О.Л.) был разработан и апробирован миниатюрный беспроводной электрофизиологический комплекс, позволяющий регистрировать нейронную активность in vivo у свободно передвигающихся животных. Это открыло новые возможности для проведения поведенческих экспериментов, сопряжённых с одновременной регистрацией локальной нейронной активности, без ограничения подвижности животных и минимального воздействия на естественное поведение.

Продолжением этого направления стало исследование в рамках проекта РНФ № 22-75-00028 (2022–2024 гг., руководитель — Ерофеев А.И.), направленного на изучение кальциевой и электрофизиологической активности нейронов гиппокампа in vivo у мышей с моделью болезни Альцгеймера. Комбинация in vivo нейрофизиологических методик и анализа поведения позволила выявить ключевые изменения в нейронных паттернах, ассоциированных с нарушением долговременной памяти.

Научные результаты:

1. Разработан компактный беспроводной прибор для in vivo регистрации нейронной активности у свободно передвигающихся животных.
2. Выявлены изменения в активности нейронов гиппокампа у мышей с болезнью Альцгеймера, что подтвердило связь между нейродегенеративными процессами и нарушениями памяти.
3. Создан прототип прибора для многоканальной регистрации электрической активности нейронов, позволяющий проводить длительные эксперименты in vivo.
4. Оценены корреляции между поведением животных и регистрируемой нейронной активностью, что позволяет глубже понимать нейронные механизмы поведения.

Коды ГРНТИ: 20.19.29, 34.17.03, 28.23.29, 28.23.37, 34.39.15

Руководитель направления: Пчицкая Екатерина Игоревна, к.б.н., старший научный сотрудник, e.pchtickaja@spbstu.ru

Ведущие учёные:

• Пчицкая Екатерина Игоревна, к.б.н., старший научный сотрудник, pchitskaya_ei@spbstu.ru
• Чуканов Вячеслав Сергеевич, к.ф.-м.н., доцент, chukanov_vs@spbstu.ru
• Ракковская Анастасия Владиславовна, к.ф.-м.н., доцент
• Герасимов Евгений Игоревич, д.ф.-м.н., профессор, gerasimov_ei@spbstu.ru
• Смирнова Дарья Сергеевна, к.б.н., старший научный сотрудник, smirnova_ds@spbstu.ru

Актуальность исследований:

Несмотря на усилия исследователей по всему миру, в настоящее время не достигнуто полного понимания причин возникновения и механизмов развития болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний, поражающих центральную нервную систему, а также для большинства из них отсутствует доступная эффективная терапия. Требуются новые методы и подходы к изучению механизмов функционирования мозга с целью дальнейшего практического применения полученных знаний в медицине и проектирования нейроморфных систем и вычислений. С ростом объема неструктурированных данных, таких как данные нейрональной активности, снимки срезов головного мозга и отдельных нейронов, протеомы и транскриптомы, атласы морфологии мозга и связности отделов мозга, возникает потребность в создании моделей ИИ для обобщения этих данных и поиска в них новых зависимостей с целью построения моделей функционирования отдельного нейрона и целого мозга, моделей развития нейродегенеративных заболеваний. Получаемые с помощью трудозатратных и дорогостоящих биологических экспериментов данные анализируются недостаточным образом с помощью относительно простых подходов и алгоритмов, что ведет к потере информации, ограниченным или неверным выводам по результатам исследований, что препятствует формированию качественно новых гипотез о работе нейронов или других клеток и биологических объектов и их проверке.

Научные результаты:

Полученные данные показали нейропротекторный потенциал белка EB3, а также важность его взаимодействия с белком STIM2 для функционирования дендритных шипиков. Определено, что гомологи STIM1 и STIM2 по-разному регулируются динамическими тубулиновыми микротрубочками через EB-белки. Разработано ПО SpineTool для сегментации, определения численных значений морфологии дендритных шипиков, их классификации и кластеризации из трехмерной серии конфокальных изображений нейронов, сравнительного анализа морфологии в норме и в патологии. Предложены новые многомерные дескрипторы формы дендритных шипиков, отвечающие их сложной трехмерной форме (гистограмма длин хорд, моменты Цернике, сферические гармоники). Разработано ПО NeuroActivityToolkit для спастического анализа активности нейронов и характеристик нейронных ансамблей в прижизненной микроскопии in vivo с помощью минископа. Разработан метод нейросетевой и алгоритмической деконволюции конфокальных изображений нейронов с помощью экспериментально определенной функции рассеяния точки, алгоритм TriDeFusion, комбинирующий нейросетевой и алгоритмический денойдзинг микроскопических изображений, который позволяет скорректировать вызванное особенностями строения конфокального микроскопа размытие и зашумление изучаемых объектов. Разработан метод детекции и анализа кластеров белков in vitro и на срезах головного мозга in vivo с высоким разрешением с помощью экспансионной микроскопии. Продемонстрирован нейропротекторный потенциал положительных аллостерических модуляторов SERCA помпы и антиапоптотического белка Bcl-2 на модели болезни Альцгеймера.

Коды ГРНТИ: 76.03.31

Руководитель направления: Тимин Александр Сергеевич, доктор биологических наук, заведующий лабораторией нано- и микрокапсулирования биологически активных веществ, timin_as@spbstu.ru

Ведущие учёные:

• Сухоруков Глеб Борисович, д.ф.-м.н., профессор биоматериалов в школе инженерии и материаловедения Лондонского университета королевы Марии, gbsukhorukov@spbstu.ru

Актуальность исследований:

Конкретной целью проекта является использование графовой свёрточной нейронной сети для поиска фармакофорных фрагментов биологически активных структур и предсказания соединений-лидеров в терапии злокачественных новообразований (колоректальный рак). Колоректальный рак (КРР) является одной из основных причин онкологической заболеваемости и смертности во всём мире и занимает 3-е место по частоте регистрации злокачественных опухолей после рака лёгкого и молочной железы. На долю КРР приходится более 9% всех случаев онкологической заболеваемости. Распространённость КРР среди мужчин и женщин составляет примерно 9–10%, и ежегодно регистрируется более 1 млн новых случаев заболевания во всём мире. В Российской Федерации КРР стоит на 3-м месте среди злокачественных новообразований органов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) и на 7-м в общей структуре онкологической заболеваемости. Важным показателем является относительно низкая выживаемость при КРР на более поздних стадиях его формирования: сейчас при ранней диагностике (1–2 стадия) КРР средняя выживаемость составляет 75–90%. Однако на более поздних стадиях (4 стадия) средняя выживаемость составляет порядка 6%. КРР формируется достаточно быстро, и диагностика на ранних стадиях заболевания не всегда представляется возможной. Из вышеприведённого следует, что лечение КРР в России и мире является важной задачей, что обуславливает актуальность реализации данного проекта. Наиболее доступное лечение — хирургическое вмешательство и химиотерапия. Но удаление опухолей при КРР не всегда представляется возможным, особенно в случае образования множественных метастаз. При использовании химиопрепаратов имеется ряд недостатков, связанных с их низкой биологической и фармакологической активностью. Существует ряд подходов для улучшения эффективности лекарственных препаратов, среди которых наиболее значимым и актуальным является создание новых лекарственных форм (ЛФ). При КРР пероральная доставка наиболее предпочтительна из-за меньшей общей токсичности. Необходимо создание ЛФ, обеспечивающих максимальную адгезию на слизистых оболочках (мукоадгезия) и пролонгированное высвобождение лекарственного препарата. Ключевым моментом для успешной разработки оптимальной ЛФ является научное обоснование использования материалов для синтеза и технологий инкапсуляции лекарственного препарата. В качестве таких материалов рассматриваются различные мукоадгезивные биополимеры. Таким образом, одной из ключевых задач современной фармакологии и медицины является разработка новых мукоадгезивных носителей лекарственных препаратов с пролонгированным высвобождением с целью улучшения биодоступности лекарств при пероральном введении, которые окажутся способными существенно улучшить эффективность лечения КРР, повысить качество и продолжительность жизни пациентов. Проведение фундаментальных и прикладных исследований в области создания новых ЛФ позволит России обеспечить импортозамещение существующих лекарственных препаратов.

Научные результаты:

Получено более 12 патентов на изобретение, несколько из которых были коммерциализированы. Разработаны системы, использующие микроокружение опухоли (pH-чувствительные системы, редокс-чувствительные системы, АФК-продуцирующие системы) для локального высвобождения биомолекул с целью повышения эффективности терапии. Успешно завершены исследования по анализу in vivo стабильности радионуклид-меченых частиц комплексного состава. Разработаны протоколы модификации поверхности наночастиц молекулярными векторами (моноклональными антителами к PD-1). Определены параметры профиля токсичности наноносителей in vitro и in vivo. Проведено исследование in vivo стабильности и распределения радионуклид-меченых наночастиц с использованием галлия-68 (68Ga). Установлена способность разрабатываемых носителей к удержанию изотопа 225Ac, а также его дочерних радиоизотопов: 221Fr и 213Bi для in vitro и in vivo исследований. Завершены исследования по разработке протоколов синтеза гибридных носителей для эффективного инкапсулирования биологически активных соединений, а именно плазмидной ДНК и матричной РНК для репортерного гена зеленого флуоресцентного белка (GFP) с последующей оценкой биологической активности инкапсулированных веществ на клеточных моделях in vitro.

Коды ГРНТИ: 34.15.00, 34.25.01

Руководитель направления: Морозова Наталия Евгеньевна, кандидат биологических наук, доцент Высшей школы биотехнологий и пищевых производств, morozova_ne@spbstu.ru

Ведущие учёные:

Ходорковский Михаил Алексеевич, кандидат физико-математических наук, директор Научно-исследовательского комплекса «Нанобиотехнологии», hodork_ma@spbstu.ru, +7 (812) 552-98-09;
Ведяйкин Алексей Дмитриевич, кандидат биологических наук, доцент Высшей школы биомедицинских систем и технологий, vedyajkin_ad@spbstu.ru;
Алексеев Александр Андреевич, инженер-исследователь, alekseev_aa@spbstu.ru;
Аресниев Анатолий Николаевич;
Криворучко Александр Борисович.

Актуальность исследований:

Прошедшая эпидемия, вызванная вирусом SARS-CoV-2, показала необходимость быстрого и точного тестирования заболеваний для предотвращения их бесконтрольного распространения по популяции и стала стимулом для развития новых, более быстрых и мобильных методов диагностики инфекционных болезней различной природы.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР), широко применяемый метод, обладающий высокой чувствительностью и точностью, имеет недостатки: требует дорогостоящее оборудование и занимает много времени. В условиях срочной диагностики или перегруженных лабораторий, когда необходимо проводить сотни анализов ежедневно, важно сократить время тестирования и обеспечить мобильность процедуры, включая проведение диагностики непосредственно у пациента.
Диагностическая платформа, объединяющая быстроту тестирования, короткий период реагирования и возможность мобильного применения при низкой себестоимости компонентов, способна составить достойную конкуренцию традиционному ПЦР-анализу и эффективно выявлять некоторые важные заболевания общественного здравоохранения.

Научные результаты:

Создана полностью российская универсальная система диагностики, основанная на технологиях CRISPR-Cas и изотермического метода репликационно-прямой амплификации (РПА). Получены и выделены все необходимые белки для данной системы. Разработаны высокоэффективные методы проведения изотермической амплификации. Сейчас создаётся технология сушки всех компонентов методом лиофилизации для упрощённого хранения и транспортировки.
Созданы две версии приборов для оценки результатов тестирования:
 — Первое поколение — визуальное оценивание результата;
 — Второе поколение — цифровой прибор, определяющий концентрацию патогена в образце.
По итогам работы получены три патента.

Коды ГРНТИ: 76.29.43

Руководитель направления: Ходорковский Михаил Алексеевич, кандидат физико-математических наук, директор Научно-исследовательского комплекса «Нанобиотехнологии», hodork_ma@spbstu.ru, +7 (812) 552-98-09

Ведущие учёные:

Арсениев Анатолий Николаевич, инженер-исследователь Лаборатории молекулярной микробиологии, arseniev_an@spbstu.ru;
Васильева Александра Андреевна, ведущий инженер Центра коллективного пользования «Аналитический центр нано- и биотехнологий СПбПУ», avasileva@spbstu.ru;
Абрамова Марина Викторовна, инженер Центра коллективного пользования «Аналитический центр нано- и биотехнологий СПбПУ», abramova_mv@spbstu.ru.

Научные результаты:

Завершён первый этап работ по созданию панели молекулярно-генетических биомаркеров для выявления связи между полиморфизмом генов и возникновением мочекаменной болезни у пациентов с установленным диагнозом.

В 2024 году проведены исследования возможностей выявления генетического полиморфизма с применением существующих методик и технологии CRISPR/Cas. Осуществлён анализ и выбор подходящих нуклеаз Cas, разработан дизайн гидовых РНК, создана синтетическая модель ДНК, имитирующая интересующие генетические последовательности. Тестирован разработанный подход на примере одного полиморфизма с использованием синтетической модели.

В 2025 году исследование продолжается на реальных клинических образцах, полученных от пациентов клиники имени святителя Луки.

Коды ГРНТИ: 34.15.00

Руководитель направления: Морозова Наталия Евгеньевна, кандидат биологических наук, доцент Высшей школы биотехнологий и пищевых производств, morozova_ne@spbstu.ru
Алексеев Александр Андреевич, инженер-исследователь, alekseev_aa@spbstu.ru

Ведущие учёные:

Ходорковский Михаил Алексеевич, кандидат физико-математических наук, директор Научно-исследовательского комплекса «Нанобиотехнологии», hodork_ma@spbstu.ru, +7 (812) 552-98-09;
Рощектаева Виктория Дмитриевна, лаборант-исследователь Лаборатории молекулярной микробиологии, rotshekt_vd@spbstu.ru;
Ведяйкин Алексей Дмитриевич, кандидат биологических наук, доцент Высшей школы биомедицинских систем и технологий, vedyajkin_ad@spbstu.ru;
Байтин Дмитрий Михайлович.

Актуальность исследований:

SOS-ответ — процесс, запускаемый в бактериальной клетке в ответ на повреждения ДНК. Причинами таких повреждений служат, в частности, ультрафиолетовое излучение и воздействие различных антибактериальных веществ. Активация SOS-ответа приводит либо к точной репарации повреждений ДНК, либо к повышенной адаптивной способности клеток бактерий благодаря повышению уровня мутагенеза.

Белок RecA играет ключевую роль в процессе рекомбинационной репарации ДНК у бактерий. RecN принадлежит к семейству SMC-белков — группе ферментов-АТФаз, участвующих в поддержании пространственной организации хроматина. Хотя известно, что RecN вовлечён в процессы восстановления ДНК совместно с RecA, точные механизмы функционирования и роли RecN пока изучены недостаточно. Известно лишь, что RecN взаимодействует с центром репарации ДНК и усиливает АТФазную активность RecA, а RecA способствует процессу гомологической рекомбинации, инициируемой RecN.

Важность данного проекта заключается в получении новых сведений о функциональных особенностях белков RecN и RecA, что позволит расширить наши знания о механизмах поддержания стабильности генома и развитии антибиотикоустойчивости у микроорганизмов.

Научные результаты:

Проведены детальные исследования взаимодействия белка RecA вида Deinococcus radiodurans с двухцепочечными молекулами ДНК на единичном молекулярном уровне. Установлено, что при физиологическом значении рН белок RecA D. radiodurans формирует нуклеопротеиновые нити гораздо быстрее, чем аналогичная структура, сформированная белком RecA Escherichia coli. Однако нити RecA D. radiodurans отличаются большей гибкостью и меньшей длиной по сравнению с нитями RecA E. coli.

Исследовательскими работами Алексея Алексеевича Алексеева доказано существование нескольких форм активного и неактивного состояний нуклеопротеинового филамента RecA D. radiodurans на одноцепочечных участках ДНК. Показано впервые, что этот филамент способен испытывать обратимые конформационные перестройки, демонстрируя наличие устойчивых активных и неактивных конформаций.

Было выявлено, что неактивная форма филамента RecA E. coli представлена двумя разными формами, отличающимися своими физическими характеристиками и стабильностью.

Группа исследователей впервые обнаружила новое свойство белка RecX, заключающееся в стабилизации неактивных конформаций филамента RecA, что замедляет динамику перехода между активным и неактивным состоянием и увеличивает число неактивных форм в присутствии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Эти открытия легли в основу новой модели регулирования функций филамента RecA посредством специфичных конформационных взаимодействий с белком RecX, опубликованной в престижном международном журнале.

Наталией Евгеньевной Морозовой выполнен сравнительный анализ связей белка RecN с комплексами SMC, что позволило установить сходство белка RecN с ферментами семейства SMC и подтвердить экспериментально предположение о схожести механизмов работы этих белков, несмотря на существенные различия в функциях.

Коды ГРНТИ: 34.15.00

Руководитель направления: Ведяйкин Алексей Дмитриевич, кандидат биологических наук, доцент Высшей школы биомедицинских систем и технологий, vedyajkin_ad@spbstu.ru

Ведущие учёные:

Абрамова Марина Викторовна, инженер Центра коллективного пользования «Аналитический центр нано- и биотехнологий СПбПУ», abramova_mv@spbstu.ru;

Запрягаева Екатерина Юрьевна, лаборант-исследователь Лаборатории молекулярной биологии нуклеотид-связывающих белков, zapryag_eyu@spbstu.ru;

Кудрявцева Мария Андреевна, лаборант-исследователь Лаборатории молекулярной биологии нуклеотид-связывающих белков, kudryavtseva_ma@spbstu.ru;

Морозова Наталия Евгеньевна, кандидат биологических наук, доцент Высшей школы биотехнологий и пищевых производств, morozova_ne@spbstu.ru;

Румянцева Наталья Антоновна, лаборант-исследователь Лаборатории молекулярной биологии нуклеотид-связывающих белков, rumyantseva_na@spbstu.ru;

Сапожникова Антонина Павловна, лаборант-исследователь Лаборатории молекулярной биологии нуклеотид-связывающих белков, sapozhn_ap@spbstu.ru;

Хасанова Айзиля Айратовна, лаборант-исследователь Лаборатории молекулярной биологии нуклеотид-связывающих белков, hasanova_aa@spbstu.ru.

Актуальность исследований:

За последние годы установлено, что комплексы SMC способны осуществлять формирование петель из ДНК (так называемую экструзию петель), что позволяет рассматривать их как отдельный класс ДНК-транслоказ. Ключевое свойство для комплексов SMC — экструзия петель — до сих пор напрямую не продемонстрировано для комплексов SMC бактерий, в отличие от комплексов SMC эукариот. Точный механизм экструзии пока не установлен, но было предложено несколько моделей, которые требуют экспериментального подтверждения.

Для комплексов SMC, в том числе бактериальных, имеется множество вопросов, среди которых, кроме механизма экструзии петель, одним из наиболее важных вопросов является полный состав комплексов SMC, включая регуляторные белки, активирующие или ингибирующие активность комплексов. До сих пор неясно, какие именно факторы управляют работой SMC-подобных комплексов — например, обеспечивают согласование их работы с клеточным циклом, а также позволяют осуществлять параллельную работу нескольких видов комплексов SMC в одной клетке. Деление — один из главных процессов в жизни любой клетки, в том числе бактериальной. В основе деления хорошо изученных бактерий (например, Escherichia coli) лежит формирование Z-кольца, состоящего из ключевого белка деления FtsZ и нескольких других белков. Z-кольцо служит каркасом для дивисомы — комплекса белков (более 20 у E. coli), осуществляющих процесс деления. У E. coli и других бактерий главная роль белков дивисомы заключается в направленной перестройке клеточной стенки в сайте деления. За последние годы произошел значительный прогресс в понимании механизмов деления E. coli и некоторых других видов бактерий. В частности, удалось выяснить, что Z-кольцо — это неоднородная и динамичная структура, в которой тредмиллинг полимеров FtsZ способствует направленному синтезу клеточной стенки. Удалось прояснить на молекулярном уровне роль многих компонентов дивисомы, включая их взаимодействия между собой и порядок вовлечения в состав дивисомы. Дальнейшее изучение комплексов SMC и механизмов деления может способствовать созданию в будущем препаратов, направленных на блокирование этого жизненно важного процесса бактерий.

Научные результаты:

- Показано, что белок SulA ингибирует деление E. coli при соотношении FtsZ/SulA порядка 10.

- Показана способность к димеризации белков SulA E. coli и P. aeruginosa.

- Показана лидирующая роль Min-системы в регуляции процесса деления E. coli после завершения SOS-ответа.

- Визуализированы структуры, формируемые белком FtsZ в бактериальных клетках, при помощи экспансионной и локализационной микроскопии.

- Охарактеризованы межбелковые взаимодействия с участием FtsZ двух видов микоплазм — Acholeplasma laidlawii и Mycoplasma gallisepticum.

- Охарактеризованы биохимические свойства белков FtsZ видов A. laidlawii и M. gallisepticum (способность к полимеризации, ГТФазная активность), а также осуществлено их сравнение со свойствами FtsZ E. coli.

- Осуществлена визуализация структур FtsZ и некоторых других белков в живых клетках M. gallisepticum (с использованием эндогенно экспрессируемых флуоресцентных меток). Были исследованы механизмы деления U. parvum.

- Определены свойства белка SMC U. parvum.

Коды ГРНТИ: 28.23.29; 28.23.37; 34.15.27; 34.15.05

Руководитель направления: Забродская Яна Александровна, кандидат физико-математических наук, доцент Высшей школы биомедицинских систем и технологий, zabrodskaya_yaa@spbstu.ru

Ведущие учёные:

Самсонова Анастасия Александровна, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории «Центр вычислительной биологии», samsonova_aa@spbstu.ru;
Чуканов Вячеслав Сергеевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории «Лаборатория анализа биомедицинских изображений и данных», chukanov_vs@spbstu.ru;
Высочинская Вера Валерьевна, младший научный сотрудник Научно-исследовательского комплекса «Иммунобиотехнология и генная терапия», vysochinskaya_vv@spbstu.ru;
Канапин Александр Артурович.

Актуальность исследований:

В настоящее время идёт активная разработка вакцин и терапевтических препаратов на основе мРНК. Такие терапевтические препараты состоят из двух частей — непосредственно молекулы мРНК и средства её доставки. Средства доставки защищают мРНК от деградации во внутренней среде организма и позволяют мРНК проникнуть в клетки, чтобы оказывать терапевтический эффект. Создание и оптимизация состава средств доставки мРНК и оптимизация структуры самой мРНК является пока нерешённой задачей. Данный проект посвящён оптимизации структуры мРНК, что необходимо для наиболее эффективного синтеза белка, что, в свою очередь, приводит к более выраженному терапевтическому эффекту. В качестве первой задачи в создании системы синтеза РНК-вакцин полного цикла (от эпитопов до последовательности РНК вакцины) может быть создание генеративной модели, обеспечивающей конструирование регуляторных элементов, таких как UTR и IRES, от которых зависит эффективность трансляции и, как следствие, концентрация белка (антигена или терапевтического продукта). Создание такой генеративной модели предполагается на основе имеющихся в базах данных открытого доступа последовательностей таких элементов. Для оценки эффективности трансляции, управляемой регуляторными последовательностями, будут использованы открытые данные об экспрессии генов и о заполняемости рибосомами сайтов связывания в тканях различного типа.

Научные результаты:

Необходимые данные о последовательностях 5’ и 3’ регуляторных участков загружаются из базы данных UTRdb (https://utrdb.cloud.ba.infn.it/utrdb/index_107.html), содержащей около 90 тысяч последовательностей UTR человека. Элементом научной новизны выступает использование последовательностей UTR вирусов, информация о которых будет получена из базы данных ViruSurf (http://gmql.eu/virusurf/), включающей данные о нескольких десятках тысяч вирусов человека и животных. Информация об уровнях экспрессии генов в различных тканях косвенным образом может быть извлечена из данных высокопроизводительного секвенирования РНК (RNASeq). Сырые данные секвенирования доступны в репозитории SRA (Sequence Read Archive, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra). Первой задачей будет единообразная обработка скачанных из репозитория сырых данных.

Итоговая таблица будет включать следующую информацию:

- последовательности 3’ и/или 5’ UTR;

- тип клеток (при наличии информации); - значение уровня экспрессии соответствующего гена.

В качестве основы для модели предполагается использовать модификацию опубликованной ранее UTR-LM (https://github.com/a96123155/UTR-LM).