Молекула оксида азота NO является эндотелиальным фактором релаксации сосудов, участвует в иммунном ответе, заживлении ран, нейротрансмиссии и других процессах. Биологические функции NO тесно взаимосвязаны с концентрациями молекулы в соответствующих тканях. Например, в иммунной системе низкие уровни NO проявляют противовоспалительные эффекты (подавляя пролиферацию Т-хелперных клеток), а высокие ассоциированы с выраженной провоспалительной реакцией в ответ на бактериальные патогены. При повреждениях кожи высокий уровень NO стимулирует развитие длительного окислительного и нитрозативного стресса и приводит к затяжному заживлению раны, тогда как низкие концентрации, наоборот, способствуют ангиогенезу и регрануляции тканей при ранозаживлении [1]. Увеличение концентрации NO более 10 мкг/кг в выдыхаемом воздухе указывает на обострение воспалительных процессов в дыхательных путях. Повышенный уровень фракционного выдыхаемого NO также является биомаркером астмы, аллергии, хронического бронхита и COVID-19 [2]. Данные примеры указывают на необходимость проведения точных измерений содержания NO в различных биосубстратах.

Еще один пример: в слезной жидкости NO регулирует многочисленные процессы на поверхности глаза (образование слез, заживление ран роговицы, тонус сосудов конъюнктивы и др.). Любое отклонение уровней NO от нормальных значений связано с различными глазными синдромами, включая микробный кератит, конъюнктивит, птеригиум, сухость глаз, ретинит, глаукому и т.д. Поэтому точный мониторинг NO может стать важным офтальмологическим инструментом [3].

Необходимость создания надежных тестовых систем для быстрой оценки уровня NO в течение нескольких минут имеет огромное практическое значение. Резкое падение выработки NO сопровождает угрожающие жизни критические состояния – предынфарктные и предынсультные состояния, перетренировку у спортсменов (вплоть до остановки сердца), шоковые состояния различного генеза, сепсис и т.д. Для мониторинга клеточных уровней NO (как непрерывного, так и при регулярных осмотрах пациентов) необходимы датчики (сенсоры) NO с достаточной чувствительностью, биосовместимостью и приемлемым временем измерений (секунды). Точные сенсоры NO в биосубстратах, включая выдыхаемый воздух, необходимы для проведения эффективной и безопасной терапии оксидом азота NO при индивидуальном титровании дозы у пациентов с гиперкапнической формой дыхательной недостаточности и признаками вторичной легочной артериальной гипертензии1.

Следует подчеркнуть необходимость определения в биосубстратах уровней не только NO, но и его метаболитов (нитритов, нитратов, 3-нитротирозина). По этой причине точное обнаружение и количественное определение NO как в газовой фазе, так и в водной среде являются важными задачами для понимания патофизиологии многих заболеваний [2].

Приоритетным направлением создания NO-сенсоров является разработка таких сенсорных материалов, которые бы позволяли создавать дешевые системы экспресс-тестов для повсеместного применения и врачами, и самими пациентами. Как известно, для быстрого тестирования биосубстратов на предмет той или иной патологии или состояний используются визуальные тест-полоски, позволяющие оценить различные показатели (pH, уровни глюкозы, холестерина и др.).

Широко применяются тест-полоски для выявления алкоголя в слюне, кетонов, глюкозы, котинина (производное никотина), белка, билирубина, уробилиногена, лейкоцитов, аскорбата и нитритов в моче. Существуют тест-полоски для выявления определенных веществ, вызывающих химическую зависимость, лекарственных средств в моче (метамфетамин, барбитураты) и ряда патогенов (антигенов/антител вирусов гепатита, гриппа, COVID-19 и др.). Совершенствование технологии производства тест-полосок позволяет достигать высокой точности показателей, особенно при использовании дополнительного полуавтоматического прибора-анализатора.

Разработаны отдельные тест-системы для оценки содержания NO в слюне. Они схожи с лакмусовой бумагой, позволяющей определять pH по цвету полоски с использованием специальной цветовой шкалы в течение 0,5–1 мин. Слюна собирается утром после пробуждения или через 1–2 ч после еды, полоска погружается в слюну, выдерживается 10–20 с, после чего цвет полоски сравнивается с таблицей цветов. Несколько производителей уже освоили данную технологию контроля NO и заявляют аккуратность теста выше 90%2. К сожалению, в научной литературе полностью отсутствует информация о NO-сенсорных материалах, входящих в состав этих полосок, и о реально валидированной аккуратности (чувствительности и селективности) данных тест-систем.

Цель – систематизация информации об использовании различных соединений в качестве материалов для NO-чувствительных и селективных сенсоров для измерения/оценки уровней NO в различных биосубстратах.

По запросу «nitric oxide» в базе биомедицинских публикаций PubMed/MEDLINE найдено 198 480 статей, а по запросу «“nitric oxide” AND sensor» – 1683. После загрузки данной выборки проведен анализ этих 1683 публикаций по фундаментальным и клиническим исследованиям влияния микронутриентов на уровни NO. Для нахождения наиболее информативных ключевых слов выполнено сравнение с контрольной выборкой из 1683 текстов, случайно отобранных из 22 961 публикации, найденной по запросу «(Animals [MeSH Terms] OR Humans [MeSH Terms]) AND Oxidation-Reduction [MeSH Terms] AND Cells, Cultured [MeSH Terms] NOT nitric oxide NOT sensor».

Cистемный компьютерный анализ массива публикаций с использованием методов топологического и метрического анализа больших данных, разрабатываемых в научной школе академика РАН Ю.И. Журавлёва [4–7], основан на нахождении наиболее информативных терминов (ключевых слов, их сочетаний, рубрик Международной классификации болезней 10-го пересмотра, разделов международной номенклатуры Gene Ontology и др.) при сравнении выборки литературы с контрольной выборкой публикаций по биомедицине. Все возможные ключевые слова сортировались по эмпирическим функционалам информативности Рудакова–Торшина в контексте комбинаторной теории разрешимости [8], затем проводилось комбинаторное тестирование условия разрешимости, чтобы из списка терминов выделить только те, которые обладают наибольшей информативностью и принципиально необходимы для выполнимости условия разрешимости (наиболее информативные термины). На основании данного списка терминов осуществлялся дальнейший поиск и отбор источников для обзора.

В результате проведенного анализа выделено 48 информативных биомедицинских терминов, отличающих публикации по сенсорным материалам для NO от публикаций в контроле (рис. 1).

Анализ метрических сгущений точек на диаграмме позволил выделить два кластера терминов: кластер 1 «Сенсорные материалы для датчиков NO», термины в котором, собственно, и описывают основную тему настоящего исследования, и кластер 2 «Взаимодействия сенсоров с живыми системами», который соответствует особенностям взаимодействия имеющихся сенсоров с клетками и тканями организма.

Термины кластера 1 соответствуют ряду важных аспектов механизмов действия и технологии производства сенсоров (датчиков) NO, включая чувствительность и селективность NO-сенсоров и их разновидности (электрохимический/электрокаталитический, газовый). Центральным моментом являются NO-чувствительные материалы, используемые для производства сенсоров на основе белков (гуанилатциклаза, гемопротеины, сенсор на основе гема), окислительно-восстановительных систем (редокс-сенсор).

Наиболее распространенным способом придания селективности электрохимическому датчику является химическая модификация поверхности сенсора/датчика. Эти модификации обычно используют физические характеристики NO (малый размер, нейтральный заряд, липофильность), чтобы обеспечить селективный доступ NO к электроактивной поверхности, одновременно блокируя или отклоняя интерферирующие виды. Известны следующие модификаторы электродов: фторированный ксерогель, оксид индия и олова, восстановленный оксид графена, 3-аминофенилбороновая кислота, ортофенилендиамин, политетрафторэтилен, 3-аминопропил-триэтоксисилан, сален (бис-2-гидроксибензальдегид-этилендиамин), углеродные нанотрубки, мелдолинский синий, соединения железа (гексацианоферрат, железо(III) тетра-4-карбоксифенил-порфирин) [1]. NO-чувствительные материалы для изготовления NO-сенсоров включают ряд белков (гемосодержащие миоглобин, гемоглобин, цитохром С, гуанилатциклаза, а также микропероксидаза, супероксиддисмутазы, каталаза), металлопорфирины и металлофталоцианины, нафталин-1-илметилфосфоновую кислоту, гексадецилтриметиламмоний бромид, 5-амино-1-нафтол и др. [1].

Кластер 2 сформирован терминами, описывающими взаимодействия сенсоров с клетками, тканями и другими биосубстратами, в которых измеряются уровни NO, и подчеркивает важные аспекты биосовместимости разрабатываемых сенсоров. Сенсоры оксида азота и их отдельные компоненты не должны провоцировать воспаление (GO:0004052 Арахидонат 12-липоксигеназа, GO:0008392 Арахидонат эпоксигеназа, GO:0050051 Лейкотриен-B4 20-монооксигеназа, GO:0050720 Биосинтез интерлейкина-1-бета, GO:0052598 Гистаминоксидаза), нарушать работу кальциевых каналов (GO:0032237 Кальциевые каналы, GO:1903170 Ионные каналы кальция, GO:0035585 Кальций-опосредованный сигнал, GO:0031856 Рецептор паратиреоидного гормона) и ферментов гомеостаза оксида азота (GO:0050421 Нитритредуктаза).

В целом информацию о материалах, исследуемых при разработке биосенсоров оксида азота, мы распределили по пяти рубрикам:

– электрохимические сенсоры (отличающиеся самой высокой чувствительностью);

– сенсоры на основе композитных наноматериалов (допускающих регулировки селективности посредством специальных материалов);

– спектроскопические (флуоресцентные, хемилюминесцентные) сенсоры;

– сенсорные материалы на основе белков;

– NO-cенсоры на основе порфиринов и фталоцианинов и производных витамина В12.

Электрохимические сенсоры

Электрохимическое определение NO основано на электроокислении NO до иона NO⁺ на электроде датчика с последующим образованием нитрит-аниона NO²⁻. Анион NO²⁻ электрохимически активен и может подвергаться последующему электрохимическому окислению на электроде сенсора (датчика) до нитрат-аниона. Регистрируемый сигнал при обнаружении NO электрохимическим методом представляет собой ток, генерируемый на поверхности электрода в результате окисления NO. Количество окисленного NO пропорционально току, протекающему между электродами в электрохимической ячейке, и начальной концентрации NO в биосубстрате [2].

С фундаментальной точки зрения электрохимические методы отличаются наибольшей точностью и могут быть применены для непрерывного мониторинга NO в реальном времени. Сравнение методов клинического мониторинга вдыхаемого NO хемилюминесцентными анализаторами, электрохимическими датчиками и масс-спектрометрии показало, что хемилюминесцентные NO-сенсоры несколько занижают уровни NO2 в среде с высоким содержанием кислорода [9]. Тем не менее разработка соответствующих модификаций электрохимических NO-сенсоров для обеспечения адекватного уровня селективности, чувствительности и биосовместимости представляет собой актуальнейшую научно-техническую проблему [1].

Электрохимические сенсоры включают три поколения [1]:

– обнаружение электроактивных побочных продуктов;

– искусственные окислительно-восстановительные медиаторы для перемещения электронов к электроду;

– прямой перенос электронов между молекулой NO, окислительно-восстановительным центром и собственно электродом.

Электрохимические методы можно настраивать на селективность, чувствительность и биосовместимость в сложных биологических средах, они подходят для мониторинга высвобождения NO и ONOO⁻ в реальном времени.

Обнаружение NO, выделяемого живыми клетками, может быть достигнуто с помощью электрохимического сенсора на основе металлоорганического каркаса и пептида аргинин-глицин-аспартат (RGD) с пределом обнаружения 12 нМ и временем отклика 1 с, что подходит для практического применения при изучении биологических процессов и в клинической диагностике [10].

Для выявления NO в жидкой среде разработаны бумажные электрохимические датчики, интегрированные с золотыми наночастицами и углеродной тканью с низким пределом обнаружения (2,35 нМ), широким линейным диапазоном (10 – 400 000 нМ), быстрым временем отклика (0,35 с) [3]. Такой подход может быть использован и в разработке тест-полосок для NO (при условии применения дополнительного внешнего прибора, подобного глюкометру).

NO-сенсоры на основе композитных наноматериалов

Электрохимические сенсоры (датчики) NO на основе композитов представляют наиболее перспективное направление исследований, т.к. предполагают таргетную регулировку селективности сенсора для заданной биосреды (выдыхаемый воздух, слюна, кровь, моча). Для устранения помех от анионов NO2, NO3 и других мешающих соединений (дофамин, ацетаминофен, мочевая и аскорбиновая кислоты и др.), присутствующих в биологических средах наряду с молекулами NO, используются полимерные мембраны, позволяющие отделять эффекты NO от эффектов всех остальных молекул. Нанесение мембран из нафиона (перфторированная полимерная сетка, содержащая сульфокислотные группы), поликарбазола, графена, металлоорганических каркасов, пористых наноуглеродных материалов, полистирола, фторированного ксерогеля и других веществ позволяет существенно увеличить чувствительность и селективность получаемых таким образом «композитных» NO-сенсоров [2].

В качестве материалов таких NO-сенсоров исследуются нанокристаллы ванадата висмута BiVO4, встроенные в нановолокна SnO2 (предел обнаружения 50 мкг/кг) [11], нанопроволоки нитрида галлия (предел обнаружения 180 нМ) [12], платинированный нафион [13], поли-п-фениленвинилен (предел обнаружения 23 нМ) [14], пирохлорат нафиона/рутената свинца с двойной сенсорной активностью для NO и NO²⁻ (предел обнаружения 4,8 нМ для NO²⁻ и 15,6 нМ для NO) [15], сверхтонкие нанопористые пленки поли-3-гексилтиофена (предел обнаружения 33 нМ для NO) [16].

В частности, для скрининга воспаления дыхательных путей могут потребоваться специальные датчики NOx на основе нанокомпозитных материалов. Например, такой газовый датчик был сконструирован из проводящего металлоорганического каркаса (кобальт-2,3,6,7,10,11-гексаиминотрифенилен с хлоридом полидиметилдиаллиламмония) и оксида графена. По сравнению с простыми датчиками на основе оксида графена этот нанокомпозит показывает значительно улучшенную чувствительность и селективность к NOx среди различных газовых аналитов благодаря своей складчатой и пористой структуре, а также многочисленным активным центрам. Предел обнаружения для NO – 11 мкг/кг, для NO2 – 7 мкг/кг при комнатной температуре. При клиническом использовании данные, полученные от такого сенсора, могут позволить дифференцировать пациентов с острым воспалением дыхательных путей от пациентов с хроническим воспалением [17].

Нанокомпозитные материалы также позволяют увеличивать чувствительность сенсора к оксиду азота. Например, датчик NO в газовой фазе при комнатной температуре, разработанный на основе нанокомпозита полианилина и оксида вольфрама, легированного ионами меди, крайне чувствителен к NO в газообразной среде при комнатной температуре в сухом азоте. Нижний предел обнаружения NO – менее 0,01 нМ. При содержании NO в газовой фазе всего в количестве 1 мкг/кг отношение «сигнал/шум» равно 17 с высокой селективностью к NO без существенной реакции на молекулы O2, NH3 или CO2 [18].

Флуоресцентные, хемилюминесцентные и другие спектроскопические сенсоры

Традиционно спектроскопия и электрохимия являются единственными методами, которые позволяют напрямую обнаруживать NO. В хемилюминесцентных методах реакция NO с озоном производит диоксид азота в возбужденном состоянии, который испускает детектируемый фотон при релаксации в основное состояние. С помощью аддуктов NO, образованных со специализированными красителями или спиновыми ловушками, проводится флуоресцентное и электронно-парамагнитное резонансное обнаружение. Спектроскопические методы обеспечивают высокую чувствительность (предел обнаружения – пикомоли) и присущую им селективность, но они в значительной степени ограничены необходимостью использования сложной аппаратуры и дополнительных реагентов, вводимых в среду образца. Более того, необратимое образование аддуктов в некоторых случаях препятствует мониторингу колебаний NO в реальном времени [1].

Наиболее распространенный подход к обнаружению NO включает использование о-диаминоароматических соединений в аэробных условиях (рис. 2а). Эти соединения реагируют с NO⁺ или N2O3, образуя флуоресцентные производные триазола. Включение сигналов флуоресценции достигается путем ингибирования фотоиндуцированного переноса электронов, в т.ч. с флуорофорами на основе родамина, где флуоресценция восстанавливается при открытии кольца в присутствии NO (рис 2b). Также сообщалось о другом подходе включения флуоресцентного сенсора для NO посредством окислительного дезаминирования ароматического первичного моноамина (рис. 2с) или с реакцией N-нитрозирования, приводящей к образованию диазорного кольца (рис. 2d) [19].

Флуоресцентный NO-сенсор на основе родамина-B и 2-пиридин-2-илметоксибензальдегида может функционировать в водной среде и использоваться как внутриклеточный NO-сенсор. Реакция материала сенсора с NO приводит к образованию нитрозогидроксиламина с селективным открытием спиролактамного кольца, вызывая заметное усиление поглощения и испускания. Самый низкий предел обнаружения составил 83 нМ. Сенсор обладает низкой цитотоксичностью [19].

Флуоресцентный наносенсор для обнаружения NO в живых клетках в процессе состоит из NO-распознающего фрагмента (адамантил-о-фенилендиамина), флуорофора (родамин-B, детекция связывания NO) и биосовместимого полимера циклодекстрина (несущая структура материала сенсора). Молекула о-фенилендиамина реагирует с NO (при pH<7,0), что сопровождается изменением цвета флуоресценции с фуксии на розовый. Предел обнаружения NO составил 22,3 нМ (0,7 мг/кг). Этот наносенсор успешно использовался для визуализации NO в живых макрофагах при изучении NO-опосредованного воспаления [20].

Адекватный подход к молекулярной инженерии позволил разработать двухчувствительный флуоресцентный сенсор для обнаружения как NO, так и диоксида серы. Флуоресцентный сенсор был создан на основании молекулы CGT (производное 4-бром-нафталинового ангидрида, 4-диэтиламиносалицилового альдегида и 4-1-пиперазинил ацетофенона) с двумя различными излучающими флуорофорами (нафталимид и ксантин). Когда сенсор инкубировался с HSO³⁻, цвет тестового раствора изменялся на темно-желтый, без флуоресценции. После добавления NO²⁻ цвет раствора менялся на желтый с ярко-голубой эмиссией. Если сначала добавляли NO²⁻, цвет изменялся на темно-фиолетовый с белой эмиссией, а при дальнейшем добавлении HSO³⁻ – на желтый с ярко-голубой эмиссией. Сенсор на основе CGT показал высокую чувствительность и селективность по отношению к SO2/HSO³⁻ (предел обнаружения 20,2 нМ) и NO/NO²⁻ (предел обнаружения 4,1 нМ) [21].

Для разработки флуоресцентных NO-сенсоров также исследуются комплексы полипиридиндиамина рения (I) [22]. Комплексы меди (II) с дансил-3-диметиламино-пропиламином или дансил-дипропилентриамином функционируют в нейтральном водном растворе (pH 7,2) [23]. Наносферы, наполненные флуорофором дансил-пиперазином (Ds-pip) и солью родия, флуоресцируют, когда комплекс «флуорофор – родий» разрушается при связывании NO [24].

Белковые сенсоры

Внутри клетки представлены особые гемосодержащие белки, специфически взаимодействующие с NO и участвующие в реализации его биологической активности. Известно, что гемоглобин, миоглобин, цитохром С и растворимая гуанилатциклаза специфично связывают молекулу NO посредством окислительно-восстановительного центра (железо II/III в составе гема) [1]. Растворимая гуанилилциклаза – природный белок-сенсор NO, участвующий в реализации биологических эффектов NO на вазодилатацию и заживление ран. Железосодержащий гем b-типа находится в N-концевом NO-связывающем домене гуанилилциклазы и координируется через остаток гистидина His-105 (рис. 3) [25].

Газосвязывающие гемосодержащие белки (гемоглобин, цитохромы Р450, гуанилатциклаза и др.) специфично взаимодействуют с NO, и это может быть использовано для создания NO-сенсоров. Наличие в гемосвязывающем кармане такого белка двух остатков фенилаланина, расположенных вблизи дистального газосвязывающего сайта, способствует специфичности взаимодействия белка с NO. Конформационное изменение структуры белка при связывании молекулы NO можно применить для создания более чувствительных сенсоров [26].

Действительно, разработан электрохимический биосенсор на основе цитохрома CYP55B1 для измерения уровней внеклеточного NO посредством иммобилизации CYP55B1 на поверхности пиролитического графитового электрода за счет сшивания с бычьим сывороточным альбумином. Сродство белка к NO составило 12 нМ, предел обнаружения – 0,5 нМ (для отношения «сигнал/шум» 3) при линейном диапазоне 5–50 нМ [27]. NO-сенсор на основе нанопленок гемоглобина/полиэтиленимина на поверхности графитового электрода характеризовался пределом обнаружения NO 40 нМ [28]. Простой и достаточно чувствительный электрокаталитический NO-биосенсор разработан на основе пероксидазы хрена, зафиксированной на наночастицах золота в металлоорганическом многослойном каркасе (широкий линейный диапазон 33 – 5 370 000 нМ, нижний предел обнаружения NO 10 нМ) [29]. Недостатком содержащих белок сенсорных материалов является сложность изготовления, дороговизна и невысокая стабильность (что делает необходимой частую замену сенсоров).

Сенсоры на основе порфиринов, фталоцианинов и производных витамина В12

Производные порфирина и фталоцианина в связи с их свойствами образовывать комплексы с большинством ионов металлов и разнообразной координационной химией часто используются для разработки селективных NO-сенсоров [2]. Металлопорфириновые наносенсоры (диаметром 200–300 нм) можно точно позиционировать в клеточной мембране и использовать для мониторинга NO и пероксинитрита в отдельных клетках. Время отклика таких сенсоров меньше миллисекунды, а пределы обнаружения для NO и ONOO⁻ составляют 1 и 3 нМ соответственно [30].

Материалы на основе фталоцианинов и порфиринов могут быть использованы для разработки сенсоров NO в водных растворах и биологических субстратах [2]. Молекулярный биосенсор на базе координированного комплекса железа с порфириновым ядром, встроенным в структуру растворимого фермента гуанилатциклазы, позволяет отличать связывание CO от NO вследствие различия в спектрах кругового дихроизма (в отличие от СО, молекула NO изгибается при взаимодействии с железом порфирина, что видно при получении полного спектра) [31].

Перспективным направлением разработки сенсорных материалов для NO является использование химических производных витамина В12. Структура корринов (соединений, схожих по строению с витамином В12) представляет собой своего рода универсальный химический шаблон для таргетной доставки лекарств, разработки химических сенсоров и антидотов. Свойства производных витамина В12 могут регулироваться путем введения специфических замещений групп в различных позициях корринового кольца [32].

Кобинамид связывает NO с высокой аффинностью [33]. NO имеет высокое сродство к кобаламину Cbl(II) но не реагирует с Cbl(III) при нейтральном pH. Кобинамид характеризуется в 100 раз большим сродством к NO, чем Cbl(II) [34]. Комплекс Cbl(III)-NO стабилен. Аденозилкобаламин и метилкобаламин восприимчивы к фотолизу, а цианокобаламин и аквакобаламин – нет. Cbl(II)-нитрозил медленно окисляется с образованием Cbl(III)-NO. Образование нитрозилкобаламинового комплекса Cbl(III)-NO снижает коферментную активность кобаламина в составе фермента метионинсинтазы, что позволяет количественно характеризовать NO, связанный с кобаламином, посредством спектрофотометрии [35].

Исследования взаимодействия NO с кобаламинами показали, что комплекс Cbl(III)NO идентифицируется посредством спектроскопической технологии электронного парамагнитного резонанса [36]. Электрохимические и спектральные исследования реакций аквакобаламина с NO и нитрит-ионом продемонстрировали, что аквакобаламин AqCbl(III) восстанавливается NO с образованием AqCbl(II) [37]. Восстановленная форма аквакобаламина AqCbl(II) эффективно связывает NO c формированием нитрозильного аддукта AqCbl(II)-NO, который имеет уникальные спектральные характеристики [38].

Хемореактомный анализ различных форм витамина В12 (цианокобаламина, аквакобаламина, гептаметилового эфира цианоаквакобириновой кислоты, гептаметилового эфира дицианокобириновой кислоты и стабильного желтого корриноида) указал на хорошую биосовместимость, более того – на нейропротекторные свойства [39].

В наших работах было показано также, что полусинтетическое слегка гидрофобное производное витамина B12 (гептаметиловый эфир аквацианокобириновой кислоты) проявляет биологическую активность in vivo. Витамин B12 был успешно инкапсулирован в наноинженерные микронные полимерные капсулы [40]. Внутри капсул соединение существует в форме наноструктур. Недавно нами был продемонстрирован первый пример формирования наночастиц безнуклеотидного аналога витамина В12 (ACmCby) в белковых наноносителях и показана нейропротекторная активность in vivo этой собственной наноформы препарата [41]. Изучено влияние инкапсулированных препаратов на характер и тяжесть первично-генерализованных судорог у крыс, вызванных фармакотоксикантом тиосемикарбазидом. Цианокобаламин и ACmCby проявили нейропротекторное действие. Наилучшее влияние инкапсуляции на эффективность препаратов достигнуто в случае ACmCby, биодоступность которого как нейропротектора не изменилась при введении в частицы бычьего сывороточного альбумина, т.е. при применении ACmCby в свободной форме и в инкапсулированном состоянии выжили 33% животных. Без введения препаратов выживших крыс не наблюдалось.

Формирование молекулярных сборок на интерфейсах является специфической чертой этого класса соединений [42–45]. Самосборка – ключевой процесс в формировании наночастиц, в т.ч. биоактивных соединений с улучшенными свойствами по сравнению с исходными молекулами [46–49]. Была продемонстрирована возможность самосборки соединений в 2D- и 3D-наноструктуры, обладающие контролируемыми свойствами [50–55]. Получение подобных наночастиц лекарственных препаратов и исследование их свойств in vitro и in vivo – зарождающееся направление в наномедицине. Мы сообщили о полученных таким способом супермолекулярных наночастицах производного витамина B12 (а именно гептабутилового эфира аквацианокобириновой кислоты, ACBuCby) – уникальных, проявляющих сильные нековалентные межмолекулярные взаимодействия и обладающих интригующими свойствами [56]. Помимо воспроизведения функциональных свойств комплексов витамина B12 с белками в живых организмах наночастицы обладают важными преимуществами по сравнению с витамином B12. Они более эффективны в реакциях восстановления/выделения кислорода и превращениях в другие формы [55]. Показана быстрая реакция тонких пленок на основе этих наночастиц на газообразные токсины, особенно опасные для человека (цианистый водород, аммиак, диоксид серы и сероводород) [57]. Такие наночастицы могут стать альтернативной формой лекарственных средств, широко используемых в медицине (в частности, витамина B12) а также тонкопленочных тест-систем для медицинского применения.

Таким образом, имеющиеся данные открывают новое и практически не исследованное направление разработки наноматериалов для NO-сенсоров на основе наночастиц химических производных витамина В12.

Для ранней диагностики и оценки эффектов лечения необходим новый биоаналитический метод мониторинга метаболита NO, связанного с воспалительными заболеваниями. Процесс определения NO в биосубстратах подразумевает соблюдение ряда специальных требований к сенсорам (датчикам) – простая подготовка образцов, малые размеры, предел обнаружения не менее 10 мкг/кг, невысокая стоимость. Общими требованиями к сенсорным материалам являются высокая чувствительность к NO при очень низких концентрациях и селективность в присутствии факторов окружающей среды.

Несмотря на разнообразие NO-сенсоров, описанных в настоящей работе, разработка надежного метода обнаружения NO, который одновременно характеризовался бы высокой чувствительностью и селективностью, биосовместимостью, стабильностью и воспроизводимостью результатов в различных биосубстратах, все еще остается сложной научно-технической задачей. Новейшим направлением исследований в данной области является оценка возможностей применения новых производных витамина В12, в т.ч. тонкопленочных наноматериалов на их основе, в качестве чувствительного материала NO сенсоров.

1. Патент RU2806575C1 «Способ лечения гиперкапнической дыхательной недостаточности с признаками вторичной легочной артериальной гипертензии». 2. https://berkeleylife.com/products/nitric-oxide-test-strips/; https://aliexpress.ru/item/1005005968674251.html.