Докладчик : М.И. Лернер

1. 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

2. 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 (UnitedNationsHumanDevelopmentReport - 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.

3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» ИНФОРМАЦИЯ • Почти 75 % больничных палат заражены метицилин-резистентными штаммами золотистого стафилококка (McCaughey B. Coming Clean // NY Times. ‑ June 6th, 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 (HandbuchderAntiseptik. ‑ Berlin: Veb. Verlag Volk und Gesundheit, 1984). • 77–88% штаммов золотистого и коагулазоотрицательных стафилококков устойчивы к фурацилину и хлорамину (HandbuchderAntiseptik. ‑ Berlin: Veb. Verlag Volk und Gesundheit, 1984).

4. 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.

5. 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).

6. 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.

7. 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.

8. НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» Синтез низкоразмерных структур Наночастицы Al/AlN Электроположительные структуры AlOOH + Al(OH)3 Дзета – потенциал электроположительных структур оксигидроксида алюминия - до +100 mV

9. 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

10. НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» Сорбция микроорганизмов материалом из водной среды

11. НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» СОРБЦИЯ эндотоксинов Фильтрация через дисковый фильтр 13 см2

12. 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.

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

14. 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.

15. 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/AlN/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

16. НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» Композиционные наночастицы

17. НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» Физико-химические свойства прекурсоров Низкоразмерные структуры оксигидроксида алюминия модифицированные наночастицами оксида меди

18. 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 7935in vitro тест − методом AATCC 100–2004, исходная концентрация микроорганизмов 2 ×103 КОЕ/мл . Примечание:сорбент нанесен на микроволокна полимерного материала Вывод: максимальным антимикробным действием обладают наноструктурные материалы на основе Al/AlN/Cu

19. 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/CaLac 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.

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

21. 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 InstituteforWater Resources Research, Вьетнам. • National Institute of Virology, Индия. • Kitasato Research Center of Environmental Sciences, Япония. • Water Research Institute, Словения

22. 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 медицинская академия последипломного образования», г. Москва. • 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. СибГМУ, г. Томск; • Городская клиническая больница №3, г. Саратов; • Центральная клиническая больница Ханоя, Вьетнам; • Центральная больница Мумбая, Индия; • Клиника хирургии, Сеул, Южная Корея.

23. 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»

24. 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

26. Электроположительные свойства Зависимость дзета-потенциала частиц оксигидроксида алюминия от количества адсорбированного бактериофага MS2 на их поверхности. Зависимость величины дзета - потенциала частиц оксигидроксида алюминия от ионной силы раствора;СKCl — концентрация KCl в растворе, моль/л.

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

28. Водоочистители AquaVallis

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

30. Фильтровальный материал Скоростьфильтра-ции, см/сек Эффективность сорбции бактериофага MS2, % Цена, USD/m3 CUNO (2 mm толщина) 1.0 99.0 720 000 MILLIPORE (мембрана с размером пор25 nm) 0.003 100(removes particles with size  25 nm) 511 000 – 2 980 000 AquaVallis (2 mm толщина) 1.0 99.99 – 100 300 000 Нанофильтровальный материал AquaVallis AquaVallis фильтровальный материал удовлетворяет требованиямуправления по охране окружающей среды и Оборонным спецификациям США, предъявляемым к микробиологическим водоочистителям.

31. 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