Īsceļi

Jaunā molekulāri imprintēta polimēra sintēze un pielietošana kateholamīnu un to metabolītu selektīvai cietfāzes ekstrakcijai

Projekta nosaukums latviski: Jaunā molekulāri imprintēta polimēra sintēze un pielietošana kateholamīnu un to metabolītu selektīvai cietfāzes ekstrakcijai

Projekta nosaukums angliski: Synthesis and application of novel molecularly imprinted polymer for selective solid-phase extraction of catecholamines and their metabolites

Projekta numurs: lzp-2022/1-0141

Projekta īstenotājs: Latvijas Universitāte (LU)

Projekta vadītājs: Antons Podjava

Projekta īstenošanas vadošā iestāde LU ir Medicīnas un dzīvības zinātņu fakultāte

Projekta īstenošanas periods: 01.01.2023. – 31.12.2025.

Projekta kopējais finansējums: 300 000 EUR

Plānotie projekta rezultāti:

  • divu zinātnisko publikāciju iesniegšana Web of Science Core Collection vai SCOPUS datubāzēs iekļautajos žurnālos vai konferenču rakstu krājumos;
  • projektā iegūtie dati tiks prezentēti četrās konferencēs;
  • sorbenta prototipa īpašību un pielietošanas procedūras apraksts.

Zinātniskā grupa: Antons Podjava (Dr. Chem., projekta vadītājs), Jorens Kviesis (Dr. Chem., galvenais izpildītājs), Artūrs Šilaks (MChem., izpildītājs-studējošais), Valda Valkovska (MChem., izpildītājs-studējošais), Laura Bernāte (BSc, izpildītājs-studējošais)

Informācija par projektu Kateholamīni un to metabolīti (KA) ir endogēnie savienojumi, kuriem ir liela nozīme feohromocitomas un līdzīgo audzēju diagnostikā. Šo savienojumu noteikšanai bioloģiskajos šķidrumos nepieciešams izmantot darbietilpīgas parauga sagatavošanas procedūras un jutīgas detektēšanas metodes. Tāpēc, jauno selektīvo paraugu apstrādes materiālu ieviešanai klīniskās analīzes praksē ir liels pieprasījums. Tādējādi, šī projekta mērķis ir izstrādāt jaunā molekulāri-imprintēta sorbenta prototipu vienlaicīgai KA izdalīšanai un attīrīšanai no plazmas un piedāvāt cietfāzes ekstrakcijas-AEŠH-MS/MS procedūru, kas atbilst bioanalītiskās metodes validācijas prasībām. Projekta gaitā plānots iegūt materiālu ar tādām fizikāli-ķīmiskām īpašībām, kas ļautu selektīvi attīrīt KA no citiem asins komponentiem. Materiālam jādemonstrē augsta adsorbcijas kapacitāte, stabilitāte un jāatbilst prasībām integrēšanai automatizētajā analīzē.

PROJEKTĀ PAVEIKTAIS:

Projekta ietvaros iegūto rezultātu pārskats par laika posmu 01.01.2023. – 30.06.2024.

Projekta realizācijas laikā tika piedāvātas un izmēģinātas trīs dažādas vēlamo sorbentu sintēzes shēmas. Divas no tām tika atzītas par neatbilstošām dažādu ķīmisko problēmu dēļ. Savukārt, trešā sintēzes shēma, kas ietver sevī vienkārši sintezējamas izejvielas un prasa mazāk resursu polimēru sintēzei, tika izvēlēta tālākai projekta gaitai. Metodes pamatā ir tādu anjonu apmaiņas saišu izveide polimēra struktūrā, kur būtu iespējamas gan kateholamīnu, gan to metabolītu stipras mijiedarbības ar polimēra virsmu, kas nodrošinās adsorbciju no ūdens šķīdumiem. Šīs metodes ietvaros sekmīgi realizēta visu nepieciešamo funkcionālo monomēru/šablona molekulu sintēze, un iegūtās vielas tika izmantotas molekulāri imprintēto polimēru iegūšanas apstākļu izstrādei. Pārbaudīta funkcionālo monomēru/šablona molekulu un šķērssaišu veidošanas reaģenta attiecības, kā arī poru veidojošā šķīdinātāja ietekme uz iegūto polimēru spēju adsorbēt kateholamīnus un to metabolītus no ūdens un ūdens/acetonitrila (1:4) maisījumiem cietfāzes ekstrakcijas apstākļos. Lietojot šajos eksperimentos aprēķinātas atgūstamības un imprintinga faktora vērtības, tika izvēlēts labākais polimerizācijas maisījuma sastāvs un poru veidojošais šķīdinātājs turpmākai citu polimerizācijas apstākļu piemeklēšanai. Minētajos eksperimentos tika konstatēts, ka lielākai iegūto polimēru daļai ir pietiekama ūdens caurlaidība, kas norāda uz tiešo saderību ar bioloģiskiem paraugiem. Turklāt, apmierinošās atgūstamības vērtības visām analizējamām vielām neatkarīgi no parauga šķīdinātāja apstiprina izvēlētās polimēru iegūšanas metodes potenciālu un ļauj turpināt projektu, kā iepriekš plānots.

Visi iegūtie polimēri raksturoti ar Furjē infrasarkanās spektroskopijas un skenējošas mikroskopijas metodēm. Veikta izvēlēto polimēru adsorbcijas kapacitātes noteikšana attiecībā uz reprezentatīviem kateholamīnu metabolītiem (normetanefrīns un vanililmandeļskābe) ūdens šķīdumos, izmantojot adsorbcijas izotermu konstruēšanu un matemātisko apstrādi. Iegūto adsorbcijas izotermu aprakstam ir pielāgoti zināmi adsorbcijas modeļi. Ņemot vērā iegūtos adsorbcijas izotermu datus, piedāvāts abu pētāmo savienojumu adsorbcijas mehānisms uz izvēlētajiem polimēriem.

Projekta ietvaros iegūto rezultātu pārskats par laika posmu 30.06.2024. – 30.06.2026.

Turpmākajā projekta posmā tika veikti iegūto polimēru selektivitātes pētījumi, kuru gaitā tika izvēlēts tāds sorbents, kas spēj ar augstāku selektivitāti cietfāzaes ekstrakcijas apstākļos adsorbēt kateholamīnus un to metabolītus citu līdzīgo vielu klātbūtnē. Izvēlētais sorbents (prototips) ar projekta mērķim atbilstošākajām īpašībām tika veiksmīgi integrēts un validēts reālu bioloģisko matricu – cilvēka urīna un asins plazmas – analīzē saskaņā ar stingrajām ASV Pārtikas un zāļu pārvaldes (FDA) vadlīnijām. Polimēra funkcionālās grupas nodrošina parauga neitralizāciju tieši cietfāzes ekstrakcijas kārtridžos, kas pilnībā izslēdz laikietetilpīgu un manuālu paskābinātu klīnisko paraugu pH pielāgošanu pirms ekstrakcijas. Sorbents uzrādīja izcilu selektivitāti un augstu mērķa vielu atgūstamību (līdz 97%) pat strukturāli līdzīgu medikamentu (L-DOPA, metildopa un 3-OMD) augstu koncentrāciju klātbūtnē, kas klīniskajā analīzē var izraisīt viltus pozitīvus rezultātus. Izmantojot šo pieeju, tika izstrādāta efektīva un droša cietfāzes ekstrakcijas-AEŠH/MS/MS (offline-MISPE-UHPLC-MS/MS) platforma, kuru varētu izmantot vienlaicīgai kateholamīnu un to metabolītu noteikšanai urīnā (kopā 7 nosakāmas vielas) vai metanefrīna/normetanefrīna noteikšanai plazmā. Tā ļauj no viena bioloģiskā parauga (plazmas tilpumam sasniedzot pat tikai 25 µL) vienlaicīgi izolēt gan stipri bāziskus kateholamīnus un metanefrīnus, gan izteikti polārus skābos metabolītus, efektīvi novēršot kritisko sāļu un fosfolipīdu izraisīto analizējamo vielu signāla nomākšanu. Sorbents uzrāda teicamu stabilitāti un ir reģenerējams vismaz četrus ciklus pēc kārtas bez veiktspējas zuduma, kas būtiski samazina reaģentu un darba izmaksas klīniskajās laboratorijās. Šobrīd tehnoloģija ir sasniegusi 4. tehnoloģiskās gatavības līmeni (TRL 4), un tās unikālais ķīmiskais sastāvs kopā ar universālo ekstrakcijas protokolu demonstrē augstu patentēšanas potenciālu. Šīs tehnoloģijas sociālekonomiskā nozīme tieši atbilst Latvijas Viedās specializācijas stratēģijas (RIS3) prioritārajai jomai "Biomedicīna, medicīnas tehnoloģijas, biofarmācija un biotehnoloģijas". Izstrādātai platformai ir potenciāls paātrināt klīnisko lēmumu pieņemšanu un samazināt vienas analīzes izmaksas, nodrošinot ātru un pieejamu feohromocitomas un paragangliomas diagnostiku, kā arī audzēju izraisītu sekundāro hipertonisko krīžu skrīningu neatliekamās palīdzības nodaļās.

Zinātniskās publikācijas:

  1. Šilaks, A.; Podjava, A.; Bernāte, L.; Grebnevs, V.; Maciej, A. “ Novel StronglyBasicMolecularlyImprintedSolid-PhaseExtractionSorbentforSimultaneousDeterminationofCatecholaminesandTheirMetabolitesinUrine.” JournalofSeparationScience2026, 49 (6), e70467. https://doi.org/10.1002/jssc.70467
  2. Podjava, A.; Šilaks, A. In Situ Anion-GeneratingMolecularlyImprintedSolid-PhaseExtractionCoupledwith HILIC-MS/MS forDeterminationofMetanephrinesinLowVolumeofPlasma. Separations2026, 13, 182. https://doi.org/10.3390/separations13060182

Projektā iegūtie rezultāti ir prezentēti šādās konferencēs:

  1. A.Šilaks, A. Podjava. SynthesisandUseof Novel MolecularlyImprintedPolymersforSelectiveExtractionofCatecholaminesandTheirMetabolites. 81st InternationalScientificConferenceoftheUniversityof Latvia, OrganicChemistrySession (17.03.2023, Riga, Latvia). (Mutisks ziņojums).
  2. A.Šilaks, A. Podjava. SynthesisandUseofBifunctional Non-CovalentMolecularlyImprintedPolymers (MIPs) forSelectiveExtractionofCatecholaminesandTheirMetabolites. 82nd InternationalScientificConferenceoftheUniversityof Latvia, OrganicChemistrySession (15.03.2024, Riga, Latvia). (Mutisks ziņojums).
  3. A. Šilaks. Bifunkcionālunekovalentuimprintētu polimēru sintēze un to pielietošana selektīvai kateholamīnu un to metabolītu cietfāzes ekstrakcijai. RTU 65th Student ScientificandTechnilcalConference (Section: Chemistryand Chemical Technology) (26.04.2024, Riga, Latvia). (Mutisks ziņojums).
  4. A. Podjava, A. Šilaks, L. Bernāte, J. Kviesis, V. Valkovska. SynthesisofBifunctional Non-CovalentMolecularlyImprintedPolymers (MIPs) forSelectiveExtractionofCatecholaminesandTheirMetabolites. 40th InternationalSymposiumonMicroscaleSeparationsandBioanalysis (19.05.-22.05.2024, Brno, CzechRepublic). (Stenda referāts).
  5. A. Šilaks, A. Podjava. Influence ofRadicalInitiatorandMonomeronSorptivePropertiesofMolecularlyImprintedPolymers (MIPs) forSelectiveSolid-PhaseExtractionofCatecholaminesandTheirMetabolites, 83rd InternationalScientificConferenceoftheUniversityof Latvia, OrganicChemistrySection (14.02.2025, Riga, Latvia). Mutisks ziņojums.
  6. A. Šilaks, A. Podjava. Influence ofRadicalInitiatorandMonomeronSorptivePropertiesofMolecularlyImprintedPolymers (MIPs) forSelectiveSolid-PhaseExtractionofCatecholaminesandTheirMetabolites. RigaTechnicalUniversity 66th Student ConferenceofAppliedScience (Section: Chemistryand Chemical Technology) (24.04.2025, Riga, Latvia). Mutisks ziņojums.
  7. A. Šilaks, A. Podjava. Synthesisand Performance ofMolecularlyImprintedSorbentsforCatecholaminesandtheirMetabolitesUnderIn-Situ InducedAnion Exchange Solid-PhaseExtractionConditions, 54th InternationalSymposiumonHigh Performance LiquidPhaseSeparationsandRelatedTechniques (HPLC 2025) (15.06.-19.06.2025, Bruges, Belgium). Stenda referāts.

Kvalifikācijas darbs, kas izpildīts projekta realizācijas laikā:

L. Bernāte. “Kateholamīnu un to metabolītu selektīvai cietfāzes ekstrakcijai paredzēto molekulāri imprintēto polimēru adsorbcijas īpašību raksturojums”. Maģistra darbs. Aizstāvēts 06.06.2024., Rīga.

Populārzinātniskie pasākumi:

  1. Informācija par projektu prezentēta populārzinātniskajā pasākumā “Eiropas Zinātnieku nakts 2023”, kas norisinājās 29.09.2023. LU Dabaszinātņu akadēmiskajā centrā.
  2. Informācija par projektu prezentēta pasākuma “Ēnu diena” ietvaros, kas norisinājās 04.04.2025.LU Dabaszinātņu akadēmiskajā centrā, plkst. 9:00-13:00 (pieteikums “Ķīmiķis”).