Химики Уральского федерального университета придумали, как из углеводов получать основу для светящихся красителей. Такие красители можно использовать для создания новых материалов, но главное — они перспективны для биомедицинских приложений: биовизуализации тканей, диагностики и терапии заболеваний. Описание новых молекул и способы их создания исследователи опубликовали в журнале Dyes and Pigments.
Флуорофоры — светящиеся биосовместимые красители, созданные в УрФУ.
Фото: пресс-служба УрФУ
«Молекулы, с которыми мы работаем, каждый человек встречает в повседневной жизни, когда, например, чувствует запах свежеиспеченного хлеба или сахарной ваты. И если говорить упрощенно, то в ходе нескольких этапов синтеза из сахара или целлюлозы мы получаем биосовместимые флуорофоры — светящиеся красители. А близкородственные по своей структуре молекулы содержатся в свекле», — поясняет суть работы соавтор исследования, доцент кафедры органической химии и высокомолекулярных соединений УрФУ Дмитрий Обыденнов.
В основе биосовместимых красителей — 4-пироны, которые встречаются в природе или синтезируются химическими методами. Как добавляют ученые, это доступные — простые и недорогие — молекулы, которые, с одной стороны, можно получать из возобновляемых источников (биотехнологическими методами), а с другой — синтезировать в лаборатории.
«Исторически один из красителей такого типа — на основе пиронов — был использован для создания первых органических светодиодов (OLED). Но сейчас данный класс соединений имеет большой потенциал биомедицинского применения: в диагностике и лечении различных заболеваний. По сути, это химия будущего, когда удается создавать ценные продукты из возобновляемых ресурсов. При этом мы стремимся использовать максимально дешевые реактивы, а также удобные и эффективные методы получения», — рассказывает Дмитрий Обыденнов.
Несложные методы синтеза, которые предложили ученые УрФУ, позволяют изменять основу и настраивать цвет свечения от голубого до красного, а одно из последних соединений, которое получили химики УрФУ, светится в области ближнего инфракрасного спектра около 700 нанометров. Как поясняет химик, белки не поглощают свет в этом диапазоне, что позволяет легко детектировать краситель и мониторить заболевания.
Во всем мире сейчас активно развивается это направление: создаются биотехнологические методы получения пиронов на основе углеводов, добавляет ученый. Некоторые структуры уже синтезируют на промышленном уровне. Однако технологии синтеза, в особенности коммерческие, не раскрываются.
«Во всем мире этому направлению уделяется серьезное внимание. В том числе в Китае по этой теме проводится много исследований. И нам тоже надо было научиться создавать свои. По сути, мы все сделали с нуля: вскрыли эти структуры, отработали методы синтеза, синтезировали порядка 50 новых красителей, опубликовали данные. Нам уже удалось получить структуры, которые близки к внедрению», — добавляет Дмитрий Обыденнов.
В планах ученых — расширить ассортимент получаемых молекул. Как поясняет Обыденнов, химики хотят распространить метод для синтеза биоактивных молекул и полимерных материалов, использовать другие малоактивные природные молекулы, которых еще очень много.
Отметим, работа по синтезу биосовместимых светящихся красителей велась на протяжении нескольких лет при поддержке Минобрнауки России (по программе «Приоритет-2030») в рамках Десятилетия науки и технологий, а также Российского научного фонда (проект № 18–13–00186). Результаты исследований ученые опубликовали в серии статей.
Сегодня во всем мире создают люминогены на основе AIE-эффекта — это люминесцентные материалы, которые излучают свет при агрегации частиц. То есть в растворе или в виде отдельных молекул они практически не светятся, но начинают ярко флуоресцировать при образовании скоплений, в отличие от традиционных флуорофоров, которые тускнеют при агрегации.
Такие люминогены используют для биоимиджинга (визуализация живых клеток и тканей), датчиков и сенсоров, светоизлучающих диодов. Их свечение можно настраивать, у них высокая фотостабильность, они глубоко проникают в ткани и хорошо биосовместимы. Поэтому такие красители рассматривают для медицинских целей. К примеру, для диагностики заболевания почек, инфицированных мочевых камней, мониторинга и количественного обнаружения ионов кальция в органах с избытком кальция, визуализации, захвата и отслеживания клеточных органелл, особенно лизосом и митохондрий, а также в нанотераностике.
Модифицированные люминофоры также потенциально могут приводить к генерации активных форм кислорода и таким образом вызывать гибель раковых клеток. Эти особенности делают их перспективными агентами для фотодинамической терапии: определение и выжигание опухоли без негативных последствий для органов и организма в целом за счет биосовместимости и точечного воздействия.
Информация и фото предоставлены Отделом научных коммуникаций УрФУ