Химики из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый тип флуоресцентной молекулы, которую, как они надеются, можно будет использовать для получения более чётких изображений опухолей.
Новый краситель
Новый краситель основан на ионе борениума — положительно заряженной форме бора, которая может излучать свет в диапазоне от красного до ближнего инфракрасного. До недавнего времени эти ионы были слишком нестабильны для использования в медицинской визуализации и других биомедицинских приложениях.
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Chemistry, учёные показали, что они могут стабилизировать ионы борениума, присоединяя их к лиганду. Этот подход позволил им создать борениумсодержащие плёнки, порошки и кристаллы, которые излучают и поглощают свет в красном и ближнем инфракрасном диапазоне.
Это важно, потому что свет ближнего ИК-диапазона легче увидеть при визуализации структур глубоко в тканях, что может позволить получить более чёткие изображения опухолей и других структур в организме.
«Одна из причин, по которой мы фокусируемся на красном и ближнем ИК-диапазоне, заключается в том, что такие красители проникают в тело и ткани гораздо лучше, чем свет в УФ- и видимом диапазонах. Стабильность и яркость красных красителей — это задачи, которые мы пытались решить в этом исследовании», — говорит Роберт Гиллиард, профессор химии в MIT и старший автор исследования.
Преимущества красных флуоресцентных красителей
Большинство методов флуоресцентной визуализации основаны на красителях, которые излучают синий или зелёный свет. Эти агенты хорошо работают в клетках, но не так полезны в тканях, потому что низкие уровни синей и зелёной флуоресценции, производимой организмом, мешают сигналу. Синий и зелёный свет также рассеиваются в тканях, ограничивая глубину его проникновения.
Агенты визуализации, излучающие красный свет, могут давать более чёткие изображения, но большинство красных красителей нестабильны и не дают яркого сигнала из-за низкого квантового выхода (соотношение излучаемых флуоресцентных фотонов на поглощённый фотон света). Для многих красных красителей квантовый выход составляет всего около 1%.
Среди молекул, которые могут излучать свет в ближнем инфракрасном диапазоне, есть катионы борениума — положительно заряженные ионы, содержащие атом бора, присоединённый к трём другим атомам.
Когда эти молекулы были впервые обнаружены в середине 1980-х годов, они считались «лабораторной диковинкой», говорит Гиллиард. Эти молекулы были настолько нестабильны, что с ними приходилось обращаться в герметичном контейнере, называемом перчаточным боксом, чтобы защитить их от воздействия воздуха, который может привести к их разрушению.
Позже химики поняли, что могут сделать эти ионы более стабильными, присоединив их к молекулам, называемым лигандами. Работая с этими более стабильными ионами, лаборатория Гиллиарда обнаружила в 2019 году, что они обладают некоторыми необычными свойствами: а именно, они могут реагировать на изменения температуры, испуская свет разного цвета.
Однако на тот момент «существовала существенная проблема в том, что они всё ещё были слишком реактивными для работы на открытом воздухе», — говорит Гиллиард. Его лаборатория начала работать над новыми способами дальнейшей стабилизации их с помощью лигандов, известных как карбодикарбены (CDC), о чём они сообщили в исследовании 2022 года. Благодаря этой стабилизации соединения теперь можно изучать и обрабатывать без использования перчаточного бокса. Они также устойчивы к разрушению под действием света, в отличие от многих предыдущих соединений на основе борениума.
В новом исследовании Гиллиард начал экспериментировать с анионами (отрицательно заряженными ионами), которые являются частью соединений CDC-борениум. Исследователи обнаружили, что взаимодействие между этими анионами и катионом борениума порождает явление, известное как экситонная связь. Эта связь, по их мнению, сместила свойства излучения и поглощения молекул в сторону инфракрасного конца цветового спектра. Эти молекулы также генерировали высокий квантовый выход, позволяя им светить ярче.
«Мы не только находимся в нужной области, но и эффективность молекул также очень высока», — говорит Гиллиард. «Мы достигли показателей в тридцать процентов для квантового выхода в красной области, что считается высоким для этой области электромагнитного спектра».
Исследователи также показали, что они могут преобразовывать свои борениумсодержащие соединения в несколько различных состояний, включая твёрдые кристаллы, плёнки, порошки и коллоидные суспензии.
Для биомедицинской визуализации Гиллиард предполагает, что эти борениумсодержащие материалы можно будет инкапсулировать в полимеры, что позволит вводить их в организм для использования в качестве красителя для визуализации. В качестве первого шага его лаборатория планирует работать с исследователями из химического факультета MIT и в Институте Броуда в MIT и Гарварде, чтобы изучить потенциал визуализации этих материалов внутри клеток.
Благодаря своей чувствительности к температуре эти материалы также могут быть использованы в качестве датчиков температуры, например, для мониторинга того, подвергались ли лекарства или вакцины воздействию слишком высоких или низких температур во время транспортировки.
«Для любого типа применения, где важен контроль температуры, такие типы «молекулярных термометров» могут быть очень полезны», — говорит Гиллиард.
Если включить эти молекулы в тонкие плёнки, они также могут быть полезны в качестве органических светоизлучающих диодов (OLED), особенно в новых типах материалов, таких как гибкие экраны, говорит Гиллиард.
«Очень высокий квантовый выход, достигнутый в ближнем ИК-диапазоне, в сочетании с отличной стабильностью в окружающей среде делает этот класс соединений чрезвычайно интересным для биологических применений», — говорит Фридер Яекле, профессор химии в Университете Рутгерса, который не участвовал в исследовании.
«Помимо очевидной полезности в биовизуализации, сильное и настраиваемое излучение в ближнем ИК-диапазоне также делает эти новые флуорофоры очень привлекательными в качестве интеллектуальных материалов для защиты от подделок, датчиков, переключателей и передовых оптоэлектронных устройств».
Помимо изучения возможных применений этих красителей, исследователи сейчас работают над тем, чтобы расширить их цветовую эмиссию дальше в область ближнего инфракрасного диапазона, чего они надеются достичь, включив дополнительные атомы бора. Эти дополнительные атомы бора могут сделать молекулы менее стабильными, поэтому исследователи также работают над новыми типами карбодикарбенов, чтобы помочь стабилизировать их.