Химики из Уральского федерального университета разработали способ получения основы для люминесцентных красителей из углеводов. Эти красители пригодятся для создания новых материалов, но особенно перспективны для применения в биомедицине: для визуализации тканей, диагностики и лечения болезней. Описание полученных молекул и методы их синтеза исследователи опубликовали в журнале Dyes and Pigments.
«Молекулы, которые используются в нашей работе, знакомы каждому человеку – их можно почувствовать, например, когда ощущается аромат свежего хлеба или сахарной ваты. Если говорить упрощенно, то биосовместимые флуорофоры – светящиеся красители – получают в результате нескольких этапов синтеза из сахара или целлюлозы. И схожие по структуре молекулы содержатся в свекле, – так поясняет суть работы соавтор исследования, доцент кафедры органической химии и высокомолекулярных соединений УрФУ Дмитрий Обыденнов.
Биосовместимые красители базируются на 4-пиронах, которые либо присутствуют в природной среде, либо создаются посредством химического синтеза. По словам ученых, это доступные, простые и экономичные молекулы, которые можно извлекать из возобновляемых ресурсов (путем использования биотехнологий) или производить в лабораторных условиях.
«Изначально красители на основе пиронов применялись для производства первых органических светодиодов (OLED). В настоящее время этот класс соединений демонстрирует значительный потенциал в биомедицине, в частности, в диагностике и терапии разнообразных заболеваний. Это, по сути, химия будущего, позволяющая создавать полезные продукты из возобновляемых источников. При этом мы ориентируемся на использование наиболее доступных реагентов, а также на разработку простых и результативных способов синтеза», — говорит Дмитрий Обыденнов.
Предложенные учеными УрФУ простые методы синтеза дают возможность модифицировать структуру и регулировать цвет свечения в диапазоне от голубого до красного. Одно из последних созданных химиками УрФУ соединений обладает способностью светиться в области ближнего инфракрасного спектра, длина волны которого составляет примерно 700 нанометров. По словам химика, белки не взаимодействуют со светом в этом диапазоне, что обеспечивает простую детекцию красителя и позволяет отслеживать различные заболевания.
В настоящее время во всем мире наблюдается активное развитие данной области: ученый отмечает, что разрабатываются биотехнологические способы производства пиронов из углеводов. Некоторые структуры уже осуществляют синтез на промышленном уровне. Однако технологии синтеза, особенно используемые в коммерческих целях, не предаются гласности.
«На это направление обращают пристальное внимание во всем мире. В частности, в Китае активно проводятся исследования по данной теме. И нам также необходимо было освоить создание собственных разработок. Фактически, мы начали все с самого начала: выявили эти структуры, отладили способы синтеза, синтезировали около 50 новых красителей, представили полученные данные. Нам уже удалось определить соединения, готовые к практическому применению, — отмечает Дмитрий Обыденнов.
Ученые намереваются увеличить число синтезируемых молекул. По словам Обыденнова, химики планируют адаптировать этот метод для создания биоактивных молекул и полимерных материалов, используя широкий спектр других природных соединений, количество которых остается значительным.
Разработка биосовместимых светящихся красителей осуществлялась в течение нескольких лет при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (в рамках программы «Приоритет-2030») в контексте Десятилетия науки и технологий, а также Российского научного фонда (проект № 18–13–00186). Результаты исследований ученые опубликовали в серии статей.
Справка
В настоящее время во всем мире разрабатываются люминогены, основанные на эффекте AIE – это люминесцентные материалы, демонстрирующие свечение при объединении частиц. Другими словами, в растворенном состоянии или в виде отдельных молекул они обладают слабой или отсутствующей люминесценцией, однако начинают интенсивно флуоресцировать при формировании агрегатов, что отличается от поведения обычных флуорофоров, которые теряют яркость при объединении.
Люминогены находят применение в биоимиджинге (визуализации живых клеток и тканей), а также при создании датчиков, сенсоров и светоизлучающих диодов. Свечение этих веществ можно регулировать, они отличаются высокой фотостабильностью, способны глубоко проникать в ткани и обладают хорошей биосовместимостью. В связи с этим, такие красители представляют интерес для использования в медицине. Например, они могут применяться для диагностики заболеваний почек, вызванных инфицированными мочевыми камнями, для мониторинга и определения количества ионов кальция в органах с повышенным содержанием кальция, для визуализации, захвата и отслеживания клеточных органелл, в особенности лизосом и митохондрий, а также в нанотерапии.
Модифицированные люминофоры способны генерировать активные формы кислорода, что может приводить к уничтожению раковых клеток. Благодаря этим свойствам они представляют интерес для фотодинамической терапии, позволяющей обнаруживать и разрушать опухоли, минимизируя вред для окружающих тканей и всего организма, благодаря их биосовместимости и возможности точечного воздействия.
Материалы и фотографии предоставлены Отделом научных коммуникаций УрФУ