Ученые представили новые водорастворимые формы BODIPY люминофора

Российские ученые синтезировали люминофор (краситель) класса BODIPY и впервые получили его водорастворимую форму, которая, предположительно, может использоваться в качестве биомаркера для подсвечивания определенных клеток организма человека без применения токсичных растворителей. Инновационная методика позволит не только повысить растворимость данного люминофора в воде, но и сохранить при этом все его практически важные спектральные характеристики. Работа выполнена сотрудниками подведомственных Минобрнауки России Института химии растворов имени Г. А. Крестова РАН (ИХР РАН) и Ивановского государственного университета.

В биомедицине люминофоры используются как флуоресцентные сенсоры, которые с высокой чувствительностью сигнализируют о протекании различных процессов и заболеваний, а также о присутствии токсичных соединений в организме человека. Кроме того, люминофоры могут под действием света определенной длины волны разрушать злокачественные новообразования или патогенные микроорганизмы.

Синтезом и изучением практически значимых свойств одной из самых популярных и хорошо зарекомендовавших себя групп люминофоров (комплексов бора (III) с дипиррометенами) занимается коллектив исследователей ИХР РАН. Этот тип люминофоров обладает важнейшими свойствами: интенсивной окраской и флуоресценцией в видимой области спектра, а также устойчивостью к УФ облучению и температурам до 350 ^оС.

Некоторые люминофоры способны генерировать синглетный (активный) кислород, используемый в фотодинамической терапии онкозаболеваний. Однако большинство органических люминофоров почти полностью нерастворимы в воде из-за наличия в них гидрофобных (слабо взаимодействующих с водой) фрагментов — протяженных ароматических хромофорных систем. Помимо этого, их спектральные свойства при переходе от разбавленных к концентрированным растворам и к твердотельным компонентам (порошкам, тонким пленкам, матрицам) кардинально искажаются.

Синтезированный учеными краситель характеризуется высокоэффективным поглощением и излучением света в так называемой области «фототерапевтического окна», то есть в диапазоне длины волны от 650 до 800 нм, в котором достигается наиболее глубокое проникновение света через кожный покров в ткани и органы.

«Первый этап синтеза включал получение не содержащего стирильных (от слова «стирол» — органическое вещество прим. ред.) заместителей красителя BODIPY при помощи реакции соответствующих пирролов и комплексообразующего реагента (эфирата трифторида бора) в растворе. Мы выделили полученный продукт и далее реакцией с диметиламинобензальдегидом получили BODIPY с функциональными стирильными группами. Затем выделили конечный продукт и провели его очистку», — рассказывает главный научный сотрудник лаборатории физической химии растворов макроциклических соединений ИХР РАН, профессор Михаил Березин.

На фото: главный научный сотрудник лаборатории физической химии растворов макроциклических соединений ИХР РАН, профессор Михаил Березин.

Также исследователи детально проанализировали спектральные характеристики BODIPY красителя в растворах и в составе твердых ультратонких пленок — монослоя толщиной в одну молекулу органического красителя. Такие пленки люминофоров применяются в современных оптических устройствах для передачи и преобразования энергии.

Следующим этапом стало введение синтезированного люминофора в биорелевантные среды, то есть среды максимально приближенные к внутренним жидкостям человеческого организма. Для этого краситель ввели в наноразмерные мицеллы («наноконтейнеры») при помощи биосовместимого полимера плюроник F127, что обеспечило ему хорошую растворимость.

«Мицеллы плюроника биосовместимы и водорастворимы. Они имеют гидрофильную (то есть способную взаимодействовать с водой) внешнюю поверхность и гидрофобную внутреннюю полость. Краситель внедряется в полость мицеллы и в такой форме может быть растворен в биорелевантных средах. Инкапсуляция красителя в мицеллы предотвращает его агрегацию (объединение молекул) и способствует сохранению практически значимых спектрально-люминесцентных свойств», — комментирует кандидат химических наук, научный сотрудник ИХР РАН Любовь Антина.

На фото: кандидат химических наук, научный сотрудник ИХР РАН Любовь Антина, стажер-исследователь ИХР РАН Михаил Луканов, научный сотрудник ИХР РАН, кандидат химических наук Наталья Бумагина и старший научный сотрудник ИХР РАН, кандидат химических наук Александр Ксенофонтов.

По мнению авторов, высокая способность мицелл плюроника F127 сохранять спектральные характеристики люминофора позволяет рекомендовать полученные мицеллярные материалы к использованию в биомедицине. Результаты исследований создают платформу для дальнейшей разработки нового перспективного направления применения органических BODIPY люминофоров.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, ее результаты опубликованы в одном из международных научных изданий. Часть используемого авторами оборудования была закуплена в рамках программы обновления приборной базы, реализуемой Минобрнауки России в рамках нацпроекта «Наука и университеты».

Графическое представление инкапсуляции BODIPY люминофора в мицеллы Плюроника F127.