Выявят опухоли. Созданы вещества-«хамелеоны» для медицины

Химики получили 12 новых спиропиранов — органических красителей с управляемым светом свечением (флуоресценцией) и разной токсичностью. Такие соединения испускают собственное свечение при действии света с длиной волны биологического «окна» (600–1000 нанометров), хорошо проникающего вглубь живых тканей. Это делает спиропираны перспективными для медицины.

Так, наиболее токсичные из них могут использоваться для борьбы с бактериями и раковыми клетками, а наименее токсичные — для безопасного окрашивания биологических объектов в живых организмах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ChemBioChem.

Для выявления опухолей и бактериальных инфекций можно использовать биосовместимые светящиеся (флуоресцентные) красители. Идея заключается в том, что при облучении светом, лучше всего проходящим сквозь живые ткани и не наносящим им вреда (длиной волны так называемого биологического «окна» — 600–1000 нанометров), они испускают собственное свечение, которое можно легко детектировать с помощью флуоресцентного микроскопа. При этом, если такой краситель связывается с опухолью или колонией бактерий в организме, спектр его свечения меняется, и по нему можно отследить новообразование или инфекцию.

Перспективными флуоресцентными красителями считаются спиропираны — молекулы, представляющие собой, как правило, два гетероцикла (циклических фрагмента, содержащих один или несколько отличных от углерода атомов), соединенных через один общий атом углерода. Они хороши тем, что спектром их свечения можно управлять, добавляя в молекулу различные дополнительные группы атомов — заместители. Более того, именно благодаря введению заместителей ученым из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) с коллегами удалось получить спиропираны, флуоресцирующие в диапазоне длин волн биологического «окна», а потому максимально удобные и перспективные для биомедицинских применений. Полученные молекулы имеют положительно заряженный сопряженный гетероцикл, который и обеспечивает свечение в диапазоне длин волн биологического «окна».

В новой работе химики показали, что с помощью заместителей можно управлять не только оптическими свойствам красителя, но и настраивать его токсичность, подбирая разные анионы (отрицательно заряженные атомы или группы атомов). Это полезно потому, что наиболее токсичные молекулы потенциально можно будет использовать одновременно и для обнаружения, и для уничтожения бактериальных или раковых клеток, а наименее токсичные — для безопасного окрашивания живых тканей. Авторы синтезировали и детально исследовали серию из 12 соединений с различными заместителями и анионами (йодиды, перхлораты и тетрафторбораты).

Исследователи оценили оптические свойства полученных молекул и выяснили, что все они флуоресцируют в спектре длин волн более 700 нанометров (ближний инфракрасный диапазон). При этом наиболее эффективно излучают фторзамещенные соединения.

Затем биологи проверили токсичность спиропиранов по отношению к культурам бактериальных клеток кишечной палочки (Escherichia coli) и Acinetobacter calcoaceticus, часто вызывающих инфекционные заболевания. Сильнее всего рост клеток и бактериальных биопленок подавляли иодиды. Наименее токсичными спиропиранами оказались один перхлорат и один тетрафторборат. Таким образом авторы доказали, что введение аниона позволяет регулировать токсичность органических красителей, благодаря чему их свойства можно будет «настраивать» под конкретную задачу — безопасное окрашивание тканей или уничтожение клеток патогенов или опухолей.

В настоящее время разработка биомаркеров, способных функционировать в диапазоне длин волн биологического «окна» и таким образом работать в глубоких слоях живого организма — достаточно актуальная задача. Использование флуоресцентных красителей для диагностики и лечения позволит в значительной мере повысить успешность борьбы с онкологическими и инфекционными заболеваниями. В дальнейшем мы планируем исследовать влияние полученных красителей на раковые клетки. Но на этом поисковые работы не будут прекращены. Хотелось бы в будущем получить и исследовать соединения с другими заместителями, а также расширить спектр используемых анионов.

• Артем Пугачев, руководитель проекта, старший научный сотрудник Южного федерального университета

В исследовании принимали участие сотрудники Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка) и Северо-Кавказского федерального университета (Ставрополь).

Изображение на обложке: культуры Acinetobacter calcoaceticus и Escherichia coli, окрашенные двумя наименее токсичными спиропиранами. Источник: Pugachev et al. / ChemBioChem, 2024, предоставлено РНФ