Лаборатория фотоактивных супрамолекулярных систем №107
EN
RU
/
ИССЛЕДОВАНИЕ №2
Органические люминофоры и фотоактивные молекулярные устройства на их основе
ИССЛЕДОВАНИЕ №2
Органические люминофоры и фотоактивные молекулярные устройства на их основе
с.н.с. к.х.н. доц. Панченко П.А., н.с. к.х.н. Павлова М.А., м.н.с. Полякова А.С.
Люминесцентная спектроскопия представляет собой обширную область современной оптической спектроскопии. Благодаря высокой чувствительности первоначально ее применение было связано в основном с аналитическими целями, включающими обнаружение малых концентраций веществ, контроль изменений, претерпеваемых веществом при химических реакциях и определение степени чистоты веществ. На сегодняшний день области практического использования органических и металлоорганических люминофоров значительно расширились. Люминесцентные реагенты имеют большое значение в биологии для исследования структуры белков методом флуоресцентных зондов и меток. На основе красителей-люминофоров и их комплексов с металлами создаются OLED-устройства, флуоресцентные термометры, системы записи и хранения информации. Люминесцентные измерения часто бывают незаменимыми при изучении быстрых реакций электронно-возбужденных молекул.
В нашей лаборатории активно ведутся научные исследования, направленные на разработку новых люминесцентных материалов, в частности на основе производных 1,8‑нафталимида, для использования в составе фотоактивных молекулярных и супрамолекулярных устройствах различного назначения: оптических сенсорах, флуоресцентных фотохромах, лекарственных препаратах, имиджинговых реагентах для биологии и медицины. Данное направление является междисциплинарным. С одной стороны, оно включает синтез органических компонент – флуоресцентных красителей, а с другой стороны – проведение физико-химических исследований получаемых систем с целью установления важнейших характеристик, определяющих их практическую значимость. Ниже представлены основные направления работ, связанные с «люминесцентной» тематикой.
Изучение фотофизических и фотохимических характеристик люминофоров
Правильный подбор компонентов того или иного молекулярного устройства, использующего в своей работе свет, возможен только в том случае, если известны спектральные свойства самого фотоактивного компонента. Поэтому первоначальным этапом разработки молекулярного устройства является детальный анализ оптических характеристик используемого люминофора. Он подразумевает изучение сольватационных эффектов, влияния природы заместителей, квантово-химические расчеты. Большое внимание при разработке фотоактивных компонент нами уделяется молекулам, содержащим гибридную хромофорную систему, которая включает остаток нафталимида в сочетании с фрагментом стирилового красителя или хромена. При фотовозбуждении в таких соединениях могут реализовываться безызлучательные процессы E,Z-изомеризации, электроциклические реакции и образование скрученных состояний с переносом заряда (TICT-состояний, англ. Twisted Intramolecular Charge Transfer state). Использование время-разрешенной и стационарной оптической спектроскопии позволяет установить соотношение между скоростями указанных процессов, их относительную эффективность и степень влияния на флуоресцентные характеристики.
В нашей лаборатории была обнаружена возможность обратимого фотопереключения излучения нафталимидного хромофора в составе гибридных систем, содержащих фрагмент фотохромного нафтопирана [1,2]. Такое переключение может быть использовано для создания новых фотоактивных материалов, в частности элементов оптической памяти, реагентов для флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения.
С использованием реакции Хека были синтезированы производные 4-стирил-1,8-нафталимида [3]. Данные соединения склонны к образованию флуоресцентных TICT-состояний. Анализ спектрально-люминесцентных свойств в различных растворителях позволил выявить факторы, влияющие на эффективность их флуоресценции, которые в дальнейшем могут быть использованы при выборе подходящих флуорофоров для биологических исследований. Протекание E,Z-изомеризации при облучении наблюдается в неполярной среде (толуол, циклогексан), что обеспечивает возможность фотопереключения эмиссионного сигнала [4].
  1. Fedorova O. A., Sergeeva A. N., Panchenko P. A., Fedorov Y. V., Erko F. G., Berthet J., Delbaere S. Isomeric naphthalimides bearing pyran units: Insight into mutual relation between structure and photochromic properties // J. Photochem. Photobiol. A. – 2015. – Vol. 303. – P. 28‑35.
  2. Fedorova O. A., Arkhipova A. N., Panchenko P. A., Berthet J., Delbaere S., Minkovska S., Fedorov Y. V. Fluorescent photochromic complex of 1,8-naphthalimide derivative and benzo-pyrane containing benzo-18-crown-6 ether // J. Photochem. Photobiol. A. – 2021. – Vol. 405. – Art. № 112975.
  3. Panchenko P. A., Arkhipova A. N., Fedorova O. A., Fedorov Y. V., Zakharko M. A., Arkhipov D. E., Jonusauskas G. Controlling photophysics of styrylnaphthalimides through TICT, fluorescence and E,Z-photoisomerization interplay // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2017. – Vol. 19. –P. 1244-1256.
  4. Arkhipova A. N., Panchenko P. A., Fedorov Y. V., Fedorova O. A. Relationship between the photochromic and fluorescent properties of 4-styryl derivatives of N-butyl-1,8-naphthalimide // Mendeleev Commun. – 2017. – Vol. 27. – P. 53-55.

Флуоресцентные навигаторы для фотодинамической терапии онкологических заболеваний

На сегодняшний день фотодинамическая терапия (ФДТ) является одним из наиболее щадящих и эффективных методов лечения онкологических заболеваний. В методе ФДТ задействовано три компонента: свет, фотосенсибилизатор (ФС) и молекулярный кислород, содержащийся в организме в растворенном в воде виде. Методика проведения ФДТ подразумевает введение пациенту раствора ФС, способного в течение определенного времени селективно накапливаться в патологических тканях, после чего для достижения терапевтического эффекта следует облучение пораженного участка светом с длиной волны, соответствующей или близкой к одному из максимумов поглощения поглощения ФС. При этом ФС переходит в возбужденное состояние и, сталкиваясь с молекулами кислорода (3О2), передает им избыточную энергию. В результате образуется синглетный кислород (1О2*), который обладает цитотоксическими свойствами. Основной задачей здесь является разработка бис(хромофорных) систем, сочетающих фрагмент фотосенсибилизатора (ФС) и фрагмент флуорофора.
Флуорофор, в качестве которого мы предлагаем производные нафталимида, позволяет проводить флуоресцентную диагностику и устанавливать место локализации опухоли. Данное направление мы развиваем совместно с нашими коллегами из РТУ МИРЭА, ИБХ РАН и МНИОИ им. П. А. Герцена.
Нами были получены молекулярные конъюгаты производных 1,8-нафталимида и природного макрогетероциклического фотосенсибилизатора бактериохлорина [1–6]. Изучение фотофизических и фотобиологических свойств полученных систем показало, что конъюгация нафталимидных красителей с ФС не снижает фотодинамической эффективности последнего: бисхромофорные системы сохраняют способность проникать в клетки, демонстрируют низкую темновую токсичность и высокую фотодинамическую эффективность в клеточных испытаниях и опытах in vivo [2–4]. Установлено, что в конъюгатах нафталимидных флуорофоров и фотосенсибилизатора бактериохлорина с высокой эффективностью реализуется процесс резонансного переноса энергии (RET, англ. Resonance energy Transfer), ухудшающий их флуоресцентные характеристики [1–3,5,6]. Тем не менее, в результате клеточных исследований in vitro было установлено, что флуоресцентный отклик нафталимидного фрагмента, проявляющийся в результате разрушения бактериохлорина под действием активных форм кислорода, может быть использован для подбора оптимальных значений мощности и дозы облучения для терапии [2]. Кроме того, нафталимидный хромофор в составе конъюгатов выполняет роль светособирающей антенны, которая обеспечивает дополнительную (помимо прямого фотовозбуждения) накачку энергией фрагмента фотосенсибилизатора, что увеличивает фотоиндуцированную токсичность [3].

Весьма эффективным для целей флуоресцентной диагностики оказался подход, заключающийся в использовании наночастиц с ап-конверсионной люминесценций (АКНЧ), модифицированных ковалентной пришивкой частиц ФС и флуорофора (ФЛ) [7]. В качестве основы использовались наночастицы тетрафториттрата натрия (NaYF4), допированные ионами лантаноидов: эрбия (Er), иттербия (Yb) и тулия (Tm). Разработка наногибрида проводилась совместно с нашими коллегами из Университета Валенсии. Компоненты подбирались по их спектральным характеристикам.
Например, полосы в спектре испускания частицы очень удачно перекрываются со спектром поглощения фотосенсибилизатора N-аминобактериопурпуринимида. Это способствует переносу энергии с частицы на пурпуринимид и генерации синглетного кислорода при возбуждении ИК светом. В тоже время, в области поглощения нафталимидного красителя (490 нм) сама частица оптически прозрачна, что обеспечивает флуоресцентную навигацию без применения терапии и сопутствующего разрушения окружающих тканей.
  1. Panchenko P. A., Sergeeva A. N., Fedorova O. A., Fedorov Y. V., Reshetnikov R. I., Schelkunova A. E., Grin M. A., Mironov A. F., Jonusauskas G. Spectroscopical study of bacteriopurpurinimide–naphthalimide conjugates for fluorescent diagnostics and photodynamic therapy // J. Photochem. Photobiol. B. – 2014. – Vol. 133. – P. 140-144.
  2. Panchenko P. A., Grin M. A., Fedorova O. A., Zakharko M. A., Pritmov D. A., Mironov A. F., Arkhipova A. N., Fedorov Y. V., Jonusauskas G., Yakubovskaya R. I., Morozova N. B., Ignatova A. A., Feofanov A. V. A novel bacteriochlorin–styrylnaphthalimide conjugate for simultaneous photodynamic therapy and fluorescence imaging // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2017. – Vol. 19. – P. 30195-30206.
  3. Morozova N. B., Pavlova M. A., Plyutinskaya A. D., Pankratov A. A., Efendiev K. T., Semkina A. S., Pritmov D. A., Mirinov A. F., Panchenko P. A., Fedorova O. A. Photodiagnosis and photodynamic effects of bacteriochlorin-naphthalimide conjugates on tumor cells and mouse model // J. Photochem. Photobiol. B. – 2021. – Vol. 223. – Art. № 112294.
  4. Pavlova М. A., Panchenko P. A., Alekhina E. A., Ignatova A. A., Plyutinskaya A. D., Pankratov A. A., Pritmov D. A., Grin M. A., Feofanov A. V., Fedorova O. A. A New Glutathione-Cleavable Theranostic for Photodynamic Therapy Based on Bacteriochlorin e and Styrylnaphthalimide Derivatives // Biosensors. – 2022. – Vol. 12. – Art. № 1149.
  5. Захарко М. А., Панченко П. А., Зарезин Д. П., Ненайденко В. Г., Притьмов Д. А., Грин М. А., Миронов А. Ф., Федорова О. А. Коньюгаты 3,4-диметокси-4-стирилнафта-лимида и бакте-риохлорина для фотодинамической тераностики // Изв. АН, Сер. Хим. – 2020. – № 6. – С. 1169-1178 [Zakharko M. A., Panchenko P. A., Zarezin D. P., Nenajdenko V. G., Pritmov D. A., Grin M. A., Mironov A. F., Fedorova O. A. Conjugates of 3,4-dimethoxy-4-styrylnaphthalimide and bacteriochlorin for theranostics in photodynamic therapy // Russ. Chem. Bull. – 2020. – Vol. 69. – № 6. – P. 1169-1178].
  6. Panchenko P. A., Zakharko M. A., Grin M. A., Mironov A. F., Protmov D. A., Jonusauskas G., Fedorov Y. V., Fedorova O. A. Effect of linker length on the spectroscopic properties of bacteriochlorin – 1,8-naphthalimide conjugates for fluorescence-guided photodynamic therapy // J. Photochem. Photobiol. A. – 2020. – Vol. 390. – Art. 112338.
  7. Franćes-Soriano L., Zakharko M. A., González-Béjar M., Panchenko P. A., Herranz-Pérez V., Pritmov D. A., Grin M. A., Mironov A. F., García-Verdugo J. M., Fedorova O. A., Pérez-Prieto J. Nanohybrid for Photodynamic Therapy and Fluorescence Imaging Tracking without Therapy // Chem. Mater. – 2018. – Vol. 30. – P. 3677-3682.

Оптические флуоресцентные хемосенсоры на основе производных 1,8-нафталимида и стириловых красителей

Проводятся исследования, направленные на поиск новых флуороионофоров, в которых рецепторный фрагмент связан с хромофорной системой нафталимидного остатка. Соединения указанного типа способны изменять свои спектральные характеристики при комплексообразовании за счет переключения фотофизических процессов переноса электрона (PET, англ. Photoinduced Electron transfer) и внутримолекулярного переноса заряда (ICT, англ. Intramolecular Charge Transfer) [1].

Нами были получены хемосенсоры как с открытоцепным [2,3], так и с макроциклическим краун-эфирным рецептором [4–10], которые позволяют детектировать различные катионы металлов в водных растворах и в органических средах. Ниже приведен пример флуоресцентного РЕТ-сенсора на катионы Zn2+, демонстрирующего разгорание флуоресценции при добавлении в раствор Zn2+ за счет ингибирования РЕТ-процесса между рецептором (салицилиденаминогруппой) и хромофором (фрагментом 4-метокси-1,8-нафталимида) в образующихся комплексах [2].
Особое внимание уделяется ратиометрическим RET-хемосенсорам, содержащим два ковалентно связанных фотоактивных фрагмента, которые представляют большой интерес для биохимических исследований [11–13]. Принцип работы таких систем основан на модуляции эффективности резонансного переноса энергии между двумя хромофорами. Использование этого механизма позволяет проводить внутреннюю калибровку оптического отклика, в результате чего становится возможным определение содержания аналита в условиях, когда концентрация самого реагента-индикатора в системе неизвестна, например, в живых клетках.
Так, синтезированный в нашей лаборатории бисстириловый краситель с азадитиакраун-эфирной группой [12] проникал в клетки аденокарциномы легкого человека А549. В присутствии катионов Hg2+ отношение интенсивности флуоресценции в желтом канале (500 – 600 нм, испускание хромофора-донора, ХД) к интенсивности в красном (600 – 630 нм, испускание хромофора-акцептора, ХА) изменялось от 4.4 ± 0.2 до 1.4 ± 0.1, что позволило количественно детектировать ионы Hg(II) во внутриклеточной среде в диапазоне концентраций 37 нмоль/л – 1 мкмоль/л.
  1. Панченко П. А., Федорова О. А., Федоров Ю. В. Флуоресцентные и колориметрические хемосенсоры на катионы на основе производных 1,8-нафталимида: принципы дизайна и ме-ханизмы возникновения оптического сигнала // Успехи химии. – 2014. – Т. 83. – С. 155 182 [Panchenko P. A., Fedorova O. A., Fedorov Y. V. Fluorescent and colorimetric chemosensors for cations based on 1,8-naphthalimide derivatives: design principles and optical signalling mechanisms // Russ. Chem. Rev. – 2014. – Vol. 83. – P. 155-182].
  2. Panchenko P. A., Ignatov P. A., Zakharko M. A., Fedorov Y. V., Fedorova O. A. A fluorescent PET chemosensor for Zn2+ cations based on 4-methoxy-1,8-naphthalimide derivative containing salicylideneamino receptor group // Mendeleev Commun. – 2020. – Vol. 30. – P. 55-58.
  3. Zakharko M. A., Panchenko P. A., Ignatov P. A., Fedorov Y. V., Fedorova O. A. New conjugate of bis(o-aminophenoxy)ethane-N,N,N',N'-tetraacetate with naphthalimide as a fluorescent sensor for calcium cations // Mendeleev Commun. – 2020. – Vol. 30. – P. 332 335.
  4. Panchenko P. A., Fedorov Y. V., Fedorova O. A., Jonusauskas G. Comparative analysis of the PET and ICT sensor properties of 1,8-naphthalimides containing aza-15-crown-5 ether moiety // Dyes Pigm. – 2013. – Vol. 98. – P. 347-357.
  5. Oshchepkov A. S., Oshchepkov M. S., Arkhipova A. N., Panchenko P. A., Fedorova O. A. Synthesis of 4-Nitro-N-phenyl-1,8-naphthalimide Annulated to Thia- and Azacrown Ether Moieties // Synthesis. – 2017. – Vol. 49. – P. 2231-2240.
  6. Panchenko P. A., Fedorov Y. V., Fedorova O. A. Selective fluorometric sensing of Hg2+ in aqueous solution by the inhibition of PET from dithia-15-crown-5 ether receptor conjugated to 4 amino-1,8-naphthalimide fluorophore // J. Photochem. Photobiol. A. – 2018. – Vol. 364. – P. 124 129.
  7. Panchenko P. A., Polyakova A. S., Fedorov Y. V., Fedorova O. A. Chemoselective detection of Ag+ in purely aqueous solution using fluorescence «turn-on» probe based on crowm-containing 4 methoxy-1,8-naphthalimide // Mendeleev Commun. – 2019. – Vol. 29. – P. 155-157.
  8. Panchenko P. A., Fedorov Y. V., Polyakova A. S., Fedorova O. A. Fluorimetric detection of Ag+ cations in aqueous solutions using a polyvinyl chloride sensor film doped with crown-containing 1,8-naphthalimide // Mendeleev Commun. – 2021. – Vol. 31. – P. 517-519.
  9. Азакраунсодержащие N-арил-1,8-нафталимиды и способ их получения // Патент РФ 2656106 (C1). 31.05.2018 / Федорова О. А., Федоров Ю. В., Лозинский В. И., Панченко П. А., Архипова А. Н., Ощепков М. С., Ощепков А. С., Ощепкова М. С.
  10. 4-Замещенные N-арил-1,8-нафталимиды, проявляющие свойства флуоресцентных сенсоров на катионы металлов, и способы их получения // Патент РФ 2515195 (С1). 10.05.2014 / Федорова О. А., Федоров Ю. В., Панченко П. А., Сергеева А. Н., Ощепков М. С., Ощепков А. С.
  11. Panchenko P. A., Fedorov Y. V., Fedorova O. A., Jonusauskas G. FRET versus PET: ratiometric chemosensors assembled from naphthalimide dyes and crown ethers // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2015. – Vol. 17. – P. 22749-22757.
  12. Panchenko P. A., Efremenko A. V., Feofanov A. V., Ustimova M. A., Fedorov Y. V., Fedorova O. A. Ratiometric Detection of Mercury (II) Ions in Living Cells Using Fluorescent Probe Based on Bis(styryl) Dye and Azadithia-15-Crown-5 Ether Receptor // Sensors. – 2021. – Vol. 21. – Art. № 470.
  13. Panchenko P. A., Efremenko A. V., Polyakova A. S., Feofanov A. V., Ustimova M. A., Fedorov Y. V., Fedorova O. A. Fluorescent RET-Based Chemosensor Bearing 1,8-Naphthalimide and Styrylpyridine Chromophores for Ratiometric Detection of Hg2+ and Its Bio-Application // Biosensors. – 2022. – Vol. 12. – Art. № 770.