В престижном международном журнале «Journal of Materials C» вышла статья «Создание D-A-D-красителей с дальним инфракрасным излучением…», одним из авторов которой выступил старший научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» Южно-Уральского государственного университета Тимофей Чмовж – вместе с коллегами из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, института органической химии им. Н.Д. Зелинского и МГУ им. М.В. Ломоносова. Разработанные ими красители, фосфоресциирующие в диапазоне 900-1110 нанометров, могут найти применение в онкологии для маркировки опухолевых клеток.
Всем известны люминофоры – вещества, способные люминесцировать, то есть поглощая энергию, испускать свет. Некоторые вещества светятся в инфракрасном диапазоне. Современные технологии часто используют этот эффект – в приборах ночного видения, в сенсорах, во всевозможных устройствах, связанных с обработкой изображений.
Особый интерес, но и особую сложность представляют люминофоры для онкомедицины. «Подкрашивая» или «подсвечивая» нездоровые клетки, можно воздействовать на них таргетно – с помощью лазерной, радиационной, химической терапии. Однако нагрузка на организм онкобольного и без того высока, поэтому краситель-люминофор должен обладать минимальной цитотоксичностью. Иными словами он должен быть безопасен для клеток, большинство из которых здоровы, а с больными клетками медики разберутся сами.
Люминесценция – не тепловое свечение. В чём его физическая природа? Под воздействием внешнего излучения, атом или молекула возбуждается, и электроны в нём перемещается с одного уровня на другой.
Что необходимо для подсвечивания клеток? Чтобы излучение было стабильным, пока врачи выполняют манипуляции, чтобы оно проникало сквозь мембраны клеток.
Старший научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» Тимофей Чмовж и его коллеги рассматривают D-A-D-красители. В них есть фрагменты-доноры, богатые электронами, а есть акцепторная часть – получатели электронов. Чтобы происходил оптимальные переход электронов от донорной к ацепторной части молекулы, учёные стараются разрабатывать новые сратегии их соленения, в том числе внедряя между ними дополнительные ароматические кольца – фенил и тиофен (это обеспечивает π-сопряжение).
При этом ставится задача обойти правило Каши – названное так в честь американского физика. Согласно этому правилу, неважно, волной какой длины была возбуждена молекула, она всегда будет испускать свет в одном и том же спектре. Зазор между длинами поглощенной и испускаемой волн определяется сдвигом Стокса.
Создание красителей, не подчиняющихся правилу Каши, трудная задача. Не так много красителей светятся в ближнем инфракрасном спектре с максимумом излучения выше 900 нанометров, ещё меньше – выше 1000 нанометров.
Тимофей Чмовж и его коллеги синтезировали новые красители, стабильно фосфоресциирующие в области от 900-1100 нанометров. В качестве акцепторной части молекулы учёные впервые применили 1,2,5-селенодиазоло[3,4-d]пиридазин. Роль блоков-доноров сыграли молекулы карбазола и производные дегидроиндолов.
Испытания цитотоксичности препарата проводились на клетках инфузории туфельки (Paramecium caudatum). Эксперимент показал, что клетка под воздействием нового вещества, которое содержало именно карбазольные донорные фрагменты, не испытала никаких вредных воздействий, во всяком случае в той концентрации красителя, в которой его могли бы применять медики для окрашивания клеток. Можно надеяться, что для человека он будет также безопасен.
НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ решает широкий спектр задач по материаловедческим вопросам как в исследовании наноматериалов, так и в исследовании широко используемых материалов (металлов и сплавов, керамики и стекол, строительных, полимерных, композиционных и прочих). Работы ведутся в рамках мегагрантов Российского научного фонда национального проекта «Наука и университеты» и регионального проекта «Развитие масштабных научных и научно-технологических проектов по приоритетным исследовательским направлениям».