Водорастворимый деформированный Нанографен

Впервые группа биологов и химиков из Бостонского колледжа и Университета Нагои успешно синтезировала водорастворимую «деформированную нанографическую» молекулу, которая демонстрирует огромные перспективы для визуализации флуоресцентных клеток. Новая молекула является гибкой, биосовместимый, и при воздействии голубого лазерного излучения также индуцирует гибель клеток.

Молекула nanographene, которая недавно была показана в журнале Angewandte Chemie International Edition расширяет биологические применения для наноуглеродов, таких как визуализация раковых клеток и, возможно, их искоренение.

Новый водорастворимый изнашиваемый наномграфен. Гидрофильные цепи на периферии придают высокую водорастворимость. (Image credit: ITbM)

Nanographenes, являющиеся наноразмерными молекулами углерода, обладают замечательными оптическими, механическими и электронными свойствами. Они были признаны потенциальными материалами как для биомедицинских, так и для электронных целей. Тем не менее, nanographenes имеют плоскую структуру, которая приводит к укладке и агрегации в растворителях, что затрудняет их растворение в многочисленных растворителях и, следовательно, приводит к осложнениям для биологических применений.

Ранее в 2013 году изнашиваемая молекула нанографена с седлообразной структурой была синтезирована профессором Кеничиро Итами, директором проекта молекулярного наноуглерода JST-ERATO Itami и Института трансформирующих биомолекул (ITbM) в Университете Нагоя и его коллеги. Агрегация предотвращается благодаря отличительной организации 26 графеновых колец молекулы, что делает молекулу растворимой в большинстве стандартных органических растворителей. При облучении синим или ультрафиолетовым светом молекула также имеет зеленую флуоресценцию.

« Мы были очень взволнованы, когда нам удалось синтезировать изнашиваемую молекулу нанофена, и нам было интересно сделать его доступным для биологических применений, чего мы достигли путем добавления водорастворимых функциональных групп к молекуле – говорит Итами.

В новом исследовании команда Итами объясняет, как они придумали простой способ сделать извращенные нанографы водорастворимыми. Исследователи сначала заменили пять атомов водорода на части бора, используя реакцию катализируемого иридием C-H-борилизацией, а затем смешали замещенный бором изнашиваемый наномграфен с соединением, известным как арилгалогенид, который содержит водорастворимые цепи. Реакция связывания Suzuki-Miyaura, катализируемая палладием, приводит к соединению водорастворимых цепей с краями молекулы нанофена, что позволяет растворять его в органических растворителях, включая воду. С помощью этой техники другие функциональные группы также могут быть установлены для изнашивания нанографа, чтобы легко отрегулировать его свойства.

. Изучив флуоресцентные характеристики водорастворимого изнашиваемого нанографа, исследователи обнаружили, что когда молекула растворяется в воде под ультрафиолетовым светом, она флуоресцирует желтый цвет и когда ее смешивают в стандартном органическом растворителе, дихлорметане, она флуоресцирует зеленый цвет. Новая молекула nanographene проявила высокую фотостабильность, а это означает, что ее свойства не изменяются при воздействии света. Вместо этого цвет флуоресценции изменяется по полярности растворителей, в которые они смешиваются.

Затем команда Итами объединилась с биологами ИТБМ, чтобы проанализировать, способна ли молекула нанографа окрашивать живые клетки для визуализации флуоресцентных клеток. Чтобы узнать об этом, исследователи использовали водорастворимый изнашиваемый раствор нанографена для лечения клеток HeLa – штамма клеток рака шейки матки, который широко используется в исследовательских целях. Микроскопические наблюдения показали, что клетки HeLa поглощали молекулу в течение нескольких часов и в конечном итоге накапливались в лизосомах – органеллах, обнаруженных в клетках. Было замечено, что жизнеспособность клеток не изменялась значительно с течением времени, указывая на то, что водорастворимая изнашиваемая молекула нанографа обладает низкой цитотоксичностью и может быть использована в качестве флуоресцентного пятна для клеток HeLa.

Однако при определенных обстоятельствах молекула может стать токсичной. При облучении синим лазером обработанные клетки HeLa отображали гибель клеток через 30 минут. С другой стороны, необработанные клетки HeLa не проявляли никакой гибели клеток.

"

" . Хотя наш новый изнашиваемый нанограф имеет низкую токсичность для клеток HeLa, мы были удивлены, обнаружив, что смерть клеток наблюдалась при облучении света клетками, окрашенными новым нанографом – говорит Итами.

Хотя конкретный механизм смерти этой клетки неясен, команда считает, что во время облучения создается смертельная синглетная молекула кислорода, и именно это вызывает гибель клеток. Хотя известно, что ряд других соединений способствует фотоиндуцированной гибели клеток, молекулы, способные поглощать более длинные волны, все же необходимо обнаружить, чтобы их можно было безопасно использовать для лечения раковых клеток в глубоких тканях.

Ученые предполагают, что их техника для функционализации и модификации извращенных молекул нанографа может проложить путь для биосовместимых молекул, которые могут поглощать различные длины волн облучения.

« Нам удалось синтезировать водорастворимый изнашиваемый наномграфен, демонстрирующий флуоресценцию, хорошую фотостабильность и низкую цитотоксичность, что делает его перспективным для биоизображения », – говорит Итами. « Это достижение является отличным примером, показывающим результаты обширного сотрудничества между химией и биологией, которые продолжаются в нашем институте. Мы надеемся, что наши молекулы могут быть развиты далее для широкого круга биологических применений посредством дальнейшего междисциплинарного сотрудничества . «

Хотя для определения изменчивости наноуглеродов требуется больше исследований, результат этого исследования показывает, что наноуглероды могут быть использованы для широкого круга биологических применений. Он также демонстрирует полезную синергию между биологией и синтетической химией.

Source link