Ученые НИЯУ МИФИ в составе международной научной группы с помощью компьютерного моделирования предложили, а затем и синтезировали серию хорошо растворимых сольватохромных красителей. Эти вещества могут использоваться в качестве индикаторов полярности растворов, а также для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии раковых опухолей.
На рисунке изображена одна из синтезированных молекул. Коричневые, белые, синие, жёлтые и зелёные кружки - атомы углерода, водорода, азота, серы и хлора, соответственно
Сольватохромные молекулы меняют свой цвет в зависимости от растворителя, в котором они находятся. Благодаря им можно «увидеть» такие характеристики раствора, как полярность или кислотность. Их секрет довольно прост: они имеют несколько близких по энергии форм, которые обладают разной электронной структурой и поэтому по-разному взаимодействуют со светом. В зависимости от окружения может преобладать та или другая форма. Кроме того, большую роль играют водородные связи с молекулами растворителя и «экранирование» электронной плотности красителя в растворе. Синтезированные в рамках исследования красители растворимы почти во всех органических растворителях и продемонстрировали сильные сольватохромные свойства.
Новые молекулы представляют собой гибрид на основе двух хорошо известных красителей. «Первый из них – флуорен, лежащий в основе множества фотосенсибилизаторов, датчиков, флуоресцентных индикаторов и светоизлучающих материалов. Его главное достоинство – плоская структура и высокая жесткость в сочетании с обилием ароматических колец. Вторым «родителем» новой молекулы стала арилазо-группа, на основе которой делаются краски для волос и тканей, а также чернила для струйных и лазерных принтеров. В результате нам удалось найти достаточно простой способ синтеза серии гибридных сольватохромных красителей и исследовать их поведение в разных растворителях», – сообщил один из авторов исследования, профессор НИЯУ МИФИ Константин Катин.
Новые молекулы могут использоваться в качестве индикаторов полярности растворов. Сейчас авторы исследования работают над их адаптацией для фотосенсибилизации биологических тканей – то есть увеличения чувствительности тканей к воздействию света. Это позволит использовать такие молекулы для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии раковых опухолей.
«В нашем исследовании очень велика роль компьютерного моделирования. Синтезировать «хорошую» молекулу без помощи компьютера так же трудно, как найти золотую песчинку в куче обычного песка. Наши молекулы были найдены в результате множества расчетов; только после этого их удалось синтезировать и охарактеризовать», - отметил Константин Катин.
К настоящему моменту красители успешно синтезированы, а их свойства экспериментально исследованы при помощи ИК, УФ и видимой спектроскопии, а также объяснены теоретически в рамках временной теории функционала электронной плотности и нескольких полуэмпирических моделей. Экспериментально доказан сильный сдвиг спектров в различных органических растворителях (рассматривались 9 растворителей, в том числе этанол, ацетон, хлороформ, диметилсульфоксид и др.). Результаты опубликованы. В настоящее время ведется компьютерное моделирование для поиска подходящих носителей, которые могли бы доставлять полученные красители к опухолям разных типов и эффективно накапливаться в них.
Главным результатом исследования можно считать то, что найден простой способ синтеза новых красителей из доступных и недорогих прекурсоров. Полученные красители сочетают преимущества двух известных семейств красителей, так как содержат одновременно флуорен и арилазогруппу. Кроме того, они хорошо растворяются практически во всех органических растворителях и проявляют сильные сольватохромные свойства. Авторы исследования рассчитывают, что после подходящей модификации они превратятся в эффективные фотосенсибилизаторы, подходящие для использования в фотодинамической терапии.
Исследования предполагают четыре стадии: компьютерное моделирование, синтез и исследование физико-химических свойств, in vitro исследования биохимических свойств и испытания новых веществ на живых организмах. Взаимодействие с медицинскими работниками необходимо на последней стадии исследования. У ученых уже имеется положительный опыт работы с больницей в г. Тебризе (Иран), успешно испытавшей наши адсорбенты на пациентах.
Проект поддержан программой «Приоритет 2030».