Исследование проведено сотрудниками кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов РХТУ имени Д.И. Менделеева в сотрудничестве с Институтом биологии гена РАН, Институтом общей физики РАН, а также Техническим университетом Кемница и Университетом Эрлангена-Нюрнберга в Германии. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда.
Полученные соединения состоят из двух функциональных групп — бисфосонатная служит рецептором для катионов кальция, а нафталимидная интенсивно флуоресцирует после воздействия лазерным излучением.
Бисфосфонатные группы в силу своей геометрии хорошо связываются с ионами кальция и очень перспективны для неинвазивной диагностики в медицине и биологии. Например, повышенная концентрация кальция в тканях молочных желез, почек или сосудов может говорить о наличии различных патологий, в том числе злокачественных опухолей. Препараты на основе бисфосфонатов используют для терапии костных заболеваний с 1980-х годов.
По мнению авторов, бисфосфонатные группы с флуоресцирующими метками на основе нафталимидов могут использоваться в качестве маркеров для поиска кальция. Флуоресцентная микроскопия обладает высокой чувствительностью и наглядностью, а оптические маркеры значительно безопасней и дешевле по сравнению с радиоактивными метками.
"До нас на данной оптической платформе никто флуоресцентные бисфосфонаты не создавал, — приводятся в пресс-релизе слова первого автора статьи, доцента РХТУ Максима Ощепкова. — Мы получили молекулу, которая идет туда, где наблюдаются проблемы с костной или мягкими тканями, селективно связывается с кальцием, и потом может быть детектирована по флуоресценции метки, возбужденной лазерным излучением. Получается такой рецептор, который соединяется с кальцием и подсвечивает его".
"Кальций — очень важный с точки зрения биохимии катион, — рассказывает еще один автор работы, доцент РХТУ Сергей Ткаченко. — Его концентрация сильно отличается внутри и снаружи клеток многоклеточных организмов, и на этом завязано множество разных физиологических процессов. Но кальций сложно детектируется другими методами, кроме флуоресценции, особенно если вы хотите отследить процесс в динамике и не разрушить ткани. Поэтому наша работа может быть использована другими научными группами как новый инструмент для изучения и визуализации кальциевых процессов, в частности физиологических".
Возможности новых молекул ученые подтвердили серией экспериментов, в том числе и на клеточных культурах. Они изучили насколько стабильной будет флуоресценция в широком диапазоне pH и условиях, приближенных к физиологическим, а также оценили интенсивность связывания новых молекул с ионами кальция.
Затем исследователи проверили диагностические возможности новых соединений в лаборатории. Они ввели синтезированные вещества в культуру фибробластов человека и показали, что бисфосфонаты проникают через мембрану внутрь клеток, не повреждая их, и там связываются с ионами кальция, позволяя потом их визуализировать по флуоресценции. При этом в клеточные ядра бисфосфонаты не проникают, что делает их малотоксичными.
В другом эксперименте кроме фибробластов в смесь добавляли гидроксиапатит — основную минеральную составляющую костной ткани. В этом случае бисфосфонаты уже не проникали внутрь клеток, а соединялись с более доступным кальцием на поверхности гидроксиапатита. Таким образом авторы показали возможность контрастного представления костной ткани на фоне мягких тканей.
В ближайшее время исследователи планируют химически модифицировать новые вещества таким образом, чтобы они флуоресцировали не в видимом диапазоне, как сейчас, а в области ИК-излучения, которое гораздо лучше проникает через биологические ткани, что значительно повысит возможности диагностики.
