КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-73-10186

НазваниеНовые флуоресцентные хемосенсоры на основе бис(хромофорных) систем органических красителей для ратиометрического детектирования катионов металлов в биологической среде

РуководительПанченко Павел Александрович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2023  , продлен на 07.2023 - 06.2025. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-206 - Бионеорганическая химия

Ключевые словаКомплексообразование, биогенный катион металла, живые клетки, флуоресцентный сенсор, оптическая электронная спектроскопия, флуоресцентная микроскопия, ратиометрические измерения

Код ГРНТИ31.19.15

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Визуализация присутствующих в живой системе катионов металлов, которые участвуют во многих биохимических циклах, представляет собой актуальную задачу в области современной молекулярной биологии и биохимии. Получаемая при этом информация требуется не только для дальнейшего понимания функционирования клеток, но организма в целом. Так, изменением концентрации кальция регулируются многие физиологические процессы, управляются нервные импульсы, открываются и закрываются ионные каналы. По содержанию Zn2+ можно диагностировать болезнь Альцгеймера. Катионы Zn2+, Сu2+, Co2+ также входят в состав ферментов различного действия. Катионы Hg2+, Cd2+, Pb2+ проявляют токсичность, вытесняя Zn2+, Fe2+, Co2+, Сu2+ из состава ферментов. Поэтому контроль их содержания является важным. В проекте предполагается на основе рационального дизайна и использования закономерностей протекания фотофизических процессов в органических молекулах провести разработку флуоресцентных RET-пар хромофоров, пригодных в качестве флуоресцентных хемосенсоров для ратиометрического определения биогенных катионов металлов (Zn2+, Co2+, Сu2+, Ca2+, Hg2+, Cd2+, Mg2+, Ni2+) в водном растворе и в живых клетках. Молекулярные RET-пары будут состоять из двух фотоактивных фрагментов, соединенных между собой спейсером. В их состав также будут введены различные рецепторные группы, обеспечивающие связывание ионов металлов в водной среде. В зависимости от способа присоединения рецептора запланирован синтез и сравнительное изучение катионозависимых спектрально-люминесцентных свойств RET-систем двух типов, различающихся по способу регистрации ратиометрического флуоресцентного отклика. Тестирование синтезированных флуоресцентных сенсоров будет проведено в растворах и в клеточной среде. Научная новизна запланированных исследований определяется тем, что в проекте предполагается разработка очень сложных мультифункциональных систем. Синтетические пути их получения, а также разработанный комплекс методов их изучения может представлять вклад в фундаментальные научные работы. Предлагаемый проект имеет междисциплинарный характер, он включает исследования в области фотофизики, молекулярной спектроскопии, органического синтеза, физической химии, и биологии.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут синтезированы новые RET-хемосенсоры на катионы металлов, содержащие два хромофорных остатка и рецепторный фрагмент. В качестве хромофоров будут использованы флуоресцентные производные нафталимида, порфирина и стириловые красители. Вариация рецепторной составляющей сенсоров позволит изменять селективность комплексообразования в ряду катионов Zn2+, Co2+, Сu2+, Ca2+, Hg2+, Cd2+, Mg2+, Ni2+; при этом предполагается использование макроциклических краун-эфирных комплексонов, а также открытоцепных ионофоров с различными координирующими катионы фрагментами (пиколинатные, карбоксилатные, салицилиденаминовые, олигогликолиевые). Различные способы присоединения рецепторной группы позволят оптимизировать условия детекции анализируемых субстратов. Первоначально будут разработаны монохромофорные хемосенсоры с РЕТ- и ICT-механизмом оптического отклика, которые на последующих этапах будут использоваться как составляющие более сложных бис(хромофорных) систем, обеспечивающих возможность ратиометрических измерений концентрации. Для полученных соединений будет проведен детальный анализ фотофизических свойств с использованием оптической стационарной и флуоресцентной время-разрешенной спектроскопии, выявление закономерностей протекающего процесса переноса энергии в соединениях, а также влияния структуры и состава пар хромофоров на эффективность переноса энергии. Синтезированные соединения будут протестированы на способность детектировать биогенные катионы металлов в клеточной среде. Эксперименты на клетках также позволят установить взаимосвязь между структурой флуоресцентного реагента и его способностью проникать через мембрану клетки. Сравнительный анализ спектральных и комплексообразующих свойств разработанных хемосенсоров в растворе и в условиях in vitro будет способствовать более направленному поиску оптимальных структур ратиометрических флуоресцентных индикаторов. Основными важными достижениями в проекте могут быть оригинальные рецепторы, новые оптические платформы, новые селективные флуоресцентные реагенты медицинского назначения. Разработанные отдельные компоненты флуоресцентных сенсоров, запланированные в проекте, позволят комбинировать их в единой системе в зависимости от требуемых задач. Полученные результаты будут представлять интерес с точки зрения поиска новых селективных комплексонов, позволяющих проводить мониторинг вредных химических веществ в окружающей среде, либо осуществлять анализ биологических объектов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Первый год проекта был посвящен синтезу и исследованию компонентов бисхромофорных RET-хемосенсоров. В ходе работы нами были получены различные монохромофорные производные нафталимида и стирилпиридина, содержащие макроциклическую краун-эфирную и открытоцепную рецепторную группу. По механизму возникновения оптического отклика на комплексообразование с катионом металла синтезированные соединения могут быть разделены на сенсоры РЕT-типа и сенсоры ICT-типа. Среди РЕТ-систем наиболее оптимальным оказалось сочетание фрагмента 4-(ацил)амино- или 4-алкокси-1,8-нафталимида с N-фенилазадитиа-15-краун-5-эфирным рецептором. Было найдено, что в этом случае возможно селективное детектирование катионов ртути (II) в воде на уровне их ПДК за счет значительного разгорания флуоресценции, вызванного подавлением процесса фотоиндуцированного переноса электрона (РЕТ) при комплексообразовании. В случае PET-хемосенсоров с открытоцепной рецепторной составляющей наибольший оптический отклик в водной среде показало производное 4-метокси-1,8-нафталимида, содержащее BAPTA-рецептор на ионы кальция. Введение N-фенилазадитиа-15-краун-5-эфирной группы в стирилпиридиниевый хромофор в качестве электронодонорного заместителя позволило получить флуоресцентный ICT-хемосенсор, чувствительный по отношению к Hg2+ в воде. Предварительные исследования с использованием синтезированных соединений in vitro показали, что компоненты бисхромофорных сенсорных молекул, взятые по отдельности, сохраняют свои фотофизические свойства при переходе от раствора к внутриклеточной среде. Это позволяет использовать их в качестве основы для разработки ион-активных RET-систем на втором году выполнения Проекта.

 

Публикации

1. Панченко П.А., Ефременко А.В., Феофанов А.В., Устимова М.А., Федоров Ю.В., Федорова О.А. Ratiometric Detection of Mercury (II) Ions in Living Cells Using Fluorescent Probe Based on Bis(styryl) Dye and Aza-dithia-15-Crown-5 Ether Receptor Sensors, 21, 470 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/s21020470

2. Панченко П.А., Федоров Ю.В., Полякова А.С., Федорова О.А. Fluorimetric detection of Ag+ cations in an aqueous solution using polyvinyl chloride sensor film doped with crown-containing 1,8 naphthalimide Mendeleev Communications, - (год публикации - 2021)

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Второй этап выполнения Проекта был посвящен разработке флуоресцентных ратиометрических хемосенсоров, в которых механизм возникновения оптического сигнала основан на использовании фотоиндуцированных процессов переноса электрона (англ. Photoinduced electron transfer, PET) и резонансного переноса энергии (англ., Resonance energy transfer, RET) электронного возбуждения. С использованием медь-катализируемой клик-реации 1,3-диполярного циклоприсоединения между азидом и алкином были получены RET-пары хромофоров «нафталимид – нафталимид», «нафталимид – стириловый краситель», «нафталимид – порфирин», содержащие в качестве рецептора остаток N-фенилазадитиа-15-краун-5-эфира. Полученные соединения способны при комплексообразовании в водном растворе c катионами Hg2+ и Ag+ демонстрировать изменение эффективности RET между фотоактивными фрагментами. В случае хемосенсора на основе бисхромофора «нафталимид – стириловый краситель» катионоиндуцированные изменения в спектре флуоресценции позволили осуществлять внутреннюю калибровку сенсорной системы и регистрировать ратиометрический отклик, заключающийся в том, что отношение интенсивностей флуоресценции на двух различных длинах волн, на которых происходит испускание хромофора-донора и хромофора-акцептора, изменялось при увеличении концентрации катиона ртути (II) в водном растворе. Как показали биологические исследования, проведенные на клетках аденокарциномы легкого человека А549, рассматриваемый хемосенсор проникал через мембрану, накапливался в лизосомах и митохондриях и оказался способным к селективному ратиометрическому детектированию Hg2+ во внутриклеточной среде.

 

Публикации

1. Панченко П.А., Полякова А.С., Федоров Ю.В., Федорова О.А. Fluorescent chemosensor for mercury (II) cations in aqueous solution based on 4-(acetyl)amino-1,8-naphthalimide derivative containing N-phenylazadithia-15-crown-5-ether receptor Russian Chemical Bulletin, International Edition, Vol. 70, № 10, P. 1939-1945. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1007/s11172-021-3300-6

2. Панченко П.А., Полякова А.С., Федоров Ю.В., Федорова О.А. Изучение катионозависимого резонансного переноса энергии в краунсодержащей бисхромофорной системе на основе 4-метокси- и 4-стирил-1,8-нафталимида Макрогетероциклы, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.6060/mhc214029p

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Третий этап проекта был посвящен разработке флуоресцентных ратиометрических хемосенсоров, в которых механизм возникновения оптического сигнала основан на использовании процессов резонансного переноса энергии (англ. Resonance energy transfer, RET) и внутримолекулярного переноса заряда (англ. Intramolecular charge transfer, ICT). С использованием клик-реакции 1,3-диполярного азид-алкинового циклоприсоединения и алкилирования были синтезированы RET-пары «нафталимид – нафталимид», «нафталимид – стирилпиридин», «стирилпиридин – стирилпиридин», содержащие в качестве рецептора азадитиа-15-краун-5-эфир и олигогликолиевый фрагмент. Было показано, что полученные бисхромофоры с двумя различными фотоактивными остатками способны при связывании катионов металлов демонстрировать уменьшение эффективности RET за счет гипсохромного сдвига полосы поглощения хромофора-акцептора, что приводит к возникновению ратиометрического флуоресцентного отклика. Соединения с открытоцепной ионофорной группой проявляли сенсорные свойства по отношению к катионам кальция и бария в ацетонитрильном растворе, в то время как краунсодержащие бисхромофоры оказались способны детектировать катионы ртути (II) в воде. Анализ полученных результатов показал, что наиболее оптимальной RET-парой для создания ратиометрических флуоресцентных сенсоров для анализа биогенных катионов металлов в клетках является сочетание хромофоров «4-алкокси-1,8-нафталимид – стирилпиридиниевый краситель».

 

Публикации

1. Павлова М.А., Панченко П.А., Власова М.Н., Федорова О.А. Флуоресцентный сенсор на катионы Zn2+ на основе производного 4-метокси-1,8-нафталимида, содержащий DPA рецепторный фрагмент Известия академии наук. Серия химическая, - (год публикации - 2023)

2. Панченко П.А., Ефременко А.В., Полякова А.С., Феофанов А.В., Устимова М.А., Федоров Ю.В., Федорова О.А. Fluorescent RET-Based Chemosensor Bearing 1,8-naphthalimide and Styrylpyridine Chromophores for Ratiometric Detection of Hg2+ and Its Bio-Application Biosensors, Vol. 12, Art. № 770. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/bios12090770

Возможность практического использования результатов
-