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 22-73-00330

НазваниеФотоуправляемые флуоресцентные маркеры и зонды на основе новых спиропиранов, функционирующие в ближнем ИК-диапазоне

РуководительПугачев Артем Дмитриевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-101 - Синтез, строение и реакционная способность органических соединений

Ключевые словаСпиропиран, фотохромизм, биовизуализация, фотоконтроль, флуоресценция, ближний ИК диапазон.

Код ГРНТИ31.21.27

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данное исследование направлено на создание зондов и маркеров с фотоуправляемой флуоресценцией, функционирующих в окне ближнего инфракрасного диапазона в биологической ткани (650 – 1350 нм). Развитие флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения произвело революцию в нашем понимании наномира. Этот метод является достаточно эффективным для получения богатой спектральной информации об отдельных молекулах и биологических объектах в дополнение к информации о локализации.Флуоресцентная микроскопия отличается информативностью, высокой степенью достоверности, а также требует сравнительно низких затрат на реализацию исследования. С точки зрения медицины, главным преимуществом данного метода является неинвазивность. Наиболее высокого разрешения позволяют добиться методы, основанные на контролируемом «включении» и «выключении» флуоресцентных молекул, связанных с исследуемым объектом, и их последовательном детектировании (методики STED, GSD, SPEM (SSIM), RESOLFT, PALM, STORM, PAINT). Использование спироциклических фотохромных остовов, фотолюминесцентными свойствами которых можно управлять как с помощью электромагнитного излучения, так и при воздействии рН среды и других внешних стимулов, позволит значительно улучшить контрастность изображения, получить информацию об окружении молекул и биологических объектов, тем самым повысив информативность метода без его значительного удорожания, что обеспечивает высокую актуальность решения заявленной научной проблемы. Индолиновые спиропираны отличаются высокой степенью простоты функционализации. Введение различных заместителей в зависимости от выбранных положения позволит обеспечить высокую эффективность и селективность связывания потенциальных флуоресцентных зондов и маркеров, их водорастворимость и низкую цитотоксичность, а также провести тонкую настройку спектрально-кинетических характеристик и фотохромных свойств в соответствии с поставленной диагностической задачей. Основная научная новизна проекта связана с тем, что для подавляющего большинства органических фотохромных соединений не характерно поглощение и фотолюминесценция в диапазоне длин волн биологического окна. Однако в ходе предыдущих исследований нами было показано, что при введении винил-3Н-индолиевого фрагмента можно добиться желаемых свойств. Более того, становится возможным получить в пределах одного класса фотохромы разного типа всего лишь при смене положения заместителей в молекуле. Последнее является чрезвычайно важным обстоятельством, поскольку позволяет использовать активирующее излучение, длина волны которого достаточно близка к диапазону биологического окна. В ходе исследования будет в значительной степени расширен спектр соединений с фотоуправляемой флуоресценцией, которые могут быть использованный в качестве флуоресцентных зондов и маркеров. Будут отобраны наиболее подходящие для этих целей молекулы и исследованы на предмет цитотоксичности и биосовместимости.

Ожидаемые результаты
Будут изучены особенности влияния заместителей в различных положениях молекулы на спектрально-кинетические свойства соединений в органических и водно-органических средах. Полученные закономерности будут полезны при дизайне новых фотохромных молекул с заранее заданными свойствами. Ожидается получение ряда новых спироциклических соединений на основе индолинового гетероцикла с фотоуправляемой флуоресценцией в ближнем ИК диапазоне. Для наиболее подходящих фотохромных молекул по спектрально-кинетическим характеристикам будут проведены дополнительные биологические исследования с целью определения их цитотоксичности и биосовместимости. Полученные соединения позволят расширить спектр существующих фотоуправляемых зондов и маркеров для биологических и медицинских исследований методом флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения. С помощью разного набора заместителей и их положения в молекуле станет возможным подбор соединений под разные узкоспециализированные задачи. Это удастся реализовать благодаря обеспечению селективности молекул к конкретным биологическим объектам за счет разного набора заместителей, а также чувствительности молекулы к рН среды. Проявление разного типа фотохромизма (негативного, позитивного, а также фотохромных «весов») в пределах одного класса соединений открывает возможность выбора фотоуправляемых зондов и маркеров в зависимости от длины волны активирующего излучения.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Целью проекта является получение фотохромных спиропиранов с сопряженным винил-3Н-индолиевым фрагментом и флуоресценцией в ближнем ИК диапазоне. Такой выбор основан на структурном сходстве их мероцианиновой (МЦ) формы с цианиновыми красителями, что было показано в наших предыдущих исследованиях. Основным отличием спиропиранов является возможность фотоконтроля флуоресцентных свойств. Это связано с тем, что нефлуоресцентная спиропирановая форма (СП) под действием электромагнитного излучения способна трансформироваться в фотолюминесцентную МЦ форму. Примечательно, что синтез солевых спиропиранов значительно проще и дешевле, чем молекулярных диад на основе фотохромных спиропиранов с флуоресценцией в ближнем ИК диапазоне. На первом этапе проекта получены 6′ и 8′-метоксизамещенные солевые спиропираны с разными противоионами и заместителями в положениях 5 и 5′′. Удалось также получить 6′-карбоксизамещенный спиропиран с сопряженным винил-3Н-индолиевым фрагментом в положении 8′, который растворяется в воде несколько лучше метоксизамещенных производных. По аналогичной методике получена первая метастабильная фотокислота с сопряженным катионным фрагментом на основе 3-(2,3,3-триметил-3Н-индолий-1-ил)пропан-1-сульфоната, которая очень хорошо растворяется в воде. В результате исследований современными физико-химическими методами получен набор данных, подтверждающих структуру соединений. Молекулярное структура одного из солевых спиропиранов была уточнена с помощью рентгеноструктурного анализа, а наличие π–π-взаимодействий в кристалле подтверждено с использованием программных пакетов CrystalExplorer и Mercury. Проведены спектрально-кинетические исследования соединений метоксизамещенных соединений и фторзамещенной метастабильной фотокислоты. Мероцианиновые изомеры трех метоксизамещенных соединений демонстрируют фотолюминесценцию (при возбуждении светом с длиной волны 630 нм) в ближнем ИК диапазоне с максимумами при 744, 755, 748 нм, а метастабильной фотокислота – с максимумом при 731 нм. Однако два метоксизамещенных солевых спиропирана оказались нефотохромны при комнатной температуре в растворе ацетонитила. Остальные демонстрировали негативный фотохромизм при облучении УФ-светом, хотя реакция «фотообесцвечивания», к сожалению, ни в одном из случаев не протекала до конца. С помощью квантово-химических исследований удалось объяснить природу спектров поглощения и отсутствие фотохромного поведения в некоторых случаях. Метастабильная фотокислота с сопряженным катионным фрагментом 5 тоже демонстрирует обратный фотохромизм. Важно, что квантовый выход флуоресценции метастабильной фотокислоты с сопряженным катионным фрагментом оказался на порядок выше по сравнению с метоксизамещенными солевыми спиропиранами. Его значение составило 0.045, что близко к квантовым выходам фотолюминесценции большинства исследованных цианиновых красителей (~0.05 – 0.15) в этаноле. Установленны корреляции между структурными особенностями полученных спиропиранов и их спектрально-кинетическими характеристиками, а также цитотоксичностью и потенциальной биологической активностью. Планируется получить метастабильные фотокислоты с сопряженным катионным фрагментом с другими заместителями в 6′ и 8′ положениях, поскольку они могут обладать не только флуоресценцией в ближнем ИК диапазоне, но хорошей растворимостью в воде, а также высокими значениями квантовых выходов фотолюминесценции. Использование других заместителей (например, слабых или сильных доноров электрона) возможно приведет к батохромному сдвигу максимумов фотолюминесценции, а также к протеканию фотореакции до конца, что необходимо для достижения фотоконтроля флуоресценции. В рамках проекта проведены исследования токсичности метоксизамещенных соединений на биопленках и lux-биосенсорах. Результаты исследований токсичности с использованием lux-биосенсоров показали, что они являются ДНК-тропными. Эффекты в основном регистрировались при максимальных и минимальных концентрациях всех изученных соединений. В результате исследований с использованием lux-биосенсоров можно предположить, что данные соединения могут рассматриваться как антибактериальные и противораковые средства. Экспериментально показано, что исследуемые солевые спиропираны не рекомендуются в качестве ингибирующих развитие бактериальных биопленок А. calcoaceticus ВКПМ В-10353 и E. coli CDC F-50. Проведены исследования этих же веществ с молекулой ДНК как потенциальной мишенью методом молекулярного докинга. Полученные результаты показывают, что все молекулы могут связываться через образование интеркаляционных комплексов, а также в бороздках двойной спирали ДНК. Во всех случаях наибольшее сродство отмечается для режима малой бороздки (от –7.38 до –10.33 ккал•моль-1). Следует также отметить, что изомеры ТТТ для двух метоксизамещенных соединений проявляют наибольшее сродство среди всех случаев. При этом в одном случае разница в выигрыше в энергии между изомерами СП и ТТТ составила 1.78 ккал•моль-1, а в другом – всего 0.73 ккал•моль-1. В случае третьего солевого спиропирана все оказалось наоборот. Сродство к СП форме было выше, чем к изомеру ТТТ, на 2.21 ккал•моль-1. По результатам молекулярного докинга и фотофизических исследований можно предположить, что эти спиропираны могут быть перспективны для визуализации ДНК в биопленках без их разрушения.

 

Публикации

1. Пугачев А.Д., Козленко А.С., Макарова Н.И., Ростовцева И.А., Ожогин И.В., Дмитриев В.С., Ткачев В.В., Утенышев А.Н., Бородкин Г.С., Сазыкина М.А., Сазыкин И.С., Ажогина Т.Н., Карчава Ш.К., Климова М.В..Метелица А.В., Лукьянов Б.С. Molecular design and synthesis of potential NIR-fluorescent probes based on methoxy-substitued spiropyran dyes Photochemical & Photobiological Sciences, рег. номер PPSS-D-23-00098 (год публикации - 2023)

2. Пугачев А.Д., Дмитриев В.С., Ожогин И.В., Козленко А.С., Макарова Н.И., Ростовцева И.А., Метелица А.В., Лукьянов Б.С. Новые спиропираны с поглощением в ближнем ИК диапазоне в качестве зондов для флуоресцентой наноскопии Материалы международной научно-практической конференции "Перспективные технологии и материалы", г. Севастополь, 21-23 сентября, стр. 96-98 (год публикации - 2022)

3. - Молекулярный дизайнер газета Город N, - (год публикации - )