Лазерный мир

Российские и немецкие химики синтезировали соединения, способные контрастно подсвечивать ионы кальция в растворах, биологических тканях и даже внутри клеток.

Новые молекулы сочетают две функциональные группы — бисфосонатная служит рецептором для катионов кальция, а нафталимидная интенсивно флуоресцирует после воздействия лазерным излучением. За счет этого они связываются с катионами кальция и могут их контрастно подсвечивать. Соединения перспективны для терапии костных заболеваний, а также неинвазивной диагностики различных новообразований, связанных с избыточной кальцификацией мягких тканей. Возможности новых молекул подтверждены серией экспериментов, в том числе и на клеточных культурах, а результаты работы опубликованы в июльском номере журнала Sensors and Actuators B.

Бисфосфонатные группы в силу своей геометрии очень хорошо связываются с ионами кальция и поэтому обладают большими перспективами для неинвазивной диагностики в медицине и биологии. Например, повышенная концентрация кальция в тканях молочных желез, почек или сосудов может говорить о ранних стадиях различных патологий, в том числе злокачественных опухолей. В новой работе российские и немецкие химики совместили бисфосфонатные группы с флуоресцирующими метками на основе нафталимидов и так получили молекулы для поиска кальция «До нас на данной оптической платформе никто флуоресцентные бисфосфонаты не создавал», — рассказывает один из авторов работы, доцент РХТУ и сотрудник АО Научного центра «Малотоннажная химия», Максим Ощепков. «Мы совместили в одной молекуле хорошо известную алендроновую кислоту, применяемую для подавления разрушения костной ткани, и получили молекулу, которая идёт туда, где наблюдаются проблемы с костной или мягкими тканями, селективно связывается именно с кальцием, а потом может быть детектирована по флуоресценции метки, возбужденной лазерным излучением. Получается такой рецептор, который соединяется с кальцием и подсвечивает его».

Химическая структура синтезированных веществ. Изображение предоставлено авторами работы

Визуализировать кальциевые процессы

Флуоресцентная микроскопия обладает высокой чувствительностью и наглядностью, а флуоресцентные маркеры значительно безопасней и дешевле по сравнению с радиоактивными метками, и поэтому этот аналитический метод уже широко применяется не только в химии и биологии, но и в диагностической медицине.

Новые соединения перспективны для отслеживания кальциевых процессов. Если ввести их перорально или с помощью инъекции, а потом облучить лазерным излучением, то возбужденная в нафталимидных группах флуоресценция контрастно подсветит кальциевые отложения в костных или мягких тканях различных полых органов. 

Более того, такой подход можно использовать даже при проведении операций: маска со светофильтрами позволяет хирургу видеть кальцинированные участки открытых тканей уже в непрерывном режиме.

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.

Кроме медицинских аспектов новые соединения интересны и для фундаментальной науки. “Кальций очень важный с точки зрения биохимии катион”, — рассказывает один из соавторов работы, доцент РХТУ и сотрудник АО НЦ “Малотоннажная химия”, 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”.

Сейчас ученые проводят переговоры с НИИ общей патологии и патофизиологии по совместным работам, посвященным визуализации кальция внутри клеток.

Исследование проведено сотрудниками кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов РХТУ им. Д.И. Менделеева в коллаборации с АО НЦ “Малотоннажная химия”, Институтом биологии гена РАН, Институтом общей физики РАН, а также Техническим университетом Кемница (Германия) и Университетом Эрлангена-Нюрнберга (Германия). Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (№ 19-79-10220) и программы “NitraMon” Европейского социального фонда (100339427)

Источник:  https://new-science.ru/kalcij-v-pryamom-efire/