Люминесцентные сенсоры для функциональной биовизуализациии и биомедицинских исследований

Важные публикации
Идея создания водорастворимых соединений Pt(II), проявляющих AIE (Aggregation Induced Emission), была успешно реализована посредством RAFT-полимеризации (Reversible Addition-Fragmentation Transfer ) комплекса Pt(II) (LPtPV), содержащего винильную группу, и поливинилпирролидона (p(VP)). Полученный блок-сополимер p(VP-b-LPtPV), содержащий 5–8 хромофоров Pt(II), обладает уникальными фотофизическими свойствами, проявляющимися в сильной зависимости характеристик поглощения и эмиссии от типа растворителя и концентрации. Для характеристики исходного комплекса, его биядерных аналогов, p(VP) и p(VP-b-LPtPV) были использованы различные физико-химические и аналитические методы (ЯМР-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, масс-спектрометрия с электроспей ионизацией, аналитическое ультрацентрифугирование, динамическое светорассеяние, эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой, гель-проникающая хроматография, вискозиметрия, просвечивающая электронная микроскопия). Полученные данные свидетельствуют, что фотофизические свойства блок-сополимера определяются типом агрегации, а не сольватохромными эффектами. Показано, что при низких концентрациях в органических растворителях агрегация хромофоров платины либо отсутствует (в диметилформамиде), либо преимущественно происходит внутримолекулярная агрегация (в ацетонитриле), тогда как в водной среде p(VP-b-LPtPV) легко агрегирует в мицеллоподобные наночастицы с гидрофильной короной из p(VP) и гидрофобным ядром, содержащим Pt, где сильные внутри- и межмолекулярные взаимодействия Pt···Pt и/или π···π приводят к значительному красному смещению поглощения и эмиссии до 600 и 816 нм, соответственно. Несмотря на смещение эмиссии в ближнюю инфракрасную область, где излучение обычно подавляется безызлучательной колебательной релаксацией, наблюдается увеличение квантового выхода эмиссии, что полностью соответствует типичному поведению эмиттеров, проявляющих AIE. Моделирование процессов агрегации методами квантовой механики/молекулярной механики также подтверждает тенденции в зависимости между типом агрегации и фотофизическими свойствами, в частности, в изменении энергетических зазоров между основным состоянием эмиттеров и их возбуждёнными синглетными и триплетными состояниями.
Shilov R., Baigildin V., Kisel K., Galenko E., Gubarev A., Mikhailova M., Vezo O., Tsvetkov N., Shtyrov A., Ryazantsev M., Shakirova J., Tunik S. RAFT Copolymerization of Pt(II) Pincer Complexes With Water-Soluble Polymer as an Efficient Way to Obtain Micellar-Type Nanoparticles With Aggregation-Induced NIR Emission // Aggregate. 2024. Vol. 6. № 3. № e713. DOI: 10.1002/agt2.713.

В данной работе представлен новый фосфоресцентный зонд, чувствительный к pH, на основе циклометаллированного комплекса Ir(III). Для предотвращения тушения фосфоресценции кислородом и повышения биосовместимости зонда комплекс ковалентно конъюгирован с водорастворимым блок-сополимером, который также усиливает его чувствительность к pH. Полученный полимерный нанозонд демонстрирует выраженную реакцию времени жизни фосфоресценции на изменения pH в физиологическом диапазоне. Эксперименты на клетках яичника китайского хомячка (CHO-K1) показали преимущественную интернализацию зонда в закисленных клеточных компартментах, таких как эндосомы и лизосомы. Анализ данных времен жизни возбужденных состояний, полученных при помощи фосфоресцентной микроскопии, подтверждает применимость сенсора для мониторинга внутри- и внеклеточного pH в клеточных культурах.
Shakirova J., Baigildin V., Solomatina A., Babadi Aghakhanpour R., Pavlovskiy V., Porsev V., Tunik S. Intracellular pH sensor based on Ir(III) complex embedded into block-copolymer nanospecies: application in phosphorescence lifetime imaging microscopy // Advanced Functional Materials. 2023. Vol. 33. № 10. № 2212390. DOI: 10.1002/adfm.202212390.

В этой работе получены три новых фосфоресцентных комплекса иридия (Ir1–Ir3) с общей формулой [Ir(N^C)2(N^N)]Cl, модифицированных фрагментами олиго(этиленгликоля) для придания им водорастворимости, биосовместимости и защиты от агрегации с биомолекулами, такими как альбумин. Основные фотофизические характеристики этих фосфоресцентных комплексов определяются природой двух циклометаллирующих лигандов (N^C) на основе 2-пиридин-бензотиофена, поскольку квантово-химические расчёты показали, что электронные переходы, ответственные за возбуждение и эмиссию, преимущественно локализованы на этих фрагментах. Использование различных дииминовых лигандов (N^N) также позволило влиять на квантовый выход фосфоресценции и изменять чувствительность комплексов к кислороду за счёт варьирования стерической доступности хромофорного центра для молекул O₂. Также было установлено, что лиганды N^N позволяют настраивать биосовместимость полученных соединений. Максимумы эмиссии комплексов Ir1–Ir3 находятся в диапазоне 630–650 нм, квантовый выход достигает 17% (для Ir1) в дегазированном растворе, а чувствительность к молекулярному кислороду, определяемая как отношение времени жизни эмиссии в дегазированных и аэрированных водных растворах, показала наивысшее значение 8.2 для Ir1. Полученные комплексы характеризуются низкой токсичностью, хорошей водорастворимостью и отсутствием значительного влияния компонентов биологической среды на параметры их эмиссии. Из изученных соединений Ir1 и Ir2 были выбраны для биологических экспериментов in vitro и in vivo для оценки концентрации кислорода в клеточных линиях и опухолях. Эти сенсоры продемонстрировали свою эффективность для картирования распределения кислорода и мониторинга гипоксии в исследованных биологических объектах.
Samandarsangari M., Kozina D., Sokolov V., Komarova A., Shirmanova M., Kritchenkov I., Tunik S. Biocompatible Phosphorescent O2-sensors Based on Ir(III) Complexes for in vivo Hypoxia Imaging // Biosensors. 2023. Vol. 13. № 680. DOI: 10.3390/bios13070680.

Инкапсуляция и/или модификация поверхности могут стабилизировать и защищать фосфоресцентные биозонды, но затрудняют их внутривенное введение через биологические барьеры. В данной работе разработан новый класс биосовместимых дииминовых карбонильных комплексов рения (ReI), которые эффективно проникают через стенки нормальных сосудов и функционализируют внеклеточные коллагеновые матрицы в качестве in situ сенсоров кислорода. Без использования защитных агентов дииминовый комплекс ReI уже демонстрирует высокий квантовый выход эмиссии (34%, λem = 583 нм) и большие сечения двухфотонного поглощения (σ2 = 300 GM при 800 нм) в воде (pH 7.4). После экстравазации коллаген-связанные зонды значительно увеличивают эффективность возбуждения за счёт увеличения времени жизни в деоксигенированном состоянии с 4.0 до 7.5 мкс, открывая путь для визуализации опухолевой гипоксии и тканевой ишемии in vivo. Функционализация внеклеточных матриц после экстравазации демонстрирует новую методологию для фосфоресцентного сенсинга и визуализации с использованием биоматериалов.
Wu C.-H., Kisel K., Thangavel M., Chen Y.-T., Chang K.-H., Tsai M.-R., Chu C.-Y., Shen Y.-F., Wu P.-C., Liu T.-M., Jänis J., Grachova E., Shakirova J., Tunik S., Koshevoy I., Chou P.-T. Functionalizing Collagen with Vessel‐Penetrating Two‐Photon Phosphorescence Probes: A New In Vivo Strategy to Map Oxygen Concentration in Tumor Microenvironment and Tissue Ischemia // Advanced Science. 2021. Vol. 8. № 2102788. DOI: 10.1002/advs.202102788.

В настоящем исследовании описаны мицеллы, состоящие из блок-сополимеров на основе поли(диметилсилоксан-b-этиленгликоль), PDMS₁₅-b-PEG₁₁₀, или поли(ε-капролактон-b-этиленгликоль), PCL₄₅-b-PEG₁₁₀, нагруженные фосфоресцентным в ближней инфракрасной области (NIR) комплексом иридия(III) (Ir1) типа [(N^C)₂Ir(N^N)]⁺, где N^C — циклометаллирующий лиганд 6-(бензо[b]тиофен-2-ил)фенантридин, а N^N — бидентатный дииминовый лиганд (1-(пиридин-2-ил)-1H-1,2,3-триазол-4-ил)метилбензоат. Также проведено сравнение обоих типов фосфоресцентных мицелл (Ir1@PDMS₁₅-b-PEG₁₁₀ и Ir1@PCL₄₅-b-PEG₁₁₀) с нековалентными аддуктами Ir1 с человеческим сывороточным альбумином (Ir1@HSA), не образующими агрегатов. Наконец, оценена применимость всех этих фосфоресцентных наночастиц для сенсинга кислорода методом фосфоресцентной микроскопии по времени жизни (PLIM). Оба типа исследованных мицелл блок-сополимеров являются компактными (гидродинамический радиус менее 20 нм) и способны солюбилизировать Ir1 до содержания не менее 8 мас.% с почти 100%-ной эффективностью загрузки, сохраняя при этом фосфоресценцию комплекса. В то же время эффективность загрузки Ir1 в Ir1@HSA не превышает 27%, что приводит к максимальной загрузке 0,35 мас.% и значительно меньшей интенсивности люминесценции. Измерения времени жизни показали, что мицеллы Ir1@PCL₄₅-b-PEG₁₁₀ лучше всего защищают Ir1 от взаимодействия с компонентами физиологических сред, тогда как Ir1@PDMS₁₅-b-PEG₁₁₀ демонстрируют наибольший отклик времени жизни на изменения концентрации кислорода (τ_deg/τ_aer = 2,5), наиболее быстрое поглощение монослоями клеток яичника китайского хомячка (CHO-K1) и наиболее сильный внутриклеточный PLIM-сигнал. Хотя ни одна из систем не показала идеального сочетания желаемых свойств, данное исследование ясно демонстрирует высокий потенциал фосфоресцентных мицелл блок-сополимеров для PLIM-сенсинга кислорода.
Elistratova A., Kritchenkov I., Lezov A., Gubarev A., Solomatina A., Kachkin D., Shcherbina N., Liao Y.-C., Liu Y.-C., Yang Y.-Y., Tsvetkov N., Chelushkin P., Chou P.-T., Tunik S. Lifetime Oxygen Sensors Based on Block Copolymer Micelles and Non-Covalent Human Serum Albumin Adducts Bearing Phosphorescent Near-Infrared Iridium(III) Complex // European Polymer Journal. 2021. Vol. 159. № 110761. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2021.110761.