Группе химиков и биологов из Университета Нагоя и Бостонского колледжа удалось впервые синтезировать водорастворимую деформированную молекулу нанографена, которая является водорастворимой. Эта новая молекула, недавно описанная в журнале Angewandte Chemie International Edition, расширяет биологические применения наноуглеродов, включая визуализацию раковых клеток и, возможно, их искоренение.Нанографены, наноразмерные молекулы углерода, обладают уникальными электронными, оптическими и механическими свойствами и признаны перспективными материалами для электронных и биомедицинских целей. Однако плоская структура нанографенов приводит к наложению и агрегации в растворителях, что затрудняет растворение в различных растворителях и, таким образом, вызывает сложности для биологических применений.
В 2013 году профессор Кеничиро Итами, директор проекта JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon и Института трансформирующих биомолекул (ITbM) в Университете Нагоя, и его сотрудники синтезировали деформированную молекулу нанографена с седловидной структурой. Уникальная организация 26 графеновых колец молекулы предотвращает агрегацию, делая ее растворимой в большинстве обычных органических растворителей. Более того, он проявляет зеленую флуоресценцию при облучении ультрафиолетовым или синим светом.
«Мы были действительно взволнованы, когда нам удалось синтезировать деформированную молекулу нанографена, и мы были заинтересованы в том, чтобы сделать ее доступной для биологических применений, чего мы добились, добавив к молекуле водорастворимые функциональные группы», — говорит Итами.В последнем исследовании группа Итами объясняет, как они разработали простой способ сделать деформированные нанографены водорастворимыми. Во-первых, они заменили пять атомов водорода на фрагменты бора в результате катализируемой иридием реакции борилирования C-H. Затем борзамещенный деформированный нанографен смешивают с соединением, называемым арилгалогенидом, содержащим водорастворимые цепи.
Катализируемая палладием реакция сочетания Сузуки-Мияуры приводит к присоединению водорастворимых цепей к краям молекулы нанографена, что делает ее растворимой в воде и других органических растворителях. Этот метод также можно использовать для установки других функциональных групп на деформированный нанографен, чтобы легко настроить его свойства.
Команда исследовала флуоресцентные свойства водорастворимого деформированного нанографена. Они обнаружили, что в ультрафиолетовом свете молекула флуоресцирует желтым при растворении в воде и зеленым при смешивании с обычным органическим растворителем дихлорметаном. Новый нанографен показал высокую фотостабильность, что означает, что его свойства не меняются под воздействием света.
Скорее, цвет флуоресценции изменяется в зависимости от полярности растворителей, в которых они растворены.Затем команда Итами сотрудничала с биологами ITbM, чтобы проверить, может ли новая молекула окрашивать живые клетки для флуоресцентной визуализации клеток.
Они обработали клетки HeLa, штамм клеток рака шейки матки, широко используемый в исследованиях, водорастворимым деформированным раствором нанографена. Наблюдения под микроскопом показали, что клетки поглощали молекулу в течение нескольких часов, и она накапливалась в лизосомах, которые представляют собой органеллы, обнаруженные в клетках. Жизнеспособность клеток со временем существенно не изменилась, демонстрируя, что водорастворимый деформированный нанографен имеет низкую цитотоксичность и может использоваться в качестве флуоресцентного красителя для клеток HeLa.Однако при определенных обстоятельствах молекула может оказаться смертельной.
Когда обработанные клетки HeLa были облучены голубым лазером, они показали гибель клеток через 30 минут. Необработанные клетки HeLa — нет.«Хотя наш новый деформированный нанографен имеет низкую токсичность для клеток HeLa, мы были удивлены, обнаружив, что гибель клеток наблюдалась при облучении светом клеток, окрашенных новым нанографеном», — говорит Итами.Конкретный механизм того, как происходит эта гибель клеток, еще не ясен, но группа предполагает, что во время облучения образуется токсичная молекула синглетного кислорода, которая ответственна за гибель клеток.
Известно, что несколько других соединений вызывают фотоиндуцированную гибель клеток, но все еще существует потребность в открытии молекул, которые могут поглощать более длинные волны, чтобы их можно было безопасно использовать для лечения раковых клеток в глубоких тканях. Исследователи предполагают, что их метод функционализации и настройки деформированных нанографенов может привести к созданию биосовместимых молекул, которые поглощают волны излучения различной длины.«Нам удалось синтезировать водорастворимый деформированный нанографен, демонстрирующий флуоресценцию, хорошую фотостабильность и низкую цитотоксичность, что делает его многообещающим для биовизуализации», — говорит Итами. «Это достижение является прекрасным примером, демонстрирующим результат обширного сотрудничества между химией и биологией, продолжающегося в нашем институте. Мы надеемся, что наши молекулы могут быть усовершенствованы для широкого спектра биологических применений посредством дальнейшего междисциплинарного сотрудничества».
Результат этого исследования не только демонстрирует силу наноуглеродов для биологических применений, но также показывает полезную синергию между синтетической химией и биологией.