Kemikere opretter cirkulære fluorescerende farvestoffer til biologisk billeddannelse

18. september, 2018 - Kemikere fra University of Oregon har skabt en ny klasse af fluorescerende farvestoffer, der fungerer i vand og udsender farver, der udelukkende er baseret på diameteren af ​​cirkulære nanorør lavet af kulstof og brint.

Teamet på seks medlemmer rapporterede opdagelsen, som nu undersøges for dets potentielle anvendelse i biologisk billeddannelse, i et open-access-papir, der blev offentliggjort online den 30.august, forud for tryk i journalen ACS Central Science .

Papiret beskriver, hvordan de syntetiserede organiske molekyler kaldet nanohoops, som oprindeligt ikke var vandopløselige, blev manipuleret med en kemisk sidekæde for at tillade dem at passere gennem cellemembraner og bevare deres farver i levende celler.

Årevis, forskere, der er involveret i biologisk forskning og medicinsk diagnostik, har påberåbt sig kemiske forbindelser kaldet fluoroforer, som har flade strukturer og udsender forskellige farver ved lys excitation, at mærke specifikke biologiske molekyler. Potentialet for cirkulære strukturer til at give nye fluorescerende egenskaber er langt mindre undersøgt.

Nanohoops, som er korte cirkulære skiver af carbon nanorør, kunne tillade brug af flere fluorescerende farver, udløst af en enkelt excitation, til samtidig at spore flere aktiviteter i levende celler, sagde studieforfatter Ramesh Jasti, professor i UOs afdeling for kemi og biokemi og medlem af Materials Science Institute.

"Fluorescensen af ​​nanohoops er moduleret anderledes end de fleste almindelige fluoroforer, hvilket tyder på, at der er unikke muligheder for at bruge disse nanohoop -farvestoffer i registreringsapplikationer, "sagde medforfatter Michael Pluth, også professor i UO's Institut for Kemi og Biokemi. "Disse farvestoffer bevarer deres fluorescens ved en bred vifte af pH -værdier, gør dem funktionelle og stabile fluoroforer på tværs af en lang række sure og basiske forhold. "

Forskere i laboratorierne Jasti og Pluth samarbejdede om forskningen, som blev finansieret af National Science Foundation, National Institutes of Health, Sloan Foundation og Camille og Henry Dreyfus Foundation.

Nanohoops har en præcis atomsammensætning, Sagde Jasti. Når en kemisk sidekæde blev designet af undersøgelsens hovedforfatter Brittany M. White, en doktorand i Jastis laboratorium, nanohoops blev opløselige og passerede frit gennem cellemembraner, men gik ikke til bestemte steder.

"Cirkulære strukturer som disse nanohoops opløses i vandige medier bedre end flade strukturer, "Sagde Jasti." Vi fandt ud af dette ved bare at gøre det. Det var ikke en del af planen. Vi ville bare lave carbon nanostrukturer på en ultraren måde. De lyse emissioner fra de forskellige størrelser, de producerede, skete lige. Det er et nanoskala -fænomen. "

I et næste trin, medforfatter Yu Zhao, en postdoktor i Pluths laboratorium, undersøgt, hvor nanohoops gik ind i celler, og om de kan ledes til bestemte steder inde i celler. En ekstra sidekæde indeholdende folinsyre førte nanohoops til kræftceller.

"Den succes fortalte os, at disse nanohoops kan handles til forskellige celletyper eller endda til intracellulære rum, "Sagde Jasti." Dette foreslog også deres mulige anvendelse i medicinsk diagnostik eller endda levering af lægemidler, fordi vores nanohoops let kan bære små rum, der vil gå til bestemte steder. "

Nanohoops toksicitetsniveauer, han tilføjede, er ikke anderledes end i traditionelt anvendte fluorescerende farvestoffer.

I en nyfinansieret indsats, Jasti arbejder sammen med Xiaolin Nan fra Department of Biomedical Engineering ved Oregon Health &Science University i Portland for at forfølge brugen af ​​nanohoops i biologisk billeddannelse. Projektet er blandt 10 finansieret under 2018 OHSU-UO Collaborative Seed Grant-programmet. Pluth er modtager af et separat frøstilskud i programmet.

"Vi har aldrig set noget lignende disse nanohoops i farvestofkemiens verden før, "sagde studieforfatter Bruce P. Branchaud, professor emeritus i kemi og biokemi ved UO og fornem videnskabsmand i Cancer Early Detection Advanced Research Center i OHSU's Knight Cancer Institute.

"Alle andre farvestoffer har været flade, der henviser til, at disse nanohoops er ikke-plane cirkler, "sagde han." Deres unikke strukturer giver unikke egenskaber, som vi agter at udvikle og udnytte til betydelige nye bidrag til kemisk biologi, bioteknologi, biomedicinsk videnskab og medicin. "