Stabile og funktionelle farvestoffer til nær-infrarød fluorescensbilleddannelse af levende individer

Forskere kan overvåge biomolekylære processer i levende væv ved hjælp af ikke-invasive optiske metoder, såsom fluorescensbilleddannelse. Imidlertid, de fluorescerende farvestoffer, der bruges til dette formål, er ofte ret ustabile, og fotoblegning, mangel på specificitet, og dårlig farmakokinetik er tilbagevendende problemer. Amerikanske forskere har udviklet et molekylært skjold, der stabiliserer nær-infrarøde fluorescerende farvestoffer og forbedrer deres funktionalitet. Deres syntese og karakterisering er rapporteret i tidsskriftet Angewandte Chemie.

Fluorescensbiobilleddannelse bruger ofte det nær-infrarøde lysområde, fordi denne stråling effektivt kan trænge ind i menneskeligt væv. Fluorescerende farvestoffer designet til dette formål har normalt en flad, symmetrisk molekylær arkitektur, som fremmer absorption af nær-infrarødt lys, men farvestofferne skal også være vandopløselige og bære funktionelle grupper til konjugering med målrettede biomolekyler, for eksempel, antistoffer eller tumorbindende peptider. Et medlem af denne klasse af fluorescerende farvestoffer, kaldet heptamethin cyaniner, eller Cy7, er i øjeblikket under undersøgelse i kirurgiske applikationer.

Imidlertid, Cy7-molekylerne har deres ulemper. Deres lysabsorberende kromofor er sårbar over for iltradikaler, hvilket fører til blegning. Ud over, de flade stive molekyler kan aggregere og interagere uspecifikt med andre biomolekyler, hvilket bremser deres clearance fra kroppen.

For at løse disse problemer, Bradley D. Smith og hans gruppe ved University of Notre Dame, OS., forbedret farvestoffets kemiske struktur. For at beskytte heptamethinkromophoren mod iltangreb, de introducerede et omfangsrigt og smart skjold. De fastgjorde en omfangsrig aromatisk gruppe oven på den centrale del af kromoforen og forsynede denne topgruppe med lange afskærmningsarme, der rager ud over begge sider af kromoforen, som en fugl, der dækker sin rede med sine vinger.

Det resulterende farvestof, som forskerne kalder "sterisk afskærmet heptamethine cyanine dye" eller s775z, var vandopløseligt og gav stabil fluorescens. Den afskærmede arkitektur forhindrede aggregering og fotoblegning, rapporterede forfatterne. Farvestoffet var usædvanligt stabilt mod kemisk nedbrydning og kunne opbevares "på ubestemt tid" i et fælles køleskab, skrev forfatterne.

De udførte også billeddannelsesundersøgelser i levende mus og fandt ud af, at s775z, i modsætning til alle andre undersøgte farvestoffer, ikke akkumuleret i blodudskillelsesorganerne, men blev hurtigt vasket ud af kroppen. I øvrigt, en cancer-målrettet version af s775z akkumuleret på et højt niveau i tumorer og kunne visualiseres ved fluorescensbilleddannelse af de levende mus.

Forfatterne foreslår, at det nye s775z farvestof vil være nyttigt til en bred vifte af biomedicinske billedbehandlingsapplikationer. De påpeger, at ændringen fra et fladt molekyle til en tredimensionel afskærmningsarkitektur var nøglen til at gøre denne klasse af nær-infrarød fluorescensfarvestoffer mere stabil og effektiv.