Группа ученых из Уральского федерального университета во главе с профессором Григорием Зыряновым синтезировала группу многоцелевых флуорофоров. О содержании и результатах своей работы в отношении этой уникальной технологии исследователи рассказали в авторитетном международном научном журнале «Dyes and Pigments».
Флуорофоры представляют собой порошки различного цвета, способные испускать излучение в видимом спектре (другими словами, они светятся) под воздействием оптического излучения определенной частоты. Этот феномен получил название "холодный свет", – поясняет Зырянов.
Флуорофоры называют также контрастными красителями или контрастами, поскольку они могут окрашивать различные биологические объекты, – например, клетки, пораженные патологическими процессами. Критически важно, чтобы контрасты, во-первых, обладали свойством селективности, т.е. окрашивали бы, скажем, только здоровые или только больные клетки. Во-вторых, они должны быть яркими, высококонтрастными и доступными для наблюдения, поскольку некоторые биологические ткани также являются природными флуоресцентами.
Флуорофор помещают в растворитель, – предпочтительно, в воду, – и затем либо исследуемый биологический объект погружается в этот раствор, либо раствор наносится на объект. В этом случае между флуорофором и биообъектом возникают определенные электростатические, донорно-акцепторные взаимодействия: молекулы флуорофора захватываются рецепторными фрагментами биомолекул (в науке захватываемое подобным образом вещество называют лигандом). В результате возникают супрамолекулярные структуры – комплексы, основанные на нековалентных (слабых, обратимых) связях между молекулами.
К слову, многие витальные функции человеческого организма преимущественно контролируются такими нековалентными взаимодействиями, и в некотором смысле мы представляем собой «разборные конструкторы».
В зависимости от типа и силы «коммуникации» с анализируемым биологическим объектом, – продолжает профессор Зырянов, – происходит либо смещение частоты флуоресценции (другими словами, флуорофор меняет цвет, например, с синего на зеленый или красный), либо усиление/ослабление свечения. Эту динамику ученые называют изменением физического сигнала, исходящего от молекулы флуорофора при взаимодействии с исследуемым биообъектом.
Подобная реакция выявляет, к примеру, участок, пораженный патогенными, особенно раковыми клетками (или, наоборот, ярко окрашивает здоровую ткань, окруженную патологическими). Таким образом, становится возможным не только установить наличие болезни, но и наблюдать ее в развитии, а при соответствующих показаниях успешно прибегать к высокоточному хирургическому вмешательству.
Другая область применения флуорофоров, – добавляет Зырянов, – это фармакология: они могут использоваться для отслеживания того, как лекарство (например, антираковое) усваивается различными органами, какие изменения происходят в различных органах и тканях, являются ли эти изменения доброкачественными.
«Поведение» красителей может также применяться в качестве индикатора присутствия взрывчатки. В этом случае рецепторы ярко светящегося флуорофора не «прикасаются», как при контакте с раковыми клетками, а как бы «нюхают» молекулы взрывчатого вещества, распыленные в воздухе в виде паров либо наночастиц, – примерно так же, как собака ощущает взрывчатку обонятельными рецепторами своего носа. При соприкосновении со взрывчаткой флуорофор, как правило, гаснет, поскольку происходит регистрируемое специальным прибором гашение.
Эффективны флуорофоры и при экспресс-анализе почв, грунтовых и бытовых сточных вод, – когда необходимо их проверить на содержание гербицидов, промышленных отходов или, например, следов фармпрепаратов. Инструменты, которые в настоящее время используются в этих целях (дорогостоящие масс-спектрометры и хромато-масс-спектрометры), габаритны и тяжелы; они требуют привлечения дополнительного обслуживающего персонала. Напротив, для полевого исследования на месте с применением красителей достаточно лишь небольшой портативной лаборатории.
Уникальность технологии Екатеринбургских ученых заключается в сочетании простоты, сравнительной оперативности и компактности (благодаря одновременному осуществлению нескольких стадий синтеза в едином реакторе). Кроме того, создание флуорофоров не требует растворителей, что обеспечивает экологическую безопасность процесса. Приоритетное использование методов «зеленой химии», безотходных и малоотходных технологий является исторически сложившей традицией в Уральском федеральном университете. Разработки ведутся на кафедре органической и биомолекулярной химии, а также в Уральском отделении Института органического синтеза Российской академии наук, под эгидой академиков Олега Чупакина и Валерия Чарушина.
Важно отметить, что ученые УрФУ обрабатывают флуорофоры с использованием длинноволнового излучения: оно ближе к солнечному свету в плане спектра и проникающей способности, в то же время влияет только на красители и, в отличие от коротковолновой радиации, не повреждает окружающие ткани, т.е. не приносит вреда организму вторичными лучевыми эффектами, такими как фотодеградация.
Еще одним преимуществом уральской технологии выступает то, что в силу низкой затратности она вполне доступна медучреждениям (в частности, онкоцентрам) не только в крупных городах. Более того, поскольку незначительная модификация флуорофора может кардинально изменить его свойства и предназначение (одно и то же вещество применимо для работы с биообъектами, взрывчатками и лекарственными препаратами), простота и невысокая стоимость разработки уральских ученых открывают путь к созданию обширных «библиотек», состоящих из десятков красителей различного назначения.
Клинические испытания синтетических флуорофоров (изучение различных аспектов и ограничений их применимости, накопление статистических данных) осуществляется в медучреждениях и научно-исследовательских институтах Екатеринбурга и Свердловской области. Иностранные специалисты из Европы, Бразилии, Индии и Китая также проявляют интерес к проводимым исследованиям. Профессор Ашель Сильван, член редакционной коллегии журнала «Dyes and Pigments», французский химик, недавно посетивший центр фармацевтических технологий Уральского федерального университета, – в этом подразделении работает возглавляемый профессором Зыряновым коллектив, – выразил восхищение качеством лабораторной базы, масштабом и уровнем разработок. Уральский факультет органической химии, некогда основанный известным академиком Исааком Постовским, подтверждает свою лидирующую позицию в мировой науке.
