Уральские ученые создают новые инструменты для обнаружения рака

10:00, 12 декабря 2018

Флуорофоры помогут проследить, усвоился ли лекарственный препарат организмом

Ядро лимфоцита, маркированное флуоресцентными красителями. Иллюстрация: «Википедия»

Группа ученых Уральского федерального университета во главе с профессором Григорием Зыряновым синтезировала группу флуорофоров широкого назначения. О содержании и результатах работы по оригинальной технологии исследователи рассказали в авторитетном международном научном журнале Dyes and Pigments («Красители и пигменты»).

«Флуорофоры — порошки разного цвета, которые начинают испускать видимое излучение, проще говоря, светиться при воздействии на них оптическим излучением определенного диапазона. Это явление называется „холодным свечением“ или флуоресценцией», — объясняет Зырянов.

Красителями флуорофоры называют потому, что они способны окрашивать биологические объекты, например, клетки, в том числе и подверженные патологическим процессам. При этом важно, чтобы красители, во-первых, обладали свойством селективности, то есть окрашивали, скажем, либо только здоровую, либо только больную клетку, а во-вторых, были яркими, высококонтрастными, пригодными для наблюдения, так как некоторые биологические ткани обладают собственной флуоресценцией.

Флуорофор помещают в растворитель, лучше воду, либо тестируемый биологический объект погружается в полученный раствор, либо раствор наносится на объект. При этом между флуорофором и биообъектом протекают определенные электростатические, донорно-акцепторные взаимодействия: молекулы флуорофора захватываются рецепторными фрагментами биомолекул (захватываемое вещество по-научному называется лигандом). В результате образуются супрамолекулярные (надмолекулярные) структуры, комплексы, основанные на нековалентных, то есть непрочных, обратимых, связях.

К слову, многие важные функции человеческого организма управляются в основном за счет такого рода нековалентных взаимодействий, мы с вами — в некотором смысле неустойчивый «конструктор».

«В зависимости от типа и интенсивности „общения“ с обработанным биологическим объектом следует либо смещение флюоресценции по диапазону (другими словами, флуорофор меняет окраску, к примеру, с голубой на зеленую или красную), либо разгорание/тушение (прекращение) свечения. В науке эта динамика называется изменением физического сигнала — исходящего от молекулы флуорофора вследствие взаимодействия с наблюдаемым биологическим объектом», — объясняет профессор УрФУ.

Такая реакция указывает, например, на область, пораженную патогенными, конкретно раковыми, клетками (или, наоборот, ярко окрашиваются здоровые ткани, окруженные патологией). Таким образом можно не только устанавливать наличие заболевания, но наблюдать его развитие, а в некоторых случаях успешно удалять пораженные ткани хирургическими способами.

«Еще одна область применения флуорофоров — фармацевтика: с их помощью можно проследить, как лекарственный препарат (к примеру, антираковый) усваивается теми или иными органами человеческого организма, какие изменения в человеческих органах и тканях при этом возникают, насколько они доброкачественны», — добавляет Зырянов.

«Поведение» красителей служит индикатором присутствия взрывчатых веществ. В этом случае рецепторы ярко светящегося флуорофора не «трогают», как в случае с раковой клеткой, а «нюхают» молекулу взрывчатого вещества, находящегося в воздухе в виде паров или наночастиц — примерно так же, как собака улавливает взрывчатку обонятельными рецепторами своего носа. При контакте со взрывчаткой флуорофор, как правило, гаснет, так как идет тушение флюоресценции, это фиксируется специальным прибором.

Флуорофоры эффективны и при экспресс-анализе почв, грунтовых и сточных вод бытового назначения — когда необходимо проверить их на присутствие гербицидов, техногенных отходов или, например, следов лекарственных препаратов. Приборы, обычно применяемые в этих целях (это дорогостоящие масс-спектрометры и хромато-масс-спектрометры), некомпактны, тяжелы и требуют дополнительного обслуживающего персонала. А для выезда на место с красителями понадобится лишь небольшая портативная лаборатория.

Уникальность технологии екатеринбургских ученых заключается в ее простоте, относительной быстроте и локальности (благодаря одномоментному прохождению сразу нескольких стадий синтеза в одном реакторе). Кроме того, создание красителей протекает без растворителей, что обеспечивает экологичность процесса. Использование методов «зеленой химии», безотходных и малоотходных технологий — исторически сложившийся подход университета. Работы ведутся на кафедре органической и биомолекулярной химии УрФУ и в Институте органического синтеза УрО РАН под руководством академиков Олега Чупахина и Валерия Чарушина.

Важно и то, что ученые из УрФУ «возбуждают» флуорофоры длинноволновым излучением: оно более близко по диапазону к солнечному свету и обладает большой проникающей способностью, при этом воздействуя только на красители и, в отличие от коротковолнового излучения, не повреждает окружающие ткани, не нанося урона организму вторичными явлениями, вызванными излучением, например, фотодеградацией.

Еще одна выгодная сторона технологии — ее невысокая стоимость. Таким образом, она доступна медицинским учреждениям (например, онкоцентрам) не только в крупных и городах. Более того, поскольку небольшая модификация флуорофора может кардинально изменить его свойства и назначение (одно и то же вещество оказывается пригодным для воздействия и на биологические объекты, и на взрывчатые вещества, и на лекарственные препараты), простота и незатратность уральской технологии создают условия для синтеза целых обширных «библиотек» из нескольких десятков красителей, так сказать, под разные случаи жизни.

Клинические испытания синтезированных флуорофоров (изучение сторон и границ применимости синтезированных красителей, накопление статистики) проходят в медицинских учреждениях и исследовательских институтах Екатеринбурга и Свердловской области. Интерес проявляют и зарубежные коллеги — из Европы, Бразилии, Индии, Китая. Член редакционной коллегии журнала Dyes and Pigments французский химик профессор Ашель Сильван, недавно посетивший центр фармацевтических и химических технологий УрФУ, где трудится научная группа профессора Зырянова, выразил восхищение качеством лабораторной базы, размахом и уровнем работ. Уральская школа химиков-органиков, много лет назад заложенная прославленным академиком Исааком Постовским, подтверждает свою передовую позицию в глобальной науке.