Bioinspirierte molekulare Farbstoffe für die biomedizinische Fluoreszenzbildgebung

Die Fluoreszenzbildgebung kann mit Farbstoffen mit langer Stokes-Verschiebung durchgeführt werden, die das Übersprechen zwischen der Anregungsquelle und der Fluoreszenzemission minimieren, um das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis zu verbessern. Unabhängig davon bilden Forscher immer noch einfache, kleinmolekulare Farbstoffe mit großer Stokes-Verschiebung und Emissionen im nahen Infrarot. In einem neuen Bericht, der jetzt in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Fortschritteentwickelten Hao Chen und ein Team von Wissenschaftlern eine Reihe von Styrol-Oxazolon-Farbstoffen (SODs) unter Verwendung einfacher synthetischer Methoden, die von der chemischen Chromophorstruktur fluoreszierender Proteine ​​inspiriert waren.

Die Farbstoffe zeigten Emissionen im nahen Infrarot mit langer Stokes-Verschiebung und kleinem Molekulargewicht. Die vielversprechendsten Farbstoffe zeigten auch eine schnelle renale Ausscheidung und Eigenschaften, die die Blut-Hirn-Schranke passieren. Die Bioingenieure modifizierten die Verbindungen für die Tumorbildgebung, fluoreszenzbildgeführte Chirurgie, Neurochirurgie und pathologische Analyse. Die Erkenntnisse tragen zu den klassischen Farbstoffen eine wesentliche niedermolekulare Farbstoffkategorie bei.

Entwicklung von Farbstoffen mit langer Stokes-Verschiebung

Die Fluoreszenzbildgebung ist in der präklinischen biomedizinischen Forschung sowie in der klinischen Pathologie und der fluoreszenzbildgeführten Chirurgie weit verbreitet. Die kostengünstige, einfache Plattform bietet geringfügige Lichtschäden an der biologischen Probe für eine hohe Nachweisempfindlichkeit. Die biomedizinische Anwendung der fluoreszierenden Bildgebung hängt von den Farbstoffen mit kritischen Eigenschaften ab, darunter Absorptions-/Emissionsprofile, Absorptionskoeffizient, Quantenausbeute, Stokes-Verschiebung und photochemische Stabilität.

Dennoch haben nur wenige Farbstoffe über alle Kategorien hinweg optimale Eigenschaften gezeigt. Das starke Übersprechen zwischen Anregungs- und Emissionslicht kann zu einem relativ niedrigen Signal-Hintergrund-Verhältnis führen. Daher zielen Biochemiker darauf ab, Farbstoffe mit langer Stokes-Verschiebung im nahen Infrarot für ein hohes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis zu entwickeln. In dieser Arbeit beschrieben Chen und das Team die ersten hocheffizienten Styroloxazolon-Farbstoffe (SODs) als Long-Stokes-Shift-Farbstoffe, um eine neue Strategie für die In-vivo-Fluoreszenzbildgebung bereitzustellen.

Experimente: Design, Synthese und Charakterisierung von Styrol-Oxazolon-Farbstoffen (SODs)

Fluoreszenzproteine ​​werden in der biologischen Forschung umfassend untersucht, wo sie das gleiche Kernskelett von an teilen Imidazolinon-Einheit und eine exocyclische Doppelbindung, um zwischen dem dunklen und hellen Zustand umzuschalten. Die Forscher entwarfen und synthetisierten eine Reihe von bisher nicht beschriebenen Farbstoffen mit Styroloxazolon als Grundgerüst über ein einfaches Verfahren bei Raumtemperatur für gute Ausbeuten innerhalb von zwei Stunden. Sie charakterisierten die chemische Struktur von SODs unter Verwendung von Standard-1H Kernspinresonanz (NMR) und hochauflösende Massenspektrometrie-Spektren. Das Team identifizierte die spektroskopischen Eigenschaften der Farbstoffe in wässrigen Medien, wo sie aufgrund des Vorhandenseins von eine starke Fluoreszenz mit guter Photostabilität feststellten exocyclische Doppelbindung. Den Unterschied in den spektroskopischen Eigenschaften leiteten die Forscher aus der elektrischen Eigenschaft und Position der Substituenten ab.

So zeigten sie, wie verschiedene Faktoren die optischen Eigenschaften der SODs (Styrol-Oxazolon-Farbstoffe) beeinflussten und untersuchten anschließend die Zytotoxizität der Farbstoffe. Sie verfolgten diese Experimente mit In-vivo-Pharmakokinetik über Fluoreszenzbildgebung sowie In-vivo-Anwendungen des Farbstoffs zur Markierung von Biomolekülen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich einige Sonden, die auf pathologische Zustände abzielen, stärker in Tumorzellen ansammelten als in normalen Zellen, um ihre tumorspezifischen Targeting-Eigenschaften hervorzuheben.

Biokompatibilität der intravenösen Injektion der Farbstoff-Biomoleküle

Die Forscher untersuchten die Biokompatibilität des Farbstoffs nach intravenöser Injektion an einem Mausmodell und untersuchten histologisch seine Wirkung auf die inneren Organe. Die Ergebnisse unterstrichen die Möglichkeit, die neue Fluoreszenzsonde zur Identifizierung von Tumoren und zur Fluoreszenzbildgebung von Hauptorganen zu verwenden. Die Arbeit betonte, dass die beste Zeit für eine fluoreszenzbildgeführte Tumoroperation 60 Minuten nach der Injektion liegen sollte, und zeigte, wie die schnelle Anreicherung des Farbstoffs im Gehirn ihn kurzzeitig für die dynamische Bildgebung von Hirnnerven geeignet machte. Die Ergebnisse hoben erstmals die Wirkung des Farbstoffmoleküls für die dynamische Überwachung von Gehirnnerven hervor.

Ausblick

Auf diese Weise entwarfen und entwickelten Hao Chen und Kollegen eine Reihe von Oxazolon-Analoga und berechneten ihre optimierte Geometrie. Die resultierenden Farbstoffanaloga zeigten eine geringere Bandlücke, um zu einer größeren Stokes-Verschiebung beizutragen, die etwa 150 bis 200 nm größer ist als herkömmliche Fluoreszenzfarbstoffe. Die Substituenten und sterischen Hinderungseffekte spielten eine Schlüsselrolle bei der Beeinflussung der spektroskopischen Eigenschaften der Farbstoffe. Die Ergebnisse zeigten gute optische und pharmakokinetische Eigenschaften mit einem hohen Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis, schneller Clearance und geringer Toxizität. Die Moleküle durchquerten eindrucksvoll die Blut-Hirn-Schranke nach intravenöser Injektion in Mäuse, um ein starkes Fluoreszenzsignal bereitzustellen, um Neuronen mittels konfokaler Fluoreszenzbildgebung in vivo sichtbar zu machen.

Das Team modifizierte das Protokoll weiter, um die Färbung von Mitochondrien in lebenden Zellen mit Anwendungen in der Tumorbildgebung, Fluoreszenznavigationschirurgie und zu ermöglichen Konfokale Endoskopie um chirurgische Grenzen zu identifizieren und chirurgische Traumata zu vermeiden. Die neuen Techniken erleichterten die Analyse der Zellmorphologie in Echtzeit, was den Prozess der konventionellen histologischen Untersuchung vereinfachte, mit der zusätzlichen Fähigkeit, herkömmliche Färbemethoden wie z Hämatoxylin und Eosin auch. Die Farbstoffe sind eine bisher nicht gemeldete Verbindung, die für biomedizinische Anwendungen während der fluoreszenzgeführten Chirurgie verwendet werden kann, mit vielversprechenden Eigenschaften, einschließlich hoher Quanteneffizienzgeringe Zytotoxizität, schnelle Ausscheidung und Fluoreszenzbildgebung.

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