Forscher der Tokyo Metropolitan University haben einen neuen Farbstoff entwickelt, der zweite Nahinfrarotstrahlung stark absorbieren und in Wärme umwandeln kann. Ausgehend von einem Farbstoff aus der Familie der Gallenpigmente entwickelten sie eine einzigartige Ringstruktur, die Rhodium und Iridium binden kann.
Messungen und Modellierungen ergaben starke Absorptionen im zweiten Nahinfrarotbereich und eine außergewöhnliche Photostabilität. Zweite Nahinfrarotwellen dringen leicht in menschliches Gewebe ein; Der neue Farbstoff kann in der Tiefengewebstherapie und Bildgebung eingesetzt werden.
Der zweite nahe IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums (1.000–1.700 Nanometer) ist ein potenziell wichtiger Wellenlängenbereich für die medizinische Wissenschaft. In diesem Bereich wird Licht nicht so stark von biologischem Gewebe gestreut oder absorbiert. Diese Transparenz macht es ideal für die Abgabe von Energie in tiefere Körperteile, sei es für Bildgebung oder Behandlungen.
Ein wichtiges Beispiel für eine solche Therapie ist die photoakustische Bildgebung in der Krebsdiagnose und -behandlung. Wenn ein in den Körper injiziertes Kontrastmittel mit Licht getroffen wird, gibt es Wärme ab, die winzige Ultraschallstöße erzeugt, die entweder für die Bildgebung erkannt oder selbst zur Schädigung von Krebszellen genutzt werden können.
Die Wirksamkeit dieses Ansatzes hängt von der Verfügbarkeit stabiler Kontrastmittel ab, die Licht bei diesen Wellenlängen effizient absorbieren können. Die meisten Kontrastmittel sind jedoch im ersten nahen IR-Bereich (700–1.000 Nanometer) empfindlicher, wo die Streueffekte stärker sind und die Energieabgabe weniger effizient ist.
Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von außerordentlichem Professor Masatoshi Ichida von der Tokyo Metropolitan University eine neue chemische Verbindung entwickelt, die diese Achillesferse überwindet.
Sie begannen mit einem Farbstoff aus der Familie der Gallenpigmente namens Bilatrien und wandten eine als N-Verwirrungschemie bekannte Methode an, um die Ringstruktur von Bilatrien so zu modifizieren, dass sie die Bindung von Metallionen akzeptiert. In ihrer jüngsten Arbeit gelang es ihnen, Rhodium- und Indiumionen über Stickstoffatome in den Ring einzubauen.
Der neue Farbstoff des Teams zeigte unter normalen Bedingungen seine stärkste Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von 1.600 Nanometern, die deutlich im zweiten Nah-IR-Bereich liegt.
Es erwies sich außerdem als sehr fotostabil, was bedeutet, dass es bei Lichteinwirkung nicht so leicht auseinanderbricht.
Detaillierte Messungen, wie das Molekül auf Magnetfelder reagiert, und numerische Berechnungen mithilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) zeigten beide, wie die einzigartige Verteilung der Elektronen in einer Wolke, die die gesamte, komplexe Struktur des metallbindenden Moleküls (auch bekannt als Pi) umfasst, entsteht -Radikaloid) führte zu Absorptionen, die in bestehenden, ähnlichen Verbindungen nicht möglich sind.
Da das zweite nahe IR nicht so stark vom Gewebe absorbiert wird, können mit dem Farbstoff sensibilisierte Regionen stärker dem Licht ausgesetzt werden, was eine klarere Bildgebung und eine bessere Wärmeabgabe für Therapien ermöglicht.
Das Team hofft, dass ihr Molekül die Tür zu neuen Ansätzen in der Tiefengewebemedizin sowie zu allgemeineren Anwendungen in der chemischen Katalyse öffnen wird.
Weitere Informationen:
Aninda Ghosh et al., Metallverbrückendes zyklisches Bilatrien-Analogon ermöglicht stabile π-Radikaloidfarbstoffe mit Nahinfrarot-II-Absorption, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2024). DOI: 10.1002/ange.202418751