Colorants moléculaires bioinspirés pour l’imagerie fluorescente biomédicale

L’imagerie par fluorescence peut être réalisée avec de longs colorants à déplacement de Stokes qui minimisent la diaphonie entre la source d’excitation et l’émission fluorescente pour améliorer le rapport signal sur fond. Quoi qu’il en soit, les chercheurs forment toujours des colorants simples à petites molécules avec un grand décalage de Stokes et des émissions proches de l’infrarouge. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiquesHao Chen et une équipe de scientifiques ont développé une série de colorants styrène oxazolone (SOD) en utilisant des méthodes de synthèse simples inspirées de la structure chimique chromophore des protéines fluorescentes.

Les colorants ont montré des émissions dans le proche infrarouge avec un long décalage de Stokes et un faible poids moléculaire. Les colorants les plus prometteurs ont également montré une excrétion rénale rapide et des propriétés de passage de la barrière hémato-encéphalique. Les bioingénieurs ont modifié les composés pour l’imagerie des tumeurs, la chirurgie guidée par l’image de fluorescence, la neurochirurgie et l’analyse pathologique. Les découvertes apportent une catégorie essentielle de petits colorants moléculaires aux colorants classiques.

Développer des colorants à décalage de Stokes longs

L’imagerie de fluorescence est largement répandue dans la recherche biomédicale préclinique, ainsi que dans la pathologie clinique et la chirurgie guidée par l’image de fluorescence. La plate-forme simple et peu coûteuse offre des dommages légers mineurs à l’échantillon biologique pour une sensibilité de détection élevée. L’application biomédicale de l’imagerie fluorescente dépend des colorants avec des caractéristiques critiques, y compris les profils d’absorption/émission, le coefficient d’absorption, le rendement quantique, le décalage de Stokes et la stabilité photochimique.

Néanmoins, seuls quelques colorants ont montré des propriétés optimales dans toutes les catégories. La forte diaphonie entre la lumière d’excitation et d’émission peut entraîner un rapport signal sur fond relativement faible. En conséquence, les biochimistes visent à développer des colorants proches de l’infrarouge à long déplacement de Stokes pour un rapport signal / bruit de fond élevé. Dans ce travail, Chen et l’équipe ont décrit les premiers colorants styrène oxazolone (SOD) à haut rendement en tant que colorants à décalage de stokes longs, afin de fournir une nouvelle stratégie pour l’imagerie par fluorescence in vivo.

Expériences : Conception, synthèse et caractérisation de colorants styrène oxazolone (SOD)

Les protéines de fluorescence sont largement étudiées dans la recherche biologique, où elles partagent le même squelette central d’un fragment imidazolinone et une double liaison exocyclique pour basculer entre les états sombre et clair. Les chercheurs ont conçu et synthétisé une série de colorants non signalés auparavant avec du styrène oxazolone comme squelette fondamental via une procédure simple à température ambiante pour de bons rendements en deux heures. Ils ont caractérisé la structure chimique des SOD en utilisant la norme 1H résonance magnétique nucléaire (RMN) et spectres de spectrométrie de masse à haute résolution. L’équipe a identifié les propriétés spectroscopiques des colorants dans les milieux aqueux, où ils ont noté une forte fluorescence avec une bonne photostabilité, en raison de la présence d’un double liaison exocyclique. Les chercheurs ont dérivé la différence de propriétés spectroscopiques à partir de la propriété électrique et de la position des substituants.

Ils ont ainsi montré comment divers facteurs affectaient les propriétés optiques des SOD (colorants styrène oxazolone) et ont ensuite examiné la cytotoxicité des colorants. Ils ont suivi ces expériences avec de la pharmacocinétique in vivo via l’imagerie de fluorescence, ainsi que des applications in vivo du colorant pour le marquage de biomolécules. Les résultats ont montré comment certaines sondes ciblant des conditions pathologiques s’accumulaient davantage dans les cellules tumorales que dans les cellules normales, pour mettre en évidence leurs propriétés de ciblage spécifiques à la tumeur.

Biocompatibilité de l’injection intraveineuse des biomolécules de colorant

Les chercheurs ont étudié la biocompatibilité du colorant après injection intraveineuse à un modèle de souris et ont étudié son effet sur les organes internes via l’histologie. Les résultats ont mis en évidence la possibilité d’utiliser la nouvelle sonde de fluorescence pour identifier les tumeurs et l’imagerie par fluorescence des principaux organes. Les travaux ont souligné que le meilleur moment pour la chirurgie des tumeurs guidée par l’image par fluorescence était de 60 minutes après l’injection et ont démontré comment l’accumulation cérébrale rapide du colorant le rendait brièvement adapté à l’imagerie dynamique des nerfs crâniens. Les résultats ont mis en évidence pour la première fois l’impact de la molécule de colorant sur la surveillance dynamique des nerfs cérébraux.

Perspectives

De cette façon, Hao Chen et ses collègues ont conçu et développé une série d’analogues d’oxazolone et ont calculé leur géométrie optimisée. Les analogues de colorant résultants ont montré une bande interdite inférieure pour contribuer à un déplacement de Stokes plus important d’environ 150 à 200 nm supérieur aux colorants de fluorescence traditionnels. Les substituants et les effets d’encombrement stérique ont joué un rôle clé en influençant les propriétés spectroscopiques des colorants. Les résultats ont indiqué de bonnes propriétés optiques et pharmacocinétiques avec un rapport signal/bruit de fond élevé, une clairance rapide et une faible toxicité. Les molécules ont traversé de manière impressionnante la barrière hémato-encéphalique après injection intraveineuse à des souris pour fournir un signal de fluorescence puissant permettant de visualiser les neurones via l’imagerie de fluorescence confocale in vivo.

L’équipe a ensuite modifié le protocole pour permettre la coloration des mitochondries dans les cellules vivantes avec des applications dans l’imagerie tumorale, la chirurgie de navigation par fluorescence et endoscopie confocale pour identifier les limites chirurgicales et prévenir les traumatismes chirurgicaux. Les nouvelles techniques ont facilité l’analyse de la morphologie cellulaire en temps réel, ce qui a simplifié le processus d’examen histologique conventionnel avec la capacité supplémentaire de remplacer les méthodes traditionnelles de coloration telles que Hématoxyline et éosine aussi bien. Les colorants sont un composé inédit qui peut être utilisé pour des applications biomédicales lors d’une chirurgie guidée par fluorescence, avec des propriétés prometteuses, notamment une haute efficacité quantiquefaible cytotoxicité, excrétion rapide et imagerie de fluorescence.

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