Новый краситель позволяет визуализировать глубокие ткани и облегчить диагностику и лечение рака

Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый краситель, способный интенсивно поглощать второе излучение ближнего ИК-диапазона и преобразовывать его в тепло. Взяв за основу краситель из семейства желчных пигментов, они разработали уникальную кольцевую структуру, способную связывать родий и иридий. Измерения и моделирование показали сильное поглощение второго ближнего ИК-излучения и исключительную фотостабильность. Вторые волны ближнего ИК-диапазона легко проникают в ткани человека; новый краситель может найти применение при терапии и визуализации глубоких тканей.

Инфракрасное излучение – это электромагнитное излучение, находящееся на границе с красным спектром видимого света. Человеческий глаз не способен видеть этот спектр, однако мы его ощущаем как тепло. При воздействии инфракрасных лучей, предметы нагреваются. Чем короче длина волны инфракрасного излучения, тем сильнее будет тепловой эффект.

Согласно международной организации стандартизации (ISO), инфракрасное излучение делится на три диапазона: ближний, средний и дальний. В медицине применяется только ближний инфракрасный диапазон, поскольку он не рассеивается на поверхности кожи и проникает на подкожные структуры

Терапия ИК-светом показала высокую эффективность при лечении разных заболеваний: пневмонии, гриппа, ангины, бронхиальной астмы, васкулита, пролежней, варикозного расширения вен, заболеваний сердца, обморожений и ожогов, некоторых форм дерматитов, заболеваний периферической нервной системы и злокачественных новообразований кожи

Вторая ближняя ИК-область электромагнитного спектра (1000-1700 нанометров) – потенциально важный диапазон длин волн для медицины. В этом диапазоне свет не так сильно рассеивается или поглощается биологическими тканями. Такая прозрачность делает его идеальным для доставки энергии в более глубокие части тела, как для визуализации, так и для лечения. Важным примером такой терапии является фотоакустическая визуализация в диагностике и лечении рака. Когда на контрастное вещество, введенное в организм, попадает свет, оно излучает тепло, которое создает крошечные ультразвуковые разряды, обнаруживаемые для визуализации или используемые для повреждения раковых клеток.

Эффективность этого подхода зависит от наличия стабильных контрастных веществ, способных эффективно поглощать свет в этих длинах волн. Однако большинство контрастных агентов более чувствительны в первом ближнем ИК-диапазоне (700-1000 нанометров), где эффекты рассеяния сильнее, а доставка энергии менее эффективна.

Теперь группа исследователей под руководством доцента Masatoshi Ichida (Масатоши Ичида) из Токийского столичного университета разработала новое химическое соединение, которое устраняет эту «ахиллесову пяту». Взяв за основу краситель из семейства желчных пигментов под названием билатриен, они применили метод, известный как химия N-конфузии, для изменения кольцевой структуры билатриена, чтобы он мог связывать ионы металлов. В своей последней работе они успешно присоединили ионы родия и индия к кольцу через атомы азота.

Новый краситель продемонстрировал самое сильное поглощение света при длине волны 1600 нанометров в обычных условиях, что находится во второй ближней ИК-области. Он также оказался очень фотостабильным, то есть не разрушается под воздействием света. Детальные измерения реакции молекулы на магнитные поля и численные расчеты с помощью теории функционала плотности (ТФП) показали, что уникальное распределение электронов в облаке, охватывающем всю сложную структуру металлосвязывающей молекулы (также известной как пи-радикалоид), приводит к поглощению, которое невозможно в существующих, аналогичных соединениях.

Поскольку второй ближний ИК-диапазон не так сильно поглощается тканями, участки, сенсибилизированные красителем, будут сильнее подвержены воздействию света, что позволит получать более четкие изображения и лучше доставлять тепло для лечения. Команда надеется, что их молекула откроет двери для новых подходов к медицине глубоких тканей, а также для более общих применений в химическом катализе.