Новий барвник дозволяє візуалізувати глибокі тканини і полегшити діагностику та лікування раку

Дослідники з Токійського столичного університету розробили новий барвник, здатний інтенсивно поглинати друге випромінювання ближнього ІЧ-діапазону і перетворювати його на тепло. Взявши за основу барвник із сімейства жовчних пігментів, вони розробили унікальну кільцеву структуру, здатну зв’язувати родій та іридій. Вимірювання і моделювання показали сильне поглинання другого ближнього ІЧ-випромінювання і виняткову фотостабільність. Другі хвилі ближнього ІЧ-діапазону легко проникають у тканини людини; новий барвник може знайти застосування під час терапії та візуалізації глибоких тканин.

Інфрачервоне випромінювання – це електромагнітне випромінювання, що знаходиться на межі з червоним спектром видимого світла. Людське око не здатне бачити цей спектр, проте ми його відчуваємо як тепло. Під час впливу інфрачервоних променів предмети нагріваються. Що коротша довжина хвилі інфрачервоного випромінювання, то сильнішим буде тепловий ефект.

Згідно з міжнародною організацією стандартизації (ISO), інфрачервоне випромінювання ділиться на три діапазони: ближній, середній і дальній. У медицині застосовують тільки ближній інфрачервоний діапазон, оскільки він не розсіюється на поверхні шкіри і проникає на підшкірні структури.

Терапія ІЧ-світлом засвідчила високу ефективність під час лікування різних захворювань: пневмонії, грипу, ангіни, бронхіальної астми, васкуліту, пролежнів, варикозного розширення вен, захворювань серця, обморожень і опіків, деяких форм дерматитів, захворювань периферичної нервової системи та злоякісних новоутворень шкіри.

Друга ближня ІЧ-область електромагнітного спектра (1000-1700 нанометрів) – потенційно важливий діапазон довжин хвиль для медицини. У цьому діапазоні світло не так сильно розсіюється або поглинається біологічними тканинами. Така прозорість робить його ідеальним для доставки енергії в глибші частини тіла, як для візуалізації, так і для лікування. Важливим прикладом такої терапії є фотоакустична візуалізація в діагностиці та лікуванні раку. Коли на контрастну речовину, введену в організм, потрапляє світло, вона випромінює тепло, що створює крихітні ультразвукові розряди, які можна виявити для візуалізації або використати для пошкодження ракових клітин.

Ефективність цього підходу залежить від наявності стабільних контрастних речовин, здатних ефективно поглинати світло в цих довжинах хвиль. Однак більшість контрастних агентів більш чутливі в першому ближньому ІЧ-діапазоні (700-1000 нанометрів), де ефекти розсіювання сильніші, а доставка енергії менш ефективна.

Тепер група дослідників під керівництвом доцента Masatoshi Ichida (Масатоші Ічіда) з Токійського столичного університету розробила нову хімічну сполуку, яка усуває цю «ахіллесову п’яту». Взявши за основу барвник із сімейства жовчних пігментів під назвою білатрієн, вони застосували метод, відомий як хімія N-конфузії, для зміни кільцевої структури білатрієну, щоб він міг зв’язувати іони металів. У своїй останній роботі вони успішно приєднали іони родію та індію до кільця через атоми азоту.

Новий барвник продемонстрував найсильніше поглинання світла за довжини хвилі 1600 нанометрів за звичайних умов, що знаходиться в другій ближній ІЧ-області. Він також виявився дуже фотостабільним, тобто не руйнується під впливом світла. Детальні вимірювання реакції молекули на магнітні поля та чисельні розрахунки за допомогою теорії функціоналу густини (ТФГ) показали, що унікальний розподіл електронів у хмарі, яка охоплює всю складну структуру металозв’язувальної молекули (також відомої як пі-радикалоїд), призводить до поглинання, яке є неможливим в наявних аналогічних сполуках.

Оскільки другий ближній ІЧ-діапазон не так сильно поглинається тканинами, ділянки, сенсибілізовані барвником, будуть сильніше схильні до впливу світла, що дасть змогу отримувати чіткіші зображення і краще доставляти тепло для лікування. Команда сподівається, що їхня молекула відкриє двері для нових підходів до медицини глибоких тканин, а також для більш загальних застосувань у хімічному каталізі.