КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-73-20055

НазваниеНовые металлорганические люминофоры: дизайн триплетных эмиттеров с регулируемыми фотофизическими характеристиками

РуководительШакирова Юлия Равилевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (31).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-203 - Химия координационных соединений

Ключевые словафосфоресценция, металлорганические комплексы, функциональный биоимиджинг, светоизлучающие диоды, нелинейно-оптические свойства, термически-активированная замедленная флуоресценция

Код ГРНТИ31.17.29

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной проблемой, на решение которой направлен проект, является разработка наносистем на основе комплексов переходных металлов для in vivo имиджинга, основанного на фотоакустическом эффекте. Фотоакустический имиджинг (ФАИ) является одним из востребованных неинвазивных методов визуализации, который активно применяется в различных областях биомедицины, включая визуализацию раковых опухолей. Несмотря на то, что в живом организме имеется большое количество эндогенных контрастирующих агентов, для повышения разрешения изображений необходимо введение экзогенных контрастов. Среди наиболее изученных контрастирующих агентов ФАИ можно выделить три основные группы: молекулярные флюоресцентные красители, плазмонно-резонансные частицы благородных металлов и другие типы наночастиц. Область же применения комплексов переходных металлов в качестве контрастов для ФАИ на сегодняшний день крайне малоизучена, на устранение данного пробела и направлен предлагаемый проект. В рамках исследований 2019–2022 года нами было проведено систематическое исследование фотофизических свойств различных комплексов переходных металлов. Особое внимание было уделено комплексам на основе платины(II) и рения(I), для которых путем варьирования электронных свойств лигандов, а также стимулирования образования связи металл-металл (в случае платины) удалось получить комплексы, демонстрирующие заметное поглощение в видимой области спектра, в том числе в окне прозрачности биологических тканей (в диапазоне 650 – 800 нм). Более того, на примере одного из комплексов рения было продемонстрировано наличие фотоакустического сигнала при использовании возбуждающего излучения с длиной волны 700 нм. Наличие в составе данного комплекса рН чувствительно группы привело к варьированию его оптических свойств (включая поглощение) и, как следствие зависимости интенсивности фотоакустического сигнала от кислотности среды. В продолжении этих исследований планируется синтез серии бис(дииминных) комплексов рения(I), поглощающих в окне прозрачности биологических тканей. Варьирование фотофизических характеристик будет осуществляться путем увеличения сопряженной системы ароматических лигандов и введением акцепторных заместителей (карбоксильной группы). Для увеличения водорастворимости полученных соединений планируется модификация дииминных лигандов путем введения в их состав олигоэтиленгликолевых фрагментов. Также для увеличения контрастности и биосовместимости планируется синтез блок-сополимерных мицелл, загруженных полученными комплексами рения. Для возможности направленной доставки соединений в опухоль в состав лигандов планируется также ввести реакционноспособные амино- или малеимидную функцию для связывания с вектором, в качестве которого планируется опробовать фолиевую кислоту, известную способностью к адресной доставке веществ и частиц к раковым опухолям. Также нами была продемонстрирована возможность синтеза блок-сополимера платины(II) на основе пинцерного NNC-лиганда и фосфина, несущих терминальную двойную связь, который в водном растворе образует мицеллы. В гидрофобном ядре при этом происходит вынужденная агрегация с образованием контактов Pt-Pt, которая приводит к смещению максимумов поглощения и эмиссии в БИК область. Планируется расширить серию комплексов и блок-сополимеров на их основе за счет варьирования циклометаллирующих и фосфиновых лигандов. Системы на основе комплексов платины обладают потенциалом применения в качестве бимодальных меток для отслеживания в режиме ФАИ и люминесцентного имиджинга. Для всех полученных систем планируется исследование фотофизических свойств, а также интенсивности фотоакустического сигнала в зависимости от длины волны возбуждающего излучения, рН раствора, наличия биомакромолекул. Для наиболее перспективных систем планируется анализ цитотоксичности, фототоксичности и возможности in vivo визуализации методом ФАИ.

Ожидаемые результаты
Основной задачей предлагаемого проекта является разработка контрастирующих агентов на основе комплексов рения(I) и платины(II) для фотоакустического имиджинга (ФАИ), преимущественно для визуализации раковых опухолей. В ходе исследования планируется выполнение нескольких этапов, связанных как с синтезом целевых соединений и придания им таргетности по отношению к опухолям, так и с исследованием их свойств (фотофизических, фотоакустических) и оценкой потенциала применения в биологических системах (оценка цитотоксичности, ФАИ in vivo). По результатам трех лет планируется получение следующих результатов: 1. Будут отработаны методики синтеза и наработаны дииминные лиганды на основе протяженных ароматических систем, несущие в своем составе акцепторные карбоксильные группы, которые также будут использованы для придания целевым комплексам липофильности/гидрофильности и векторизации. 2. Будут отработаны методики синтеза и наработаны несколько групп бис(дииминных) комплексов рения(I), демонстрирующих заметное поглощение в окне прозрачности биологических тканей. Для полученных соединений будут проведены исследования оптических свойств в зависимости от pH среда, а также в присутствие биокомпонентов – ростовой среды (DMEM) и фетальной бычьей сыворотки (FBS). 3. Будут опробованы следующие подходы по нацеливанию целевых комплексов рения по отношению к опухолям: - триггерное – за счет изменения оптических и гидрофильных свойств комплексов в зависимости от рН окружения; - пассивное – за счет создания наночастиц (мицелл), загруженных комплексами; - активное – за счет введения в состав лигандов реакционноспособных групп для связывания с таргетными молекулами – фолиевой кислотой. 4. Будут синтезированы комплексы платины(II), несущие в составе терминальную двойную связь, обладающие заметным поглощением в окне прозрачности биологических тканей. Для полученных моноядерных комплексов будут исследованы фотофизические свойства. 5. Будут отработаны методики синтеза и наработаны блок-сополимеры комплексов платины(II) с биосовместимым полимером – поли-N-винилпирролидоном. Для полученных систем будет проведен анализ процесса мицеллообразования, исследованы фотофизические свойства в водных средах, в том числе в присутствие ростовой среды (DMEM) и фетальной бычьей сыворотки (FBS). По данным квантово-химических расчетов будет дана оценка упаковки платиновых фрагментов в мицеллярном ядре с учетом образования связей Pt-Pt. 6. Будет проведено исследование по генерации фотоакустического сигнала для всех систем, включая молекулярные системы и наночастицы, на основе комплексов рения(I) и платины(II). Для соединений, демонстрирующих отклик оптических свойств от рН среды, будут получены результаты дополнительных исследований по интенсивности фотоакустического сигнала в серии буферных систем с различными значениями рН. На основании данных исследований будут подобраны оптимальные условия возбуждения и регистрации сигнала для всех систем и отобраны наиболее перспективные кандидаты. 7. Для наиболее перспективных систем будут получены данные по in vitro цитотоксичности с использование клеточной культуры. Для люминесцирующих материалов будут проведены дополнительные эксперименты по оценке процессов их интернализации и локализации в клеточных культурах методами люминесцентной микроскопии. 8. На основании анализа данных по интенсивности фотоакустического сигнала и цитотоксичности будут подобраны концентрации для проведения in vivo экспериментов на мышах с привитыми опухолями. Ожидается, что в результате данных экспериментов можно будет сделать выводы о принципиальной возможно визуализации полученных системы in vivo методом ФАИ, а также возможности преимущественного накопления метки за счет разных способов нацеливания: триггерного (для рН-зависимых комплексов за счет преимущественного накопления в закисленной области опухоли), пассивного (за счет EPR – эффекта для наночастиц), активного (для комплексов с конъюгированным вектором - фолиевой кислотой). Также будут проведены дополнительные эксперименты по in vivo оптической визуализации систем с достаточной интенсивностью люминесценции, на основании которых будут сделаны выводы о возможности их одновременного отслеживания с помощью фотоакустического и люминесцентного/PLIM имиджинга. Предполагаемые результаты, по нашему мнению, полностью соответствуют мировому уровню и способны существенно продвинуть исследования, связанные с применением комплексов переходных металлов в биомедицинских исследованиях, в частности в фотоакустическом имиджинге. Результаты исследований планируется опубликовать в виде статей в ведущих международных профильных и междисциплинарных научных журналах, а также представить в виде научных докладов на международных и всероссийских конференциях.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения работ по проекту в 2023 году было синтезировано и охарактеризовано 4 новых дииминных лиганда, 6 комплексов Pt(II), 5 комплексов Re(I). Состав и строение всех полученных соединений были установлены набором физико-химических методов анализа, включая рентгеноструктурный анализ, масс-спектрометрию высокого разрешения и ЯМР спектроскопию. Для всех полученных комплексов проведено исследование фотофизических свойств, включающее измерение спектров поглощения, возбуждения и люминесценции. Для большинства определены также такие параметры, как квантовые выходы эмиссии и времена жизни возбужденного состояния. Для водорастворимых комплексов рения типа [(NN)Re(CO)2(NN1/4-OК)]+ измерены спектры поглощения при варьировании рН. Гидрофобные комплексы рения использовались в качестве меток в синтезе мицелл на основе блок-сополимера PCL-b-PEG. Установлено, что в ходе очистки метки частично вымываются, что приводит к снижению загрузки, однако спектры поглощения водных растворов мицелл, в целом, воспроизводят спектры поглощения исходных комплексов. Для двух рН-чувствительных комплексов рения проведены предварительные тесты по фотоакустическому имиджингу на модельных средах. Оба соединения генерируют акустический сигнал при облучении лазером с длиной волны 700 нм. Комплекс Re(NN4-OK) проявляет наибольшую контрастность, в то время как соединение а-Re(NN1-OK) проявляет большую чувствительность к рН. Синтезированы комплексы платины типа [(NNC-R’)Pt(PR3)]+ (NNC-R’ = NNC-OMe, NNC-T, NNC-BT; PR3 = PV, PA), несущие в составе терминальную двойную связь, способную вступать в реакции полимеризации. На примере комплекса (NNC-OMe)Pt(PV) отработана методика синтеза блок-сополимера комплекса с гидрофильным полимером - поливинилпирролидоном (pVP). В результате получен и охарактеризован блок-сополимер (NNC-OMe)Pt(PV)-pVP, для которого проведено полномасштабное исследование фотофизических свойств Установлено, что оптические свойства (NNC-OMe)Pt(PV)-pVP сильно зависят от среды, что обусловлено способностью данного сополимера в водных растворах агрегировать с образованием мицелл, размеры которых зависят от ионной силы раствора. Ранее синтезированные комплексы платины(II) с изонитрильным лигандом были опробованы в качестве меток для загрузки мицелл на основе блок-сополимера PCL-b-PEG. Установлено, что при загрузке комплексов в ядре мицелл происходит его агрегация, что приводит к изменению фотофизических свойств. Для одного из соединений продемонстрирована возможность получения мицелл с поглощением в области 600-800 нм, что открывает перспективы их практического применения в фотоакустическом имиджинге. На примере ранее синтезированных фосфиновых биядерных комплексов платины(II) продемонстрирована способность к депротонированию мостиковой СН2 группы в присутствие оснований (триэтиламин, гидрид натрия и др.). Данный процесс сопровождается заметным изменением оптических свойств: появлением длинноволновой полосы поглощения, тушением люминесценции. На основании данных ЯМР спектроскопии построена кинетическая модель взаимодействия комплекса 2-Pt-dppm с триэтиламином. Результаты исследований представлены в виде устного и стендовых докладов на конференциях, опубликована одна статья в рецензируемом международном журнале: Inorganic Chemistry (IF = 4.6, Q1). Еще одна статья готовится к подаче.

 

Публикации

1. К.С. Кисель, Ю.Р. Шакирова, В.В. Павловский, Р.А. Эварестов, В.В. Гуржий, С.П. Туник Unusual Effects of the Metal Center Coordination Mode on the Photophysical Behavior of the Rhenium(I) and Rhenium(I)–Iridium(III) Complexes Inorganic Chemistry, 62, 45, 18625 - 18640 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.3c02915

2. Е.В. Дурова, Ю.Р. Шакирова Pt(II) complexes with NNC pincer ligands capable of aggregation-induced emission (AIE). Study of the effect of substituents on their photophysical properties Сборник тезисов 4-й Международного симпозиума «Современные тенденции в химии металлорганических соединений и катализе», посвященного 100-летию со дня рождения академика М. Е. Вольпина, ИНЭОС РАН, г. Москва, 23 – 27 мая 2023 года, стр. 103 (год публикации - 2023)

3. Р.А. Шилов, Ю.Р. Шакирова Platinum(II) Block Copolymer Based on Polyvinylpyrrolidone Сборник тезисов 4-й Международного симпозиума «Современные тенденции в химии металлорганических соединений и катализе», посвященного 100-летию со дня рождения академика М. Е. Вольпина, ИНЭОС РАН, г. Москва, 23 – 27 мая 2023 года, стр.133 (год публикации - 2023)

4. Ю.Р. Шакирова, В.А. Байгильдин, А.И. Соломатина, Р.А. Шилов, Е.В. Дурова, Е.Е. Галенко, С.П. Туник Aggregation induced emission in Pt(II) complexes: from molecular systems to nanoaggregates and metallopolymers Сборник тезисов 4-й Международного симпозиума «Современные тенденции в химии металлорганических соединений и катализе», посвященного 100-летию со дня рождения академика М. Е. Вольпина, ИНЭОС РАН, г. Москва, 23 – 27 мая 2023 года, Стр. 41 (год публикации - 2023)