Химики создали стабильные красные флуоресцентные красители для биомедицинской визуализации

Химики MIT создали флуоресцентную молекулу, содержащую бор, которая стабильна на воздухе и может излучать свет в красном и ближнем инфракрасном диапазоне. Краситель можно превратить в кристаллы (показаны на изображениях), плёнки или порошки. Верхние изображения сделаны при окружающем свете, нижние — в УФ-свете. Автор: Массачусетский технологический институт

Химики из Массачусетского технологического института разработали новый тип флуоресцентных молекул, которые могут использоваться для получения более чётких изображений опухолей.

Новый краситель основан на борениевом ионе — положительно заряженной форме бора, способной излучать свет в красном и ближнем инфракрасном диапазоне. До недавнего времени эти ионы были слишком нестабильны для использования в визуализации или других биомедицинских приложениях.

В исследовании, опубликованном в Nature Chemistry, учёные показали, что могут стабилизировать борениевые ионы, присоединяя их к лиганду. Этот подход позволил создать содержащие борений плёнки, порошки и кристаллы, которые излучают и поглощают свет в красном и ближнем инфракрасном диапазоне.

Это важно, поскольку ближний ИК-свет легче обнаружить при визуализации структур глубоко в тканях, что может обеспечить более чёткие изображения опухолей и других структур в организме.

«Одна из причин, по которой мы фокусируемся на красном и ближнем ИК-диапазоне, заключается в том, что такие красители проникают в тело и ткани гораздо лучше, чем свет в УФ- и видимом диапазоне. Стабильность и яркость этих красных красителей — это проблемы, которые мы попытались преодолеть в данном исследовании», — говорит Роберт Джиллиард, профессор химии MIT и старший автор исследования.

Стабилизированный борений

Большинство методов флуоресцентной визуализации полагаются на красители, излучающие синий или зелёный свет. Эти агенты хорошо работают в клетках, но менее полезны в тканях, поскольку низкие уровни синей и зелёной флуоресценции, производимой организмом, мешают сигналу. Синий и зелёный свет также рассеивается в тканях, ограничивая глубину проникновения.

Агенты визуализации, излучающие красную флуоресценцию, могут производить более чёткие изображения, но большинство красных красителей нестабильны и не дают яркого сигнала из-за низких квантовых выходов. Для многих красных красителей квантовый выход составляет всего около 1%.

Среди молекул, способных излучать ближний инфракрасный свет, находятся борениевые катионы — положительно заряженные ионы, содержащие атом бора, присоединённый к трём другим атомам.

Когда эти молекулы были впервые обнаружены в середине 1980-х годов, их считали «лабораторными диковинками», говорит Джиллиард. Они были настолько нестабильны, что с ними приходилось работать в герметичном контейнере — перчаточном боксе, чтобы защитить от контакта с воздухом, который приводит к их разрушению.

Позже химики поняли, что могут стабилизировать эти ионы, присоединяя их к молекулам, называемым лигандами. Работая с более стабильными ионами, лаборатория Джиллиарда обнаружила в 2019 году, что они обладают необычными свойствами: они могут реагировать на изменения температуры, излучая свет разного цвета.

Однако на тот момент «существовала существенная проблема в том, что они всё ещё были слишком реакционноспособными, чтобы с ними можно было работать на открытом воздухе», — говорит Джиллиард.

Его лаборатория начала работать над новыми способами дальнейшей стабилизации с использованием лигандов, известных как карбодикарбены. Благодаря этой стабилизации соединения теперь можно изучать и обрабатывать без использования перчаточного бокса. Они также устойчивы к разрушению светом, в отличие от многих предыдущих соединений на основе борения.

Потенциальные применения

Исследователи также показали, что могут преобразовывать свои соединения, содержащие борений, в различные состояния, включая твёрдые кристаллы, плёнки, порошки и коллоидные суспензии.

Для биомедицинской визуализации Джиллиард предполагает, что эти материалы можно инкапсулировать в полимеры, что позволит вводить их в организм в качестве красителя для визуализации. В качестве первого шага его лаборатория планирует сотрудничать с исследователями из химического факультета MIT и Broad Institute для изучения потенциала визуализации этих материалов в клетках.

Благодаря своей температурной чувствительности эти материалы также могут использоваться в качестве температурных датчиков, например, для мониторинга воздействия на лекарства или вакцины слишком высоких или низких температур во время транспортировки.

«Для любого типа приложений, где важен температурный мониторинг, такие «молекулярные термометры» могут быть очень полезны», — говорит Джиллиард.

Если внедрить в тонкие плёнки, эти молекулы также могут быть полезны в качестве органических светодиодов, особенно в новых типах материалов, таких как гибкие экраны, отмечает Джиллиард.

«Очень высокие квантовые выходы, достигнутые в ближнем ИК-диапазоне в сочетании с отличной экологической стабильностью, делают этот класс соединений чрезвычайно интересным для биологических применений», — говорит Фридер Якле, профессор химии Университета Рутгерса, не участвовавший в исследовании.

«Помимо очевидной полезности в биовизуализации, сильное и настраиваемое излучение в ближнем ИК-диапазоне также делает эти новые флуорофоры очень привлекательными в качестве умных материалов для защиты от подделок, датчиков, переключателей и передовых оптоэлектронных устройств».

В дополнение к изучению возможных применений этих красителей исследователи работают над расширением их цветового излучения дальше в ближний инфракрасный диапазон, чего они надеются достичь путём включения дополнительных атомов бора.

Больше информации: Chun-Lin Deng et al, Unlocking red-to-near-infrared luminescence via ion-pair assembly in carbodicarbene borenium ions, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01941-6