Технологии биовизуализации, такие как флуоресцентная визуализация (ФВ) и магнитно-резонансная томография (МРТ), являются эффективными методами, используемыми как в фундаментальных исследованиях, так и в клинической медицине. Однако у них есть свои недостатки. Флуоресцентная визуализация позволяет увидеть клетки и другие биологические процессы с высоким разрешением, но ей не хватает глубины проникновения. МРТ, в свою очередь, позволяет получать изображения глубоко внутри тела, но ей не хватает разрешения на уровне отдельных клеток, которое обеспечивает ФВ. Кроме того, контрастные вещества для МРТ содержат парамагнитные металлы, такие как гадолиний, которые могут вызывать побочные эффекты.
Исследовательская группа под руководством Университета Кюсю опубликовала в журнале Advanced Science статью о разработке водорастворимой молекулы без содержания металлов, которую можно обнаружить с помощью флуоресцентной визуализации и использовать в качестве контрастного вещества для МРТ. Полученные результаты открывают возможности для создания более безопасных, многофункциональных и менее токсичных контрастных веществ, которые можно будет применять не только в МРТ, но и в других методах биовизуализации.
«Мы разработали молекулу, которая обладает свойствами как флуоресцентной, так и магнитно-резонансной визуализации. Однако ее создание — непростая задача, поскольку функциональные механизмы этих двух технологий различаются, — объясняет доцент Кен Альбрехт из Института химии и инженерии материалов Университета Кюсю, руководитель исследования. — В флуоресцентной микроскопии молекула поглощает и переизлучает свет определенной длины волны, который мы затем регистрируем. МРТ работает за счет регистрации молекулярного спина атомов водорода в молекулах воды в организме. Контрастный материал помогает повысить четкость получаемого изображения».
Команда сосредоточилась на перспективной серии молекул, называемых люминесцентными органическими радикалами, которые, как было доказано, обладают флуоресценцией и молекулярным спином. Однако предыдущие исследования показали, что эти молекулы гидрофобны, что ограничивало их применение в биологических системах.
«Мы работали с молекулой под названием трис(2,4,6-трихлорфенил)метил (ТТМ) — люминесцентным органическим радикалом, который обладает флуоресценцией и может использоваться в качестве контрастного вещества для МРТ, — продолжает Альбрехт. — Молекулы первого поколения, которые мы создали, хорошо проявляли себя в МРТ, но обладали крайне слабой флуоресценцией. Мы продолжили оптимизировать молекулу, чтобы сделать ее водорастворимой и повысить флуоресцентную активность».
Команда разработала две молекулы: TTM-tisTP3B и TTM-trisTP9B. Обе они связаны с водорастворимыми группами в трех направлениях и обладают темно-красной флуоресценцией в воде. TTM-trisTP3B протестировали на живых клетках и подтвердили, что она излучает флуоресценцию вокруг ядра клетки и продолжает флуоресцировать в течение как минимум 24 часов. Обе молекулы повысили контрастность фантомных изображений МРТ примерно в 2,5–4,5 раза по сравнению с ранее описанными водорастворимыми радикалами TTM.
Хотя потенциал новых молекул еще предстоит изучить, полученные результаты представляют собой новую стратегию, объединяющую флуоресценцию с МРТ, и могут улучшить будущее биовизуализации как в фундаментальных исследованиях, так и в медицинской диагностике.
«Нам предстоит провести исследования на животных, чтобы дополнительно изучить жизнеспособность этих молекул, но полученные результаты уже являются важным доказательством концепции двухмодальной флуоресцентной/МРТ-визуализации без использования металлов, — заключает Альбрехт. — Люминесцентные органические радикалы привлекают внимание специалистов в области квантовой информатики и современных электронных материалов. Эти результаты также могут послужить основой для будущих технологий квантового зондирования».
[Фото: Kyushu University/Ken Albrecht]
