Новые вещества позволяют наблюдать за ионами кальция в живых клетках

Сотрудники кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов РХТУ имени Д. И. Менделеева, АО НЦ «Малотоннажная химия», Института биологии гена РАН и Института общей физики РАН вместе с немецкими коллегами из Технического университета Кемница и Университета Эрлангена-Нюрнберга синтезировали соединения, способные контрастно подсвечивать ионы кальция в растворах, биологических тканях и даже внутри клеток, сообщает отдел научной коммуникации РХТУ.

Молекулы этих веществ сочетают две функциональные группы — бисфосфонатная служит рецептором для катионов кальция, а нафталимидная интенсивно флуоресцирует после воздействия лазерным излучением. За счет этого они связываются с катионами кальция и могут их контрастно подсвечивать. Соединения перспективны для терапии костных заболеваний, а также неинвазивной диагностики различных новообразований, связанных с избыточной кальцификацией мягких тканей. Возможности новых молекул подтверждены серией экспериментов, в том числе и на клеточных культурах. Результаты работы опубликованы в июльском номере журнала Sensors and Actuators B.

Бисфосфонатные группы в силу своей геометрии очень хорошо связываются с ионами кальция и поэтому обладают большими перспективами для неинвазивной диагностики в медицине и биологии. Например, повышенная концентрация кальция в тканях молочных желез, почек или сосудов может говорить о ранних стадиях различных патологий, в том числе злокачественных опухолей. В новой работе российские и немецкие химики совместили бисфосфонатные группы с флуоресцирующими метками на основе нафталимидов и таким образом получили молекулы для поиска кальция.

«До нас на данной оптической платформе никто флуоресцентные бисфосфонаты не создавал, — рассказывает один из авторов работы, доцент РХТУ и сотрудник АО Научного центра «Малотоннажная химия» Максим Ощепков. — Мы совместили в одной молекуле хорошо известную алендроновую кислоту, применяемую для подавления разрушения костной ткани, и получили молекулу, которая идет туда, где наблюдаются проблемы с костной или мягкими тканями, селективно связывается именно с кальцием, а потом может быть детектирована по флуоресценции метки, возбужденной лазерным излучением. Получается такой рецептор, который соединяется с кальцием и подсвечивает его».

Синтез биофосфатных соединений обычно очень сложный и дорогостоящий. Он включает в себя до десяти различных стадий, и суммарный выход продукта получается настолько низким, что его вряд ли можно использовать на практике. Российские и немецкие химики предложили блочный метод синтеза, который оказался гораздо более простым и включал в себя максимум четыре стадии. С помощью него было получено три различных соединения, отличающихся длиной спейсера, разделяющего флуоресцирующую нафталимидную группу от рецепторной бисфосфонатной группы. Для всех соединений провели серию экспериментов: исследователи изучали, насколько стабильной будет флуоресценция в широком диапазоне pH и условиях, приближенных к физиологическим, а также оценивали интенсивность связывания новых молекул с ионами кальция.

В дальнейших экспериментах ученые ввели синтезированные вещества в культуру фибробластов человека и обнаружили, что бисфосфонаты проникают через мембрану внутрь клеток, не повреждая их, и там связываются с ионами кальция, позволяя их потом визуализировать по флуоресценции. При этом внутрь клеточных ядер бисфосфонаты не проникают, что делает их малотоксичными. В другом эксперименте, кроме фибробластов, в смесь еще добавляли гидроксиапатит — основную минеральную составляющую костной ткани. Здесь бисфосфонаты уже преимущественно не проникали внутрь клеток, а соединялись с более доступным кальцием на поверхности гидроксиапатита, и так была показана модельная возможность контрастирования костной ткани на фоне мягких тканей.

Новые соединения перспективны для отслеживания кальциевых процессов. Если ввести их перорально или с помощью инъекции, а потом облучить лазерным излучением, то возбужденная в нафталимидных группах флуоресценция контрастно подсветит кальциевые отложения в костных или мягких тканях различных полых органов. Более того, такой подход можно использовать даже при проведении операций: маска со светофильтрами позволяет хирургу видеть кальцинированные участки открытых тканей уже в непрерывном режиме. В ближайшее время исследователи планируют химически модифицировать новые вещества таким образом, чтобы они флуоресцировали не в видимом диапазоне, как сейчас, а в области ИК-излучения, которое гораздо лучше проникает через биологические ткани, что значительно повысит возможности диагностики.