- Информация о материале
Сотрудники Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН синтезировали новые люминесцентные соединения для биовизуализации, нетоксичные для клеток. Они созданы на основе комплексов редкоземельных металлов с лигандами — новыми производными β-енаминдиона.
"Наука в Сибири" 9 марта 2023 (стр. 7)
«Эта работа продолжается в рамках гранта Российского научного фонда. Стоит задача в том числе получить новые люминесцентные материалы для биовизуализации. Чтобы создать материалы с заданными характеристиками, мы исследуем не только люминесцентные свойства, но и состав, структуру разрабатываемых соединений», — рассказывает старший научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Елизавета Викторовна Лидер.
Существующие сегодня люминесцентные красители для биовизуализации — это преимущественно органические вещества, у которых есть серьезные недостатки. Во-первых, многие из них токсичны: если добавить их в питательную среду, клетка сразу погибает, и становится невозможно исследовать ее в живом виде. Во-вторых, некоторые органические соединения плохо переносят свет — они разрушаются и не позволяют увидеть необходимые клеточные структуры. Поэтому ученые ищут агенты для биовизуализации среди комплексов лантанидов с органическими или неорганическими лигандами.
Лантаниды — семейство из 14 химических элементов с порядковыми номерами 58—71, расположенных в VI периоде системы Менделеева за лантаном и сходных с ним по свойствам. Лиганды — молекулы, присоединенные к иону металла.
Перспективные лиганды являются своего рода антеннами: поглощают энергию при облучении светом и передают ее центральному иону металла. Однако это свойство проявляется только в координационных соединениях, то есть при наличии двух центров — металлического и органического. В качестве первого выступают лантаниды. Разумеется, не все они подходят под выбранные цели — среди них есть металлы, которые не обладают выраженными люминесцентными свойствами.
Ученые ИНХ СО РАН разработали две новые серии соединений лантанидов с лигандами — новыми производными β-енаминдиона (по пять комплексов в каждой). β-енаминдион — большой класс соединений, который включает фрагмент, содержащий две C=O-группы. Они отличаются наличием метоксигруппы, которая находится в разных положениях.
«Метоксигруппа — это группировка, которая никак не координируется с металлом, но оказывает влияние на свойства “антенны”. Они могут либо улучшаться, усиливаться, либо, наоборот, ухудшаться. Без экспериментальной проверки сказать это однозначно нельзя. Конечно, существуют различные квантово-химические методы расчетов, но они не всегда совпадают с экспериментальными данными. В нашей работе мы тоже прибегаем к расчетной химии, но потенциально перспективные соединения получаем на практике и смотрим, как наличие и положение различных функциональных групп влияет на люминесцентные свойства комплексов лантанидов. То есть какая из этих “антенн” будет работать лучше», — отмечает Елизавета Лидер.
Исследователи изучают не только свойства полученных соединений, но и их строение. Лантаниды — это металлы, которые имеют большое количество координационных возможностей. Так, ученым удалось создать полимеры, слоистые и каркасные структуры, в которых есть дополнительные полости. В перспективе эти полости можно будет заполнять молекулами-гостями и разрабатывать на их основе новые биологические применения полученных соединений.
«Для разных катионов металлов мы получаем разные люминесцентные свойства. В основном мы синтезируем комплексы европия, самария и тербия, так как именно эти соединения излучают в видимой человеческим глазом области света. При облучении ультрафиолетом первые светят красным цветом, вторые — оранжевым, третьи — зеленым. В одной серии соединений лучше всего себя проявил комплекс европия, в другой — европия и самария», — рассказывает младший научный сотрудник ИНХ СО РАН Ксения Сергеевна Смирнова. Данный тип люминесценции — это фосфоресценция, которая подразумевает длительные времена излучения, миллисекунды (с химической точки зрения это много).
«Кроме того, мы показали, что полученные соединения не являются цитотоксичными и не разрушают клетки при добавлении их к клеточным линиям в питательной среде. В дальнейшем нужно смотреть, насколько и каким образом они способны проникать сквозь мембрану клетки (это необходимо, чтобы изучать ее структуру)», — комментирует Елизавета Лидер.
В перспективе полученные комплексы можно будет использовать как в лабораторных анализах, так и в исследованиях на животных — после того, как будет изучена токсичность на живом организме.
Сейчас ученые ищут аналоги этих соединений, меняя функциональные группы лигандов, и более детально исследуют объекты, показавшие высокую перспективность. «У нас действительно есть еще очень много органических лигандов, способность к координации которых нужно проверять. Не все комплексы получаются в одних и тех же условиях, и всегда стоит сверхзадача — найти наилучшие условия для синтеза. Это достаточно трудоемкий процесс», — говорит Ксения Смирнова.
Основная часть работ проводится в Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, часть физико-химических исследований — в Новосибирском государственном университете. Синтез органических соединений β-енаминдиона проходит в Кубанском государственном университете.
Исследование выполняется при финансировании Российского научного фонда: грант № 20-73-10207, руководитель Е. В. Лидер, «Поиск перспективных люминофоров и агентов для противоопухолевой терапии в ряду смешаннолигандных комплексов редкоземельных и эндогенных металлов на основе полипиридиновых, фосфиновых лигандов и производных тетразола» (конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными).
Диана Хомякова
- Информация о материале
Материал о разработках сотрудников Института опубликован в газете "Поиск" № 3 от 20 января 2023 года: "Спасительный хаос. Как снизить токсичность противораковых препаратов" - интервью зав. лаб. биоактивных неорганических соединений д.х.н. М.А. Шестопалова.
"Хаотропные вещества «предпочитают хаос» и стремятся его создать. В нашем случае речь идет о «хаосе», который эти агенты вносят в структуру белка или других молекул." 
На медицинском рынке сегодня есть большое количество средств для лечения онкологических заболеваний. Но далеко не все они безвредны. Заведующий лабораторией биоактивных неорганических соединений, главный научный сотрудник, доктор химических наук Михаил ШЕСТОПАЛОВ из Института неорганической химии им. А.В.Николаева Сибирского отделения РАН вместе с коллегами старается сделать препараты для онкологии безопаснее. Тема его исследований «Хаотропный эффект металлокластерных наноионов для дизайна супрамолекулярных систем для применения в биологии и медицине» поддержана грантом Президента России.
- Михаил, введите в курс дела: что это за эффект, которым вы занимаетесь?
- Начну с истории. В 1888 году чешский ученый Франц Хофмейстер исследовал влияние различных солей на растворимость белков. Он обнаружил, что некоторые ионы, то есть положительно или отрицательно заряженные частицы, образующиеся при растворении солей в воде, повышают растворимость белков, а некоторые, наоборот, понижают. В качестве соли может служить даже обычная поваренная, хлорид натрия, она диссоциирует, то есть распадается, в воде на положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора. Хофмейстер расположил ионы в ряд (позже названный серией Хофмейстера) по увеличению их растворяющей способности. Ионы, повышающие растворимость белков, назвали хаотропными, а те, которые понижают, - космотропными. Например, одновалентный положительный ион натрия в этом ряду стоит раньше двухвалентного положительного иона кальция. Получается, ионы кальция более хаотропные, чем натрия. Термин «хаотропный» произошел от двух греческих слов: «хаос» - беспорядок, «тропность» - сродство, привязанность. Таким образом, хаотропные вещества или агенты «предпочитают хаос» и стремятся его создать. В нашем случае речь идет о «хаосе», который эти агенты вносят в структуру белка или других молекул. Как они действуют? Разрушают слабые межмолекулярные взаимодействия, например, водородные связи, и делают более хаотичной структуру крупных молекул, тем самым повышая их растворимость. Термин «космотропный» противоположен понятию «хаотропный» и означает «предпочитающий порядок» («космос» по-древнегречески - «порядок»). Однако кроме обычных ионов существует более сложный класс соединений, содержащих большее число ионов, в том числе металла. Это так называемые наноионы. К ним относятся металлокластеры. Так вот оказалось, что металлокластерные нано ионы обладают более выраженным хаотропным эффектом, нежели простые ионы, то есть способны сильнее разрушать структуру белковых и других молекул. Такой эффект можно назвать суперхаотропным. В наших исследованиях мы детально изучаем зависимость хаотропного эффекта от состава кластеров.
- Это и есть супрамолекулярные системы, которые обозначены в теме вашей работы?
- Да. Это объект исследований нашей молодежной группы под руководством старшего научного сотрудника, кандидата химических наук Антона Андреевича Иванова. Кстати, «супра» с латинского означает «над». Химия таких надмолекулярных систем изучает взаимодействие различных молекул друг с другом без образования прямой химической связи. Это чем-то напоминает конструктор Lego, когда кирпичики (молекулы) связываются друг с другом и держатся вместе не за счет клея, а за счет особенностей своей структуры. Яркий пример в природе - молекула ДНК, состоящая из двух цепочек, связанных между собой водородными связями, то есть ДНК можно назвать в каком-то смысле супрамолекулярной системой. Такие системы имеют важнейшее значение в биологии, медицине, химической промышленности. Например, супрамолекулярные подходы позволяют получить лекарства пролонгированного действия (например, «Брексин», он же «Пироксикам», витамины «МицелВит»), улучшить усвояемость, растворимость, адресность активных соединений. Многие сенсорные системы-тесты, или биочипы, используемые при различных заболеваниях, таких как рак, коронавирусные инфекции, СПИД, основаны на супрамолекулярных системах.
- Как происходит разработка дизайна супрамолекулярных систем?
- Создание таких систем - интересная и нетривиальная задача. Внешне это выглядит как смешивание двух или более растворов. Часто кажется, что ничего при этом не происходит. Но на самом деле полученные растворы имеют более выраженные и иногда неожиданные свойства. Простой пример из быта - хорошо известная многим женщинам мицеллярная вода. Это супрамолекулярная система, состоящая из воды и специального мыла - поверхностно-активного вещества (ПАВ). Такой раствор образует супрамолекулярную структуру - мицеллы. Происходит это в конкретных условиях: при определенной концентрации, то есть соотношении ПАВ - вода, а также при наличии или отсутствии каких-то других веществ, мешающих или помогающих образованию мицелл. Как только мы добавляем к мицеллам что-то, они могут разрушиться. Поэтому условия, например, концентрации для каждой индивидуальной системы, необходимо подбирать отдельно. Это и называется «дизайн эксперимента». Его основной принцип основан на сочетаемости элементов на молекулярном уровне. Это так же, как, например, при выборе одежды для создания образа. Есть вещи, которые сочетаются, например, по цвету, и их можно надевать вместе. Классическая комбинация - белый верх - черный низ. Так же и в супрамолекулярной химии. Некоторые соединения сочетаются и позволяют создавать супрамолекулярные системы, а некоторые - нет. Хаотропный эффект, о котором я рассказал, играет одну из ключевых ролей в направленном дизайне таких систем. Коллектив нашей лаборатории разработал несколько десятков различных систем.
- Каким образом результаты вашей работы можно применить в медицине?
- Основная идея наших исследований - снижение общего негативного действия на живой организм агентов, обладающих противораковой активностью. Мы пытаемся получить системы, сохраняющие противораковые свойства, но при этом не наносящие вреда здоровым тканям человека. Это очень сложная и трудоемкая задача, с работой сразу в нескольких областях науки - химии, биологии, медицине. Поэтому исследования проводим совместно со специалистами в этих направлениях, с использованием современного оборудования как нашей лаборатории, так и коллег из учреждений здравоохранения. К работам привлекаем и состоявшихся ученых, и молодые кадры - студентов и аспирантов Новосибирского государственного университета. Молодежь можно назвать «руками» проекта, в то время как старшие коллеги в основном играют роль «мозгового центра». Такого рода исследования практически невозможно выполнить собственными силами. Мы стараемся взаимодействовать с организациями как в России, так и за рубежом. Хотелось бы отметить, что, несмотря на сложную ситуацию на геополитической арене, многие иностранные ученые, в том числе из Евросоюза, продолжают сотрудничать с нами по мере их возможностей.
- Какие результаты уже есть в активе?
- Нам удалось достичь снижения общей токсичности некоторых перспективных, на наш взгляд, противораковых препаратов. Однако разработки все еще ведутся, и говорить о готовом лекарственном средстве очень рано. Тем не менее вдохновляющие результаты есть. Об удачном ходе экспериментов в целом можно судить по научным статьям нашей лаборатории. Например, это работа, выполненная в рамках нынешнего проекта и опубликованная в высокорейтинговом журнале Inorganic Chemistry ACS («Неорганическая химия», Американское химическое сообщество).
- Насколько трудно сейчас опубликоваться в престижных зарубежных журналах?
- Подавляющее большинство наших работ нашло отражение в престижных международных изданиях. Безусловно, может показаться, что опубликовать работы в зарубежных журналах, особенно в свете текущих событий, практически невозможно. Да, такая проблема периодически возникает, но большинство научных изданий придерживается принципа «наука вне политики».
Фирюза ЯНЧИЛИНА
"Поиск" - еженедельная газета научного сообщества
- Информация о материале
Материалы о разработках сотрудников Института представлены в онлайн журнале о науке и энергетике ЭНЕРГИЯ +. Ссылка на статью
В Институте неорганической химии Сибирского отделения РАН (ИНХ СО РАН) предложили использовать в качестве анода в натрий-ионных аккумуляторах углеродные бромированные нанохорны — полые структуры из листов графена конической формы. Добавление брома к нанохорнам на 20% увеличивает емкость хранения натрия, который переносит заряд энергии.
Натрий-ионные аккумуляторы считаются перспективной заменой современных литий-ионных батарей. Они дешевле, обладают высокой скоростью зарядки, сохраняют почти в два раза больше емкости при низкой температуре и более безопасны. Принцип их устройства аналогичен литиевым. В процессе заряда натрий выходит из катодного материала и внедряется в материал анода. При разряде ионы натрия покидают анод, генерируя электроны, то есть ток для питания внешнего устройства. От свойств материалов катода и анода зависят ключевые параметры всей батареи.
Нанохорны, предложенные сибирскими учеными как материал для анода, за счет большой удельной площади и дефектов при изгибах графеновой сетки хорошо поглощают натрий. Электроотрицательный бром, пары которого взаимодействуют с изогнутыми графеновыми стенками, повышает их способность поглощать натрий, и соответственно, емкость аккумулятора.
«Мы выяснили, что бромированные углеродные нанохорны способны хранить на 20% больше натрия, чем исходные. Предложенный нами подход может быть применен и для других углеродных наноматериалов для их использования в конденсаторах и батарейках, а также для поглощения ионов металлов», — объясняет сотрудник ИНХ СО РАН, кандидат химических наук Светлана Столярова.
- Информация о материале
Материалы о разработках сотрудников Института представлены в видеосюжете ГТРК Вести Новосибирск. "Определить астму или надвигающийся кашель по одному выдоху: новосибирские химики работают над созданием диагностических сенсоров для болезней легких."
ГТРК Вести Новосибирск, 07.07.2022
Российский научный фонд поддержал исследование грантом. Мы не будем первыми в мире, но стать первыми в России есть все шансы, говорят новосибирские химики. Они работают над созданием нового типа сенсоров, способных по выдоху определить болезни легких. Западный аналог стоит не меньше пяти тысяч долларов. На порядок доступнее ученые планируют сделать отечественную разработку.
"Известно, что возможно детектировать заболевания по анализу выдыхаемого воздуха и его конденсата и определять в нем наличие специфических биомаркеров. В нашем случае речь идет об оксидах азота как биомаркерах бронхолегочных заболеваний ─ астмы и хронического кашля", ─ сообщила научный сотрудник Института неорганической химии СО РАН Светлана Доровских.
Оксид азота сигнализирует о воспалительном процессе в организме. Суперсвойство сенсора ─ улавливать его мельчайшие частицы, а значит, выявить болезнь на ранней стадии, что позволит предотвратить ее хроническое течение и дорогостоящую терапию. По задумке ученых, сенсоры должны определять искомые частицы как в выдыхаемом воздухе, так и в слюне.
По словам научного сотрудника Института неорганической химии СО РАН Дарьи Клямер, необходимо сочетание газовых и электрохимических сенсоров, чтобы определить точное содержание оксида в организме.
Какие соединения более эффективны? Можно ли заменить золото другим, более доступным драгметаллом? Исследователи экспериментируют с компонентами. На данном этапе ученые ведут поиск оптимального состава материала для чувствительного сенсора. Но уже можно пофантазировать, каким будет прототип действующего устройства. Предположительно, это будет небольшой прибор, в который нужно подышать, и он выдаст результат за несколько минут.
Цель ученых ─ создать диагностические сенсоры, максимально доступные и локализованные в России. Чтобы сделать шаг к выходу на рынок, необходим интерес со стороны инвесторов или бизнес-партнеров.
© ИНХ СО РАН 1998 – 2023 г.