БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 3, с. 389 - 398
УДК 57.03
ГИБРИДНЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗ ПОЛИКАТИОННЫХ ФТАЛОЦИАНИНОВ АЛЮМИНИЯ И КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
© 2015 Е.Г. Максимов1*, Д.А. Гвоздев1, М.Г. Страховская1,2, В.З. Пащенко1
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва; электронная почта: emaksimoff@yandex.ru 2 Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий ФМБА России, 115682 Москва, Ореховый бульвар, 28
Поступила в редакцию 31.07.14 После доработки 01.12.14
Полупроводниковые нанокристаллы (Сё8е//п8-квантовые точки) использованы в качестве неорганической фокусирующей антенны, позволяющей усиливать флуоресценцию и фотосенсибилизирующую активность поликатионных фталоцианинов алюминия (ФЦ). Установлено, что благодаря электростатическим взаимодействиям квантовые точки Сё8е//п8 образуют стабильные комплексы с ФЦ в водных растворах. В гибридных комплексах обнаружен высокоэффективный безызлучательный перенос энергии от квантовых точек к ФЦ, который приводит к резкому увеличению эффективного сечения поглощения ФЦ в области абсорбционных полос Сё8е//п8. При возбуждении комплексов в области этих полос интенсивность флуоресценции ФЦ и скорость фотосенсибилизированной ФЦ генерации синглетного кислорода многократно увеличивается (до 500 и 350% соответственно) по сравнению со свободным ФЦ той же концентрации. Обнаруженный эффект представляет интерес для моделирования первичных фотофизических стадий фотосинтеза и усиления фотосенсибилизирующей активности пигментов при фотодинамической терапии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: квантовые точки, фталоцианины алюминия, гибридные системы, миграция энергии, активные формы кислорода.
Активные формы кислорода (АФК) образуются в живой клетке как продукты нормального метаболизма кислорода. Некоторые формы АФК могут играть роль медиаторов внутриклеточных сигнальных путей [1]. Известно, что функции АФК включают индукцию иммунной системы и мобилизацию систем ионного транспорта. Например, продукция АФК клетками крови на месте повреждения является сигналом для активации тромбоцитов, необходимых для начала процесса заживления раны [1]. Также АФК играют важную роль в фотосинтезе. Известно, что фикобилипротеины, входящие в состав антенных комплексов цианобактерий — фико-билисом, способны в возбужденном состоянии
Принятые сокращения: КТХ — квантовая точка, индекс Х — максимум эмиссии; ФЦУ — фталоцианин алюминия, индекс У — степень включения заместителей; ДФИБФ — 1,3-дифенилизобензофуран; АФК — активные формы кислорода.
* Адресат для корреспонденции.
генерировать АФК [2]. В то же время показано, что фотоактивный оранжевый каротиноидный белок, являющийся эффектором нефотохимического тушения флуоресценции фикобилисом, способен эффективно инактивировать АФК [3]. Однако повышенная продукция АФК приводит к оксидативному стрессу, который в некоторых случаях может быть использован для биомедицинских целей.
Благодаря своим физическим и химическим свойствам фталоцианины широко применяются в качестве красителей [4], функциональных материалов для нелинейной оптики [5], газовых сенсоров [6], катализаторов [7, 8], материалов для разработки искусственных фотосинтетических реакционных центров [9—11]. Для спектров поглощения ФЦ характерно наличие интенсивной О-полосы в дальней красной или инфракрасной областях с коэффициентом экстинкции более 105 М-1 см-1 и незначительным поглощением в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. ФЦ обладают высокой фотостабиль-
ностью, что при наличии соответствующих квантовых выходов флуоресценции создает перспективы использования этого класса соединений во флуоресцентной диагностике [12]. Многие ФЦ обладают высокими квантовыми выходами перехода в возбужденное триплетное состояние и генерации АФК, что определяет их фототоксические свойства [12—14]. ФЦ относятся к фотосенсибилизаторам, вступающим в фотодинамические реакции второго рода:
НУ ,
ФЦ —> 1ФЦ* —> 3ФЦ*,
3ФЦ* + 3£е 02 ^ ФЦ + 1де02,
1ФЦ* и 3ФЦ* соответствуют ФЦ в синглетном и триплетном возбужденном состоянии.
Перенос энергии от ФЦ на триплетный кислород (3£Ё 02), присутствующий в реакционном объеме, приводит к возникновению высокоактивных молекул синглетного кислорода (1АЁ02), которые способны окислять белки, липиды и другие биомолекулы, тем самым нарушая структурно-функциональное состояние органоидов и целых клеток [14].
Одним из активно развивающихся направлений использования фототоксических свойств фталоцианинов и их комплексов с металлами является фотодинамическая терапия рака [12—14]. Интерес к фотодинамическим свойствам металлофталоцианинов обусловлен также возможностью их использования в антимикробной терапии с целью инактивации антибиоти-коустойчивых патогенных штаммов и дезинфекции вод [15—18].
С целью повышения эффективности фотосенсибилизации разрабатываются новые подходы к фотодинамической терапии, начиная от модификации химической структуры ФЦ, его заряда, спектральных характеристик и заканчивая синтезом многомодульных транспортирующих систем для направленной доставки ФС к клеткам-мишеням.
Природа центрального атома металла оказывает существенное влияние на фотофизические свойства ФЦ [12]. Такие важные для фотосенси-билизирующих свойств параметры, как выход триплетных состояний, их время жизни, квантовый выход генерации синглетного кислорода, улучшаются у металлофталоцианинов, содержащих диамагнетики 2и2+ или А13+. Наличие и природа боковых заместителей в молекулах ФЦ определяет их растворимость, склонность к агрегации и, как следствие, фотодинамические свойства. В водных средах гидрофобные ФЦ образуют димеры и другие агрегаты, которые не
обладают фотохимической активностью. В таких агрегатах происходит быстрая безызлуча-тельная релаксация возбужденных состояний, что приводит к уменьшению количества 3ФЦ* и величины квантового выхода генерации АФК. Введение заряженных заместителей на периферии кольца снижает вероятность агрегации ФЦ [18].
Структуры со свойствами одновременно фотосенсибилизатора и флуорофора представляют большой интерес для фотодинамической терапии новообразований с предварительным проведением неинвазивной флуоресцентной диагностики. Увеличение эффективного сечения поглощения молекул ФЦ, позволяющее достичь высоких коэффициентов усиления флуоресценции наряду с повышением эффективности генерации АФК при тех же значениях плотностей потока фотонов, является перспективным способом оптимизации свойств ФЦ. Для решения данной задачи многообещающим направлением может оказаться создание гибридных структур, состоящих из ФЦ и дополнительного светосбор-щика (антенны). В качестве таких дополнительных антенн могут выступать полупроводниковые нанокристаллы — квантовые точки, которые характеризуются широким спектром поглощения, а положение максимума флуоресценции зависит от размера ядра, который определяется условиями синтеза наночастиц [19—21]. Квантовые точки обладают высокими квантовыми выходами флуоресценции (до 70%), что позволяет рассматривать их в качестве перспективных флуоресцентных зондов, поскольку возбуждение может осуществляться как различными лазерами (266, 405, 514, 532 нм и т.д.), так и некогерентными источниками. Дополнительное покрытие Сё8е/2и8 ядра квантовой точки органической полимерной оболочкой обеспечивает водорастворимость, а наличие функциональных групп (—СООН, —МН2 и др.) позволяет создавать гибридные мезоскопические структуры. Также следует отметить, что возбуждение флуоресценции квантовых точек возможно с помощью двухфотонного поглощения длинноволнового излучения 740—1400 нм, характеризующегося наибольшей проникающей способностью по сравнению с ультрафиолетовым и видимым излучением [22—25]. Наши собственные результаты и исследования, выполненные нами с участием других научных лабораторий, показали, что КТ могут быть использованы в качестве дополнительных светосборщиков для натив-ных пигмент-белковых комплексов, а также порфириновых молекул, обеспечивая высокую (до 90%) эффективность миграции энергии [26-31].
Возможность переноса энергии от КТ к ФЦ была показана в ряде работ [32—41]. Спектральные характеристики полученных гибридных структур сильно зависят от заряда металлофта-лоцианинов. Спектры поглощения полианионных фталоцианинов в комплексе с КТ практически соответствуют сумме спектров поглощения индивидуальных соединений, однако взаимодействие КТ с поликатионными фталоциа-нинами приводит к значительному искажению спектра последних [38]. Известно, что число заряженных заместителей в структуре фталоциа-нинов влияет на их способность к агрегации и, таким образом, определяет фотофизические и фотохимические свойства этих соединений [18].
В данной работе нами изучены возможности гибридных структур из Сё8е/2п8 квантовых точек и поликатионных фталоцианинов алюминия в растворах. Показано, что в водных растворах за счет электростатических взаимодействий КТ и ФЦ происходит самосборка гибридных комплексов. Установлено, что в таких структурах происходит высокоэффективный перенос энергии от КТ к фталоцианинам, обеспечивающий увеличение эффективного сечения поглощения ФЦ в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Показано, что использование КТ в качестве дополнительной антенны для ФЦ позволяет значительно, до 500%, увеличить интенсивность флуоресценции ФЦ и до 350% увеличить скорость фотосенсибилизированной генерации синглетного кислорода.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе использовали три типа поликати-онных фталоцианинов алюминия (рис. 1): тет-ракис(пиридиниометил)фталоцианин алюминия (далее ФЦ4), смесь тетра- и пентакис(холи-нил)фталоцианинов алюминия (ФЦ4,5) и гекса-кис(холинил)фталоцианин алюминия (ФЦ6),
Таблица 1. Оптические свойства замещенных фталоцианинов алюминия
Тип ФЦ Коэффициент экстинкции, л • моль-1 • см-1 Максимум поглощения, нм Максимум эмиссии, нм
ФЦ4 150 000 715 722
ФЦ45 150 000 680 693
ФЦ6 185 000 680 692
синтезированные в ФГУП «ГНЦ "НИОПИК"». Коэффициенты молярной экстинкции, максимумы поглощения и флуоресценции этих соединений представлены в табл. 1. Следует от
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.