18 september 2018 - Chemici van de University of Oregon hebben een nieuwe klasse fluorescerende kleurstoffen ontwikkeld die in water werken en kleuren afgeven die uitsluitend zijn gebaseerd op de diameter van ronde nanobuisjes gemaakt van koolstof en waterstof.

Het zeskoppige team meldde de ontdekking, die nu wordt onderzocht voor zijn potentieel gebruik in biologische beeldvorming, in een open-access paper dat op 30 augustus online is gepubliceerd, voor print in het journaal ACS Centrale Wetenschap .

Het artikel beschrijft hoe de gesynthetiseerde organische moleculen, nanohoops genaamd, die aanvankelijk niet in water oplosbaar waren, werden gemanipuleerd met een chemische zijketen om ze door celmembranen te laten gaan en hun kleuren in levende cellen te behouden.

Voor jaren, wetenschappers die betrokken zijn bij biologisch onderzoek en medische diagnostiek hebben vertrouwd op chemische verbindingen die fluoroforen worden genoemd, die platte structuren hebben en verschillende kleuren uitstralen bij lichtexcitatie, om specifieke biologische moleculen te labelen. Het potentieel voor circulaire structuren om nieuwe fluorescerende eigenschappen te bieden, is veel minder onderzocht.

Nanohoepels, die korte cirkelvormige plakjes koolstofnanobuisjes zijn, kan het gebruik van meerdere fluorescerende kleuren mogelijk maken, veroorzaakt door een enkele excitatie, om gelijktijdig meerdere activiteiten in levende cellen te volgen, zei studie co-auteur Ramesh Jasti, een professor in de UO's Department of Chemistry and Biochemistry en lid van het Materials Science Institute.

"De fluorescentie van de nanohoops wordt anders gemoduleerd dan de meeste gewone fluoroforen, wat suggereert dat er unieke mogelijkheden zijn om deze nanohoop-kleurstoffen te gebruiken in detectietoepassingen, " zei co-auteur Michael Pluth, ook een professor in de UO's Department of Chemistry and Biochemistry. "Deze kleurstoffen behouden hun fluorescentie bij een breed scala aan pH-waarden, waardoor ze functionele en stabiele fluoroforen zijn in een breed scala van zure en basische omstandigheden."

Onderzoekers in de Jasti- en Pluth-labs werkten mee aan het onderzoek, die werd gefinancierd door de National Science Foundation, Nationale gezondheidsinstellingen, Sloan Foundation en Camille en Henry Dreyfus Foundation.

De nanohoops hebben een precieze atomaire samenstelling, zei Jasti. Zodra een chemische zijketen was ontworpen door de hoofdauteur van het onderzoek, Brittany M. White, een doctoraatsstudent in het lab van Jasti, de nanohoops werden oplosbaar en gingen vrij door de celmembranen, maar gingen niet naar bepaalde plaatsen.

"Cirkelvormige structuren zoals deze nanohoops lossen beter op in waterige media dan platte structuren, "Zei Jasti. "We kwamen erachter door het gewoon te doen. Het maakte geen deel uit van het plan. We wilden gewoon koolstofnanostructuren maken op een ultrazuivere manier. De heldere emissies van de verschillende formaten die ze produceerden, zijn net gebeurd. Het is een fenomeen op nanoschaal."

In een volgende stap, co-auteur Yu Zhao, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Pluth, onderzocht waar de nanohoops in cellen gingen en of ze naar bepaalde plaatsen in cellen kunnen worden geleid. Een toegevoegde zijketen met foliumzuur leidde de nanohoops naar kankercellen.

"Dat succes vertelde ons dat deze nanohoops kunnen worden verhandeld naar verschillende soorten cellen of zelfs naar intracellulaire compartimenten, "Zei Jasti. "Dit suggereerde ook hun mogelijke gebruik in medische diagnostiek of zelfs medicijnafgifte, omdat onze nanohoops gemakkelijk kleine compartimenten kunnen dragen die naar specifieke locaties gaan."

Toxiciteitsniveaus van de nanohoops, hij voegde toe, zijn niet anders dan in traditioneel gebruikte fluorescerende kleurstoffen.

In een nieuw gefinancierde inspanning, Jasti werkt samen met Xiaolin Nan van het Department of Biomedical Engineering aan de Oregon Health &Science University in Portland om het gebruik van nanohoops in biologische beeldvorming na te streven. Het project is een van de 10 die worden gefinancierd in het kader van het 2018 OHSU-UO Collaborative Seed Grant-programma. Pluth is een ontvanger van een aparte seed-subsidie ​​in het programma.

"We hebben nog nooit zoiets als deze nanohoops gezien in de wereld van kleurstofchemie, " zei co-auteur van de studie Bruce P. Branchaud, emeritus hoogleraar scheikunde en biochemie aan de UO en vooraanstaand wetenschapper in het Cancer Early Detection Advanced Research Center van OHSU's Knight Cancer Institute.

"Alle andere kleurstoffen zijn plat geweest, overwegende dat deze nanohoops niet-vlakke cirkels zijn, " zei hij. "Hun unieke structuren bieden unieke eigenschappen die we willen ontwikkelen en exploiteren voor belangrijke nieuwe bijdragen aan de chemische biologie, biotechnologie, biomedische wetenschappen en geneeskunde."