Fotothermische therapie (PTT) is een voorgestelde behandeling voor ziekten zoals antibacteriële resistente infecties en kanker, maar ondanks meer dan tien jaar onderzoek, wetenschappers zijn er niet in geslaagd een veilig en effectief chemisch middel te vinden om in het proces te gebruiken. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers heeft een nieuw type organische verbinding ontworpen die als een effectief therapeutisch middel kan worden gebruikt.

Onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie , een team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van de Molecular Foundry heeft aangetoond dat hun nieuwe materialen, een type geconjugeerd polyelektrolyt (CPE), kan onder infraroodstraling binnen vijf minuten een vermindering van 95 procent van het aantal bacteriekolonies veroorzaken. Deze bevinding markeert een van de eerste voorbeelden van het gebruik van een CPE als een actief middel in PTT.

Organische polymeren worden gemaakt door veel herhalende subeenheden, zoals kralen aan een touwtje, met elkaar te verbinden. Als die subeenheden ionische groepen bevatten, de polymeren worden polyelektrolyten genoemd, en in de gevallen waarin de subeenheden volledig zijn verbonden door afwisselende enkele en dubbele bindingen, ze worden geconjugeerde polyelektrolyten genoemd. Hun unieke eigenschappen, zoals oplosbaarheid in water, geleidbaarheid, en lichtabsorptie hebben geleid tot hun uitgebreide gebruik in opto-elektronica, voelen, en beeldtoepassingen. Maar CPE's waren nog niet eerder toegepast als fotothermische therapeutische middelen omdat ionische polymeren die licht in het nabij-infrarood (NIR) bereik kunnen absorberen, waar het voor PTT het meest wenselijk is, zijn zeer zeldzaam.

Het onderzoeksteam onder leiding van Yi Liu, directeur van de faciliteit voor organische en macromoleculaire nanostructuren van de Foundry, werkte aan een methode om CPE's te maken voor organische elektrochemische transistors (OECT's). Ze veronderstelden dat het direct hechten van de ionische (of geladen) groepen aan de hoofdketen van het geconjugeerde polymeer effectieve OECT-actieve materialen zou produceren, maar ontdekten dat hun materiaal een ander gebruik zou kunnen hebben.

"We hebben een manier ontwikkeld om een ​​CPE te synthetiseren uit ionische azaquinodimethaan (iAQM) bouwstenen, zodat het ladingen draagt ​​en een van de laagste waargenomen bandgaps heeft voor dit type polymeer, " zei Liu. "We waren oorspronkelijk niet van plan om materiaal te maken dat bruikbaar is voor fotothermische therapie, maar ontdekte dat het ionische polymeer dat we maakten ook sterk nabij-infrarood licht absorbeert."

Fotothermische therapie is gebaseerd op het gebruik van een actief chemisch middel dat licht absorbeert en de energie als warmte afgeeft. Gouden nanodeeltjes en koolstofallotropen zijn het meest uitgebreid onderzocht als de actieve stoffen in PTT, maar beide lijden aan het ontbreken van een bekend metabolisch afbraakpad en kunnen gedurende lange tijd schadelijk zijn voor het lichaam. Organische moleculen zoals CPE's zijn een veelbelovend alternatief, aangezien de kans groter is dat ze door het lichaam worden gemetaboliseerd na therapeutisch gebruik.

"Van eerdere CPE's is zelden aangetoond dat ze een hoge fotothermische conversie-efficiëntie hebben, " zei Liu. "Ons nieuw ontworpen iAQM-motief is intrinsiek ionisch, en eenmaal opgenomen in polymeer, het leidt tot CPE's met de juiste absorptie-eigenschappen voor een efficiënte fotothermische conversie. De ladingen in CPE's maken ze beter oplosbaar in polaire oplosmiddelen en dus biologisch relevanter omdat het kan worden aangepast om aan specifieke eiwitten of cellen te binden."

De onderzoekers gebruikten röntgenstralen bij Berkeley Lab's Advanced Light Source om de structuur van hun gesynthetiseerde polymeren te bepalen, waardoor ze begrijpen hoe de molecuulstructuur de polymeerprestaties beïnvloedt.

De onderzoekers testten hun polymeer ook op culturen van Staphylococcus aureus, een modelsysteem met relevantie voor antibioticaresistente bacteriële infecties, en ontdekte dat culturen die werden behandeld met het iAQM-polymeer en die vervolgens werden bestraald met 808 nm licht, resulteerden in een vermindering van 95 procent in het aantal bacteriekolonies, vergeleken met 30 procent behandeld met het polymeer alleen en 10 procent wanneer alleen bestraald.

De resultaten laten zien dat de methode van de onderzoekers om CPE's te maken een veelbelovende manier is om functionele ionische organische halfgeleiders te maken met nuttige eigenschappen, en dat met name op iAQM gebaseerde CPE's krachtige fotothermische antibacteriële middelen zijn.