Der niedermolekulare NIR-II-Farbstoff, der vom Labor des Chemikers Han Xiao von der Rice University entwickelt wurde, ist auf dem Cover der Ausgabe des Journal of the American Chemical Society vom 28. Dezember abgebildet. Bildnachweis: Labor Xiao/Rice University
Das Labor der Rice University entwickelt ein neues Bildgebungsinstrument mit dem Potenzial zur Krebsbehandlung.
Sprechen Sie über eine glänzende Idee: Das Gehirn zum Leuchten zu bringen ist nicht mehr nur eine Redewendung, dank innovativer Chemiker bei Rice University und Stanford University.
Han Xiao von der Rice University und Zhen Cheng von der Stanford University haben zusammen mit Mitarbeitern ein nicht-invasives Werkzeug zur Bildgebung des Gehirns entwickelt, das Licht auf zuvor unzugängliche Strukturen und Funktionen wirft. Ihr einzigartiger niedermolekularer Farbstoff, bekannt als Fluorophor, ist der erste seiner Art, der die Blut-Hirn-Schranke durchdringt. Darüber hinaus konnte der Farbstoff in einer Studie an Mäusen zwischen gesundem Hirngewebe und einem Glioblastom-Tumor unterscheiden.
„Dies könnte zum Beispiel für bildgebende Operationen sehr nützlich sein“, sagte Xiao. „Mit diesem Farbstoff könnte ein Arzt bestimmen, wo die Grenze zwischen normalem Hirngewebe und Tumorgewebe verläuft.“
Die Studie ist auf dem Titelbild der Journal of the American Chemical Society.
Der niedermolekulare Farbstoff Formanzanat NIR-II, der vom Chemiker Han Xiao von der Rice University und Mitarbeitern entwickelt wurde, ist derzeit der einzige seiner Art, der die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann. Bildnachweis: Labor Xiao/Rice University
Wenn Sie schon einmal in einem Aquarium oder Nachtclub waren, ist Ihnen wahrscheinlich das bunte Leuchten aufgefallen, das manche Objekte oder Oberflächen unter Schwarzlicht abgeben. Dieser als Fluoreszenz bekannte Leuchteffekt kann nützlich sein, um Dinge sichtbar zu machen, die sonst unbemerkt bleiben.
Zhen Cheng ist Forscher am Shanghai Institute of Materia Medica und der Stanford University. Bildnachweis: Labor Xiao/Rice University
„Fluoreszenzbildgebung wurde zur Darstellung von Krebs in verschiedenen Teilen unseres Körpers angewendet“, sagte Xiao. „Zu den Vorteilen einer Fluoreszenzsonde gehören eine hohe Auflösung und die Möglichkeit, die Sonde so anzupassen, dass sie verschiedene Substanzen oder Aktivitäten ablesen kann.“
Je tiefer ein Gewebe oder Organ ist, desto länger sind die Wellenlängen, die benötigt werden, um das Vorhandensein fluoreszierender kleiner Moleküle zu erkennen. Aus diesem Grund ist der zweite Nahinfrarot (NIR-II)-Kanal mit Wellenlängen von 1,000 bis 1,700 Nanometern besonders wichtig für die Tiefengewebe-Bildgebung. Als Referenz reichen die Wellenlängen des sichtbaren Lichts von 380 bis 700 Nanometer.
„Unser Tool ist wirklich wertvoll für die Tiefenbildgebung, da es im NIR-II-Bereich funktioniert“, sagte Xiao. „Im Gegensatz zu NIR-II-Wellenlängen gehen fluoreszierende Effekte im sichtbaren Spektrum oder bei Wellenlängen im nahen Infrarot zwischen 600 und 900 Nanometern (NIR-I) nur unter die Haut.“
Die Bildgebung des Gehirns stellt nicht nur wegen der Tiefe und Zugänglichkeit des Gewebes eine besondere Herausforderung dar, sondern auch wegen der Blut-Hirn-Schranke, einer Zellschicht, die als sehr selektiver Filter fungiert, um den Durchgang von Substanzen aus dem Kreislaufsystem zum zentralen Nervensystem einzuschränken .
Han Xiao ist Assistenzprofessor für Chemie, Biowissenschaften und Bioingenieurwesen an der Rice University. Bildnachweis: Labor Xiao/Rice University
„Die Leute wollen immer wissen, was genau im Gehirn passiert, aber es ist sehr schwierig, ein Molekül zu entwerfen, das die Blut-Hirn-Schranke durchdringen kann. Bis zu 98 % der von der Lebensmittel- und Lebensmittelbehörde zugelassenen niedermolekularen Medikamente Medikament Die US-Regierung (FDA) kann das nicht“, sagte Xiao.
„Im Allgemeinen liegt der Grund dafür, dass ein NIR-II-Farbstoffmolekül tendenziell groß ist, darin, dass es sich um eine konjugierte Struktur mit vielen Doppelbindungen handelt“, fuhr er fort. „Das ist ein echtes Problem und der Grund, warum wir die Fluoreszenz bisher nicht in der Bildgebung des Gehirns einsetzen konnten. Wir haben versucht, dieses Problem anzugehen, indem wir dieses neue Farbstoffgerüst entwickelt haben, das sehr klein ist, aber eine lange Emissionswellenlänge hat.“
Im Gegensatz zu den beiden anderen bekannten NIR-II-Farbstoffgerüsten, die nicht in der Lage sind, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, ist das von Xiao entwickelte kompakter, was es zu einem großartigen Kandidaten für Sonden oder Medikamente macht, die auf das Gehirn abzielen. „In Zukunft könnten wir dieses Gerüst modifizieren und damit nach vielen verschiedenen Metaboliten im Gehirn suchen“, sagte Xiao.
Jenseits des Gehirns hat der von Xiao entwickelte Farbstoff eine viel größere Dauerhaftigkeit als Indocyaningrün, der einzige niedermolekulare NIR-Farbstoff, der von der FDA zur Verwendung als Kontrastmittel zugelassen ist. Eine längere Lebensdauer bedeutet, dass Forscher mehr Zeit haben, die fluoreszierende Spur aufzuzeichnen, bevor sie verschwindet.
„Bei Lichteinwirkung verschlechtert sich die Indocyaningrün-Farbstoffspur innerhalb von Sekunden, während unser Farbstoff länger als 10 Minuten eine stabile Spur hinterlässt“, sagte Xiao.
Referenz: „Photostable Small-Molecule NIR-II Fluorescent Scaffolds that Cross the Blood-Brain Barrier for Noninvasive Brain Imaging“ von Shichao Wang, Hui Shi, Lushun Wang, Axel Loredo, Sergei M. Bachilo, William Wu, Zeru Tian, Yuda Chen , R. Bruce Weisman, Xuanjun Zhang, Zhen Cheng und Han Xiao, 13. Dezember 2022, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.2c11223
Die Studie wurde vom Cancer Prevention and Research Institute of Texas, den National Institutes of Health, dem US-Verteidigungsministerium, der Welch Foundation, der National Science Foundation, der Hamill Foundation, der John S. Dunn Foundation und dem Stanford University Department finanziert der Radiologie.
