Лечение — свет: флуоресценция от загадочного феномена до помощника в медицине

Северное сияние, свечение некоторых минералов, обитателей океана и насекомых, «блуждающие огни» болот завораживали людей с древних времен. Магическая природа загадочного «холодного» свечения от некоторых предметов, возникающего самопроизвольно и порожденного самим источником света, не поддавалась логическому осмыслению человека на протяжении многих веков. Сейчас человечество «приручило» феномен, поняв его природу и определив, при каких условиях может возникать довольно капризное явление. Как флуоресценция прошла путь от аристотелевских опытов с гниющей рыбой до ведущих лабораторий мира, читайте в блоге лаборатории «Растворная химия передовых материалов и технологий» Университета ИТМО.

Иллюстрация: Александра Зиминова

Первые попытки изучения и поиска причин появления загадочного и необъяснимого явления природы были проведены еще в Древней Греции: великий мыслитель Аристотель, ученик Платона, наблюдал за люминесценцией гниющей рыбы. Более тысячи лет назад китайские мудрецы уже знали о существовании некоторых минералов, способных светиться в темноте, — так были открыты первые неорганические люминофоры (вещества, преобразующие поглощаемую ими энергию в свет).

В 1555 году в Цюрихе (Швейцария) энциклопедист Конрад Генсен выпустил книгу под названием «Lunariae», в которой описал растения, способные люминесцировать в ночи. Вскоре, в 1570 году — испанский врач Николло Монардес описал необычное свойство настойки нефритового (почечного) дерева, которая светится в проходящем свете золотисто-жёлтым светом, а в отраженном — голубым. Позже Анастас Кирхер опишет в сочинении «Великое искусство света и тени» (1646) свечение воды в кубке из нефритового дерева.

Большим рывком в изучении флюоресценции послужило открытие свечения хинина под действием ультрафиолета в XIX веке Джоном Хершелем. Хинин является универсальным лекарством против малярии, бурно прогрессирующей в эпоху колониальных войн. Раствор хинина в воде, получивший название «тоник», можно найти и сегодня в любой аптеке. Следует отметить, что хинин в воде растворяется намного хуже, чем в спиртовых растворах. Видимо, именно эту химическую особенность стоит благодарить за появление коктейля «джин-тоник», которые был популярен в Англии во многом благодаря профилактическим свойствам напитка.

Именно с помощью раствора хинина в 1852 году Джордж Габриель Стокс сделал величайшее открытие, разоблачившее самую главную загадку явления. Он доказал, что при флуоресценции поглощается свет одной длины волны (одного цвета), а испускается свет другой длины волны. На одной линии Стокс расположил синее витражное стекло, не пропускающее никакой свет, кроме синего, стакан с тоником и бокал белого вина. У белого вина соломенный цвет, и через него проходят лучи света всех цветов, кроме синего. Если теперь посмотреть на солнечный свет сквозь вино, тоник и синее стекло, то будет видно, как светится бокал с тоником. Если вместо тоника в стакан налить обычную воду, то никакого свечения мы не увидим.

Важнейшим результатом исследований Стокса явилось установление правила, получившего его имя: длина волны фотолюминесценции больше, чем длина волны возбуждающего света, иначе говоря, энергия фотонов люминесценции всегда меньше энергии фотонов возбуждающего света.

В то же время Эдмонд Беккерель расширяет представления современников о «холодном» свечении. В двухтомном труде «Свет, его причины и действия», вышедшем в 1867—1868 годах, Беккерель вводит классификацию для явления флюоресценции, выделяя фосфоресценцию от нагревания (алмаз, плавиковый шпат), трибофосфоресценцию (давление, разлом), электрофосфоресценцию, спонтанную биофосфоресценцию (возникает при химических превращениях в биологических объектах) и фотофосфоресценцию.

Со времен Джорджа Стокса и Беккереля знания о феномене расширились и дополнились благодаря развитию квантовой теории и оптики. Сегодня флюоресценция получила широкое применение в науке, медицине и повседневной жизни, перестав быть просто дарованием природы. Люминесцентные лампы, радиолокаторы, экраны телевизоров и компьютеров, уличные вывески, дорожные знаки, защитные символы на документах и купюрах, лазеры, всевозможные сенсоры — все это вошло в нашу жизнь, начиная с середины XX века.

Большой вклад флюоресценция вносит в исследования в области медицины и биологии. Известно, что многие биообъекты способны к флуоресценции. Свечение одних мы можем наблюдать невооруженным глазом: если вам выпадет шанс побывать на острове Ваадху (Мальдивы), обязательно сходите ночью к океану — местное побережье буквально устлано синими огоньками от прибрежного планктона. Другие же биообъекты обладают настолько слабым свечением, что человеческий глаз не может запечатлеть его без специального оборудования. Знали ли вы, глядя на зеленый лист растения, что хлорофилл в нем флуоресцирует красным светом?

Тем не менее, современные приборы и методы позволяют не только выявлять, но и измерять различные параметры флуоресценции от отдельных органелл клеток, молекул и даже составных частей этих молекул. Так можно получать уникальную информацию о молекулярной организации и функционировании биологических систем, сравнивать отдельные сигналы от участка, находить патологии и их причину. Постоянно расширяется круг оптических методов исследований, в которых особую роль играют флуоресцентные агенты.

Эти агенты условно делят на органические и неорганические флуорофоры. В качестве органических флуорофоров могут выступать как собственные вещества изучаемого биообъекта, так и приносимые в систему извне. В практике in vitro для придания окраски объектам часто используют флуоресцеин — триарилметановый краситель. Однако он не способен самостоятельно пройти через цитоплазматическую мембрану. Его «транспортировка» в клетки может быть осуществлена с использованием гидрофобного производного — флуоресцеиндиацетата, он не флуоресцирует, но может проникать через гидрофобный барьер мембраны. В клетках эстеразы отщепляют ацетильные группировки, и флуоресцеин таким нехитрым способом оказывается в клетках.

Помимо органических флуорофоров, активно исследуются целые классы неорганических агентов. Открытие квантового эффекта в полупроводниковых наноразмерных частицах привело к бурному развитию диагностики in vitro. Такие наночастицы, иначе называемые квантовыми точками, состоят из пары элементов III/V (CdS, CdSe) или II/VI групп (InAs). Эти частицы обладают уникальными свойствами: ширина запрещенной зоны наночастиц зависит от их размера. То есть цвет испускаемого свечения может варьироваться в зависимости от размера частицы для одного и того же вещества: для «больших» кластеров характерно свечение в красной области, а с уменьшением размера спектр излучения смещается в сторону синего диапазона. Квантовые точки могли бы пригодиться не просто в визуализации тканей, они также могут использоваться в противораковой терапии: как все «тяжелые» элементы, они способны под воздействием высокоэнергетического излучения продуцировать электроны, которые, в свою очередь, ионизируют воду, окружающую клетки, оказывая губительный эффект на них. Так как раковые клетки менее жизнеспособны, чем здоровые, они гибнут в первую очередь.

Казалось бы, квантовые точки — панацея от любого вида рака: размеры их столь малы, что они способны проникать сквозь любые биологические барьеры, даже к местам, где руки хирурга бессильны. Но, к сожалению, они настолько токсичны, что путь к in vivo диагностике и терапии закрыт для них навсегда. Многие группы ученых трудятся над созданием безопасных покрытий для квантовых точек, но такие покрытия существенно снижают квантовый выход наночастиц, к тому же со временем разлагаются в живых системах, высвобождая токсичное ядро.

Но наука не стоит на месте. Растет интерес к другому классу агентов: биоконьюгатов, представляющих комплексы органических соединений и атомов переходных металлов: ионы лантаноидов, кластеры атомов золота или серебра. Таким комплексам присуща сенсибилизированная флуоресценция: энергия света поглощается органической частью, а испускаемый свет продуцируется неорганической составляющей. Следует отметить, что время жизни флуоресценции таких коньюгатов намного больше по сравнению с «обычной» флуоресценцией от неорганических ионов-флуорофоров. Это свойство чрезвычайно полезно для клеточных исследований. Ранее упоминалось, что многие биообъекты обладают собственной люминесценцией, но она длится гораздо меньше, чем люминесценция, исходящая от комплексов, которую можно регистрировать без «фоновых помех» через определенный период времени после облучения.

Совсем иной класс сенсибилизаторов представляют собой неорганические матрицы кристаллов, в которые «встроены» ионы-активаторы люминесценции. Механизм переноса энергии с матрицы на ионы-активаторы аналогичен системам, описанным выше. В чем же их различие? Есть ли у последних преимущества над первыми? Ответ заключается в свойствах той самой матрицы, в качестве которой используют прозрачные оксиды циркония или гафния. В отличие от органических комплексов, такие матрицы обладают высокой инертностью к химическим взаимодействиям с биомолекулами организма, кроме того они обладают высокой механической прочностью и сохраняют свою кристаллическую структуру неизменной даже при сверхвысоких температурах. Благодаря особенностям таких матриц на люминесцентные характеристики ионов-активаторов ничего не может повлиять: они сидят в «камерах строгого заключения». Благодаря высокой инертности к биомолекулам наноразмерные частицы оксидов циркония и гафния могут вводиться в организм человека, не причиняя никакого вреда клеткам. В 2015 году наночастицы оксида гафния были одобрены организацией FDA для внутривенного введения в качестве агентов в радиотерапии. Ведь, как и все тяжелые элементы, они продуцируют выброс высокоэнергетических электронов под действием рентгеновского излучения. Получается, что такие системы соединяют в себе преимущества квантовых точек и органических комплексов переходных металлов.

Использование оксида гафния и циркония в качестве биоматриц для флуоресцентной диагностики только зарождается, тем не менее, имеет многообещающие перспективы. Данную задачу поставили поставили перед собой и мы — ученые международной лаборатории «Растворная химия передовых материалов и технологий» Университета ИТМО.