Narodowe Centrum Nauki

OPUS 22 nr UMO-2021/43/B/ST5/00753

Tytuł projektu

Nowe dwufotonowe absorbery o architekturze dipolowej i kwadrupolowej: od syntezy po zastosowania

Dofinansowanie dla PWr: 971 460 PLN
Dofinansowanie dla UMK: 1 262 940 PLN

Lider: Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu
Partner: Politechnika Wrocławska

Miejsce realizacji PWr: Instytut Materiałów Zaawansowanych

Kierownik projektu: dr hab. inż. Borys Bartosz Ośmiałowski
Kierownik projektu PWr: dr hab. inż. Joanna Olesiak-Bańska, prof. uczelni

Okres realizacji: od 2022-08-01 do 2026-07-31

Opis projektu

Cząsteczki wykazujące fluorescencje˛ mogą˛ być´ używane jako czujniki molekularne dając ogromne możliwości ich zastosowania w analityce, obrazowaniu biomedycznym i innych obszarach, na przykład jako barwniki w organicznych diodach elektroluminescencyjnych. Struktura cząsteczek i ich właściwości fotofizyczne musza˛ być´ dokładnie poznane zanim zostaną˛ zastosowane jako komponenty w materiałach czy np. w bioobrazowaniu. W porównaniu do standardowej mikroskopii, techniki mikroskopii dwufotonowej przewyższają˛ tradycyjne metody pod wieloma względami. Należy tu wymienić wyeliminowanie fluorescencji związków naturalnie występujących w komórkach, brak szkodliwego wpływu promieniowania o wysokiej energii na stabilność´ związków naturalnych, zwiększenie trójwymiarowej rozdzielczości oraz głębokości obrazowania w tkankach. Na obecnym poziomie rozwoju technik dwufotonowych materiały jakie są w nich stosowane powinny wykazywać´ wysokie wartości przekroju czynnego akcji dwufotonowej (iloczynu przekroju czynnego absorpcji dwufotonowej oraz wydajności kwantowej fluorescencji) przewyższająca 50GM oraz absorpcje˛ w zakresie pierwszego okna biologicznego, tj. 650-1100 nm. Jednocześnie, w wielu zastosowaniach fluoroforów ważne jest, aby emisja zmieniała się˛ po związaniu barwnika z odpowiednim miejscem cząsteczki gospodarza. Takie zmiany charakterystyki emisyjnej barwników są możliwe m.in. dla związków zawierających grupę˛(y) BF2 jednocześnie zdolnych do wydajnej absorpcji dwufotonowej. Do zalet tej grupy związków należy zaliczyć łatwą modyfikację zależnie od struktury wysokie wydajności emisji w stanie zagregowanym, łatwe do uzyskania zmiany położenia pasm absorpcji i emisji, wąskie pasma w widmach fluorescencji oraz wysoka˛ stabilność w środowisku wodnym czy niska toksyczność´. Wiele barwników BF2 jest cząsteczkami niewielkich rozmiarów, które łatwo przenikają˛ przez struktury komórkowe, zaś´ zmiana właściwości tych barwników jest możliwa poprzez odpowiednią modyfikację ich struktury - tworzenie architektury typu donor-akceptor, wprowadzenie sprzężonego mostka czy też otrzymania fluoroforów w formie dipoli lub kwadrupoli. Zgodnie z jedną z hipotez, tworzenie nierozpuszczalnych agregatów amyloidów (Aβ) oraz białek Tau związane jest z podstawowymi mechanizmami pojawiania się chorób neurodegeneracyjnych jak choćby choroba Alzheimera. Brak wyraźnych postępów w leczeniu tejże choroby związany jest m.in. ze skomplikowanymi mechanizmami powstawania agregatów. Powoduje to, ˙ze niezwykle trudne jest opracowanie inhibitorów agregacji. Stąd niezbędnym staje się˛ dokładniejsze poznanie mechanizmów agregacji poprzez ich obrazowanie tak ex vivo jak i in vivo. Warto jest podkreślić, że obecnie stosowane barwniki nie dysponują˛ wszystkimi pożądanymi cechami, które umożliwiłyby wykorzystanie pełnego potencjału jaki oferuje obrazowanie dwufotonowe. Mając na względzie wagę˛ tematyki, istotnym jest opracowanie nowych barwników, które mogą˛ być użyte w badaniach agregatów na różnych stadiach ich tworzenia. Ponieważ poprzednie badania wnioskodawcy nad właściwościami cząsteczek fluorescencyjnych pozwoliły na ich kontrolowaną modyfikacje zespoły badawcze z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika oraz Politechniki Wrocławskiej postawiły sobie za cel otrzymanie i przebadanie szerokiej klasy barwników oraz ich optymalizację pod katem zastosowania do obrazowania agregacji amyloidów. Cząsteczki barwników będą˛ zawierać wymienioną powyżej grupę BF2 zaś´ ich właściwości będą˛ odpowiednio dostosowywane do warunków, w których będzie prowadzone obrazowanie. Podstawą tych planów badawczych jest hipoteza, która˛ można sformułować następująco: cząsteczki zawierające grupę BF2 będące strukturami dipolowymi oraz kwadrupolowymi będą˛ charakteryzować się znaczącymi wartościami przekroju czynnego na absorpcje˛ dwufotonowa˛ i znajda˛ zastosowanie w mikroskopii dwufotonowej. Badania zakładają zaprojektowanie, a następnie syntezę cząsteczek, które będą˛ przydatne w obrazowaniu agregatów Aβ. Sam proces projektowania struktury cząsteczek będzie opierać się na metodach obliczeniowych chemii kwantowej oraz zaawansowanych symulacjach właściwości fotofizycznych. Najbardziej obiecujące dla przedstawionych zastosowań cząsteczki zostaną syntezowane w laboratoriach UMK, natomiast pomiary jedno- i dwufotonowe w laboratoriach obydwu uczelni. Równolegle do prowadzonych badań otrzymane barwniki fluorescencyjne będą˛ przebadane biorąc pod uwagę ich dynamikę oraz agregację (m.in. widma UV/vis dla roztworów o różnej lepkości, mieszaniny rozpuszczalników wywołujących agregacje właściwości luminescencyjne kryształów) mając na uwadze określenie ich potencjalnych zastosowań jako komponenty materiałów funkcjonalnych.