Abstrakt

Organische Chemie: 2018 – Mikrowellenunterstützte Synthese einer Bibliothek von Nahinfrarot-Molekülsonden für die In-vivo-Bildgebung – Maged Henary

 Maged Henary  

Eine mikrowellenunterstützte Methode zur Synthese einer Bibliothek von molekularen Sonden im Nahinfrarotbereich (NIR) wie symmetrische Pentamethincyanine und ihre entsprechenden Vorläufer. Diese Verbindungsklasse ist aufgrund der geringen Absorption biologischer Moleküle im NIR-Fenster für die In-vivo-Bildgebung vorteilhaft. Die Mikrowellensynthese reduzierte die Reaktionszeit für die Farbstoffsynthese drastisch von Tagen auf Minuten und führte zu höheren Erträgen (89-98 %) als die herkömmliche Heizmethode (18-64 %). In dieser Studie zeigen wir auch, dass es möglich ist, gewebespezifische (Schilddrüse, Speicheldrüsen und Nebennieren) Nahinfrarot-Fluorophore unter Verwendung der inhärenten chemischen Struktur zu erzeugen. Somit führt ein einzelnes kompaktes Molekül sowohl die Zielerfassung als auch die Bildgebung durch. Die optische Bildgebung ist aufgrund der hohen räumlichen Auflösung und der außergewöhnlichen Nachweisempfindlichkeit dieser Taktik seit mehreren Jahrzehnten die tragende Säule der Histologie, Bioassays und Mikroskopie. Insbesondere die Mehrkanalbildgebung unterscheidet die optische Bildgebung von anderen Bildgebungsverfahren. (Hilderbrand und Weissleder, 20102010) Aufgrund des großen optischen Bildgebungsfensters, das typischerweise zwischen 400 und 1200 nm liegt, können in einem einzigen Experiment mehrere Fluoreszenzsonden verwendet werden, ohne dass es zu einem nennenswerten Durchsickern zwischen den Bildgebungskanälen kommt. Die Mehrkanalbildgebung hat daher ein großes Potenzial, die Beobachtung mehrerer molekularer Ziele in Zellen und Gewebe zu erleichtern. So wurden beispielsweise fünf verschiedene Lymphdrüsendrainagen während einer einzigen Bildgebungssitzung mithilfe von Dendrimeren visualisiert, die mit Fluorophoren unterschiedlicher Farbe markiert waren. Mikrowellen sind eine Art elektromagnetischer Wellen mit Wellenlängen von etwa einem Meter bis mindestens einem Millimeter und Frequenzen zwischen 300 MHz (1 m) und 300 GHz (1 mm). Verschiedene Quellen definieren unterschiedliche Frequenzbereiche als Mikrowellen. Die obige weit gefasste Definition umfasst sowohl UHF- als auch EHF-Bänder (Millimeterwellen). Eine gebräuchlichere Definition in der Hochfrequenztechnik ist der Bereich zwischen 1 und 100 GHz (Wellenlängen zwischen 0,3 m und 3 mm). In allen Fällen umfassen Mikrowellen mindestens das gesamte SHF-Band (3 bis 30 GHz oder 10 bis 1 cm). Frequenzen im Mikrowellenbereich werden häufig mit ihren IEEE-Radarbandbezeichnungen angegeben: S-, C-, X-, Ku-, K- oder Ka-Band oder mit ähnlichen NATO- oder EU-Bezeichnungen. Um effektiv zu sein, erfordern viele optische Techniken die Verwendung von Designer-Molekülsonden zum Erkennen und Verfolgen von molekularen Prozessen oder Biomarkern von Interesse. Daher hat die Entwicklung neuester molekularer Sonden aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in Chemie, Biologie und Medizin seit Jahrzehnten die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen (Ballou et al., 2005, Rao et al., 2007, Sameiro und Goncalves, 2009). In den letzten Jahren hat die optische Abbildung molekularer Prozesse in lebenden Organismen das Interesse an der Entwicklung molekularer Sonden für den Einsatz im Nahinfrarotbereich (NIR) (700-900 nm) geweckt (Achilefu, 2010, Escobedo et al., 2010, He et al., 2010).Hilderbrand und Weissleder, 2010) NIR-Molekülsonden bieten zwei wesentliche Vorteile gegenüber solchen, die bei sichtbaren Wellenlängen emittieren. Erstens absorbieren biologische Gewebe NIR-Licht weniger als Licht (Achilefu), wodurch NIR-Licht tiefer in das Gewebe eindringt als Licht bei sichtbaren Wellenlängen, wodurch die Auswertung von Daten aus tieferen Strukturen möglich wird. Zweitens ist im NIR-Bereich weniger Autofluoreszenz vorhanden als bei sichtbaren Wellenlängen, was höhere Signal-Rausch-Verhältnisse ermöglicht. Daher wird erwartet, dass Molekülsonden, die Licht im NIR-Bereich emittieren, für die In-vivo-Bildgebung geeignet sind. Jüngste Forschungsanstrengungen zielen auf die Entwicklung und Nutzung solcher NIR-Sonden in biomedizinischen Bildgebungsanwendungen ab. In diesem Kapitel werden die NIR-Fluoreszenzsonden (ausgenommen natürliche NIR-Proteine) zusammengefasst, die für die In-vitro- und In-vivo-Bildgebung verwendet werden. Dazu gehören Sonden mit niedermolekularen organischen Fluorophoren, Sonden auf Nanopartikelbasis und neue multimodale Bildgebungssonden. In-vivo-Bildgebungssysteme, manchmal auch präklinische Bildgebungssysteme genannt, sind Bildgebungssysteme, die tief in das Gewebe lebender Versuchspersonen blicken. Die Vorteile dieser Art von System bestehen darin, dass es das umfassendste Bild der biologischen Auswirkungen einer Behandlung oder Krankheit liefert.