Las imágenes de fluorescencia se pueden realizar con tintes de cambio de Stokes largos que minimizan la diafonía entre la fuente de excitación y la emisión fluorescente para mejorar la relación señal-fondo. Independientemente, los investigadores aún forman tintes de moléculas pequeñas simples con un gran cambio de Stokes y emisiones de infrarrojo cercano. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Hao Chen y un equipo de científicos desarrollaron una serie de tintes de estireno oxazolona (SOD) utilizando métodos sintéticos simples inspirados en la estructura química cromófora de las proteínas fluorescentes.

Los tintes mostraron emisiones en el infrarrojo cercano con un cambio de Stokes largo y un peso molecular pequeño. Los colorantes más prometedores también mostraron una rápida excreción renal y propiedades de paso de la barrera hematoencefálica. Los bioingenieros modificaron los compuestos para obtener imágenes de tumores, cirugía guiada por imágenes de fluorescencia, neurocirugía y análisis patológico. Los hallazgos aportan una categoría esencial de colorantes moleculares pequeños a los colorantes clásicos.

Desarrollo de tintes Stokes shift largos

Las imágenes de fluorescencia están muy extendidas en la investigación biomédica preclínica, así como en la patología clínica y la cirugía guiada por imágenes de fluorescencia. La plataforma fácil y de bajo costo ofrece daños leves menores a la muestra biológica para una alta sensibilidad de detección. La aplicación biomédica de las imágenes fluorescentes depende de los tintes con características críticas, incluidos los perfiles de absorción/emisión, el coeficiente de absorción, el rendimiento cuántico, el cambio de Stokes y la estabilidad fotoquímica.

Sin embargo, solo unos pocos tintes han mostrado propiedades óptimas en todas las categorías. La gran diafonía entre la luz de excitación y la de emisión puede dar como resultado una relación señal/fondo relativamente baja. Como resultado, los bioquímicos tienen como objetivo desarrollar tintes de Stokes largos cerca del infrarrojo para una alta relación señal-fondo. En este trabajo, Chen y el equipo describieron los primeros tintes de estireno oxazolona (SOD) de alta eficiencia como tintes de cambio de Stokes largos, para proporcionar una nueva estrategia para la obtención de imágenes de fluorescencia in vivo.

Experimentos:Diseño, síntesis y caracterización de colorantes de estireno oxazolona (SODs)

Las proteínas de fluorescencia se estudian ampliamente en la investigación biológica, donde comparten el mismo esqueleto central de un resto de imidazolinona y un doble enlace exocíclico para cambiar entre los estados oscuro y brillante. Los investigadores diseñaron y sintetizaron una serie de tintes no informados anteriormente con estireno oxazolona como esqueleto fundamental a través de un procedimiento simple a temperatura ambiente para obtener buenos rendimientos en dos horas. Caracterizaron la estructura química de las SOD utilizando el estándar ¹ H resonancia magnética nuclear (RMN) y espectrometría de masas de alta resolución. El equipo identificó las propiedades espectroscópicas de los colorantes en medios acuosos, donde notaron una fuerte fluorescencia con buena fotoestabilidad, debido a la presencia de un doble enlace exocíclico. Los investigadores derivaron la diferencia en las propiedades espectroscópicas de la propiedad eléctrica y la posición de los sustituyentes.

Así, demostraron cómo una variedad de factores afectaban las propiedades ópticas de los SOD (tintes de estireno oxazolona) y examinaron la citotoxicidad de los tintes a partir de entonces. Siguieron estos experimentos con farmacocinética in vivo a través de imágenes de fluorescencia, así como aplicaciones in vivo del tinte para el etiquetado de biomoléculas. Los resultados mostraron cómo algunas sondas dirigidas a condiciones patológicas se acumularon más en las células tumorales que en las células normales, para resaltar sus propiedades de orientación específicas del tumor.

Biocompatibilidad de la inyección intravenosa de biomoléculas colorantes

Los investigadores estudiaron la biocompatibilidad del tinte después de la inyección intravenosa a un modelo de ratón e investigaron su efecto en los órganos internos a través de la histología. Los resultados destacaron la posibilidad de utilizar la nueva sonda de fluorescencia para identificar tumores e imágenes de fluorescencia de órganos principales. El trabajo enfatizó que el mejor momento para la cirugía tumoral guiada por imágenes de fluorescencia es 60 minutos después de la inyección y demostró cómo la rápida acumulación cerebral del tinte lo hizo brevemente adecuado para la imagen dinámica de los nervios craneales. Los resultados destacaron por primera vez el impacto de la molécula de colorante para la monitorización dinámica de los nervios cerebrales.

Perspectiva

In this way, Hao Chen and colleagues designed and developed a series of oxazolone analogs and calculated their optimized geometry. The resulting dye analogs showed a lower bandgap to contribute to a larger Stokes shift approximating 150 to 200 nm greater than traditional fluorescence dyes. The substituents and steric hindrance effects played a key role in influencing the spectroscopic properties of the dyes. The outcomes indicated good optical and pharmacokinetic properties with high signal-to-background ratio, rapid clearance, and low toxicity. The molecules impressively crossed the blood-brain barrier after intravenous injection into mice to provide a strong fluorescence signal to visualize neurons via confocal fluorescence imaging in vivo.

The team further modified the protocol to allow staining of mitochondria in living cells with applications across tumor imaging, fluorescence navigation surgery and confocal endoscopy to identify surgical boundaries and prevent surgical trauma. The new techniques facilitated the analysis of cell morphology in real time, which simplified the process of conventional histological examination with the additional capacity to replace traditional methods of staining such as Hematoxylin and Eosin as well. The dyes are a previously unreported compound that can be used for biomedical applications during fluorescence-guided surgery, with promising properties including high quantum efficiency, low cytotoxicity, rapid excretion and fluorescence imaging. + Explora más

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