Geschützter Farbstoff für die biologische Bildgebung

Biomolekulare Vorgänge im Körper lassen sich mit optischen Methoden wie der Fluoreszenz-Bildgebung auch ohne Eingriff von außen verfolgen. Die dafür verwendeten Fluoreszenz­farbstoffe sind jedoch oft recht instabil und wenig spezifisch, bleichen aus, und haben eine unbefriedigende Pharmakokinetik. Für Nahinfrarot-Fluoreszenz­farbstoffe haben Wissen­schaftler in den USA jetzt einen molekularen Schutz­schirm entwickelt, der die Farbstoffe stabili­siert und ihre Funktio­nalität verbessert.

Fluoreszenz-Bildgebungs­verfahren nutzen häufig Licht im Nahinfrarot­bereich, denn diese Strahlung dringt wirksam in menschliches Gewebe ein. Die hierfür entwickelten Fluoreszenz­farbstoffe sind häufig flach und symmetrisch aufgebaut, um Licht im nahen Infrarot­bereich gut einzu­fangen. Anderer­seits müssen die Farbstoffe auch wasser­löslich sein und funktio­nelle Gruppen etwa für eine Bindung an Antikörper oder tumor­bindende Peptide tragen. Ein Mitglied dieser Hepta­methyl­cyanin- oder Cy7 genannten Gruppe von Fluoreszenz­farbstoffen wird derzeit für chirurgische Anwendungen untersucht.

Die Cy7-Moleküle haben aber auch Nachteile: Ihr licht­absor­bierender Molekül­teil, das Chromophor, wird leicht durch Sauerstoff­radikale ausge­bleicht. Darüber hinaus aggregieren die flachen und starren Moleküle und lagern sich unspezifisch an andere Biomoleküle an. Das verzögert ihre Ausscheidung aus dem Körper.

Bradley Smith und seine Kollegen an der University of Notre Dame haben deshalb den chemischen Aufbau der Moleküle verbessert. Um das Heptamethin-Chromophor vor Sauerstoff zu schützen, integrierten sie einen intelli­genten molekularen Schutzschild. Auf dem Mittelteil des Chromophors befestigten sie eine voluminöse aromatische Gruppe mit langen, schild­artigen Armen über beiden Seiten des Chromophors.

Den resultierenden wasserlöslichen, stark und stabil fluores­zierenden Farbstoff nannten die Wissen­schaftler „sterisch abgeschirmter Heptamethin-Cyanin-Farbstoff“ oder kurz S775z. Der eingebaute molekulare Schutzschild verhindert Aggregation und Ausbleichung. Der Farbstoff sei zudem außer­gewöhnlich stabil gegen chemischen Abbau und könne unbegrenzt in einem handels­üblichen Kühlschrank gelagert werden.

Die Forscher führten auch Studien an lebenden Mäusen durch. Der S775z-Farbstoff reicherte sich im Gegensatz zu den anderen unter­suchten Farbstoffen nicht in der Leber oder anderen Organen zur Blut­reinigung an, sondern wurde zügig aus dem Körper ausge­schwemmt. Ein Tumorpeptid-bindender S775z-Farbstoff reichte sich dagegen hoch­konzentriert im Tumor von Tumor-belasteten Mäusen an und wurde durch die Fluoreszenz-Bildgebung sichtbar gemacht.

Nach Ansicht der Wissenschaftler sollte sich der Farbstoff S775z für viele Anwendungen in der medizi­nischen Bildgebung eignen. Der Wechsel von der flachen zur abgeschirmten räumlich-kompakten molekularen Architektur habe diese Nahinfrarot-Fluoreszenz­farbstoffe viel stabiler und funktions­tüchtiger gemacht.

Wiley-VCH / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D.-H. Li, C. L. Schreiber & B. D. Smith: Sterically Shielded Heptamethine Cyanine Dyes for Bioconjugation and High Performance Near‐Infrared Fluorescence Imaging, Ang. Ch., online 23. April 2020; DOI: 10.1002/ange.202004449
• Smart Molecules for Imaging, Therapy, and Health (B. D. Smith), Dept. of Chemistry and Biochemistry, University of Notre Dame, USA