Содержание кислорода в клетках и тканях критически важно для нормального функционирования аэробных организмов. Его недостаток (гипоксия) приводит к энергетическому голоданию клеток, снижению скорости обмена веществ и накоплению кислот в тканях, что, в свою очередь, вызывает чувство усталости, потерю мышечной силы и трудоспособности. В то же время гипоксия может быть своего рода индикатором различных заболеваний, таких как, например, инсульт, анемия, инфаркт и онкология.
В случае развития рака гипоксия является результатом высокой скорости деления клеток и формирования нездорового кровоснабжения. Это своего рода защита опухоли — кислородное голодание блокирует выработку белков, в норме контролирующих рост новообразования. Вместе с тем ткани начинают подавать своего рода SOS-сигнал о нехватке энергии, что приводит к формированию новых кровеносных сосудов. Те питают рак, а также предоставляют ему комфортные пути для метастазирования. При этом содержание кислорода отличается как в разных частях новообразования, так и на разных этапах его развития.
На сегодня для определения локальной концентрации кислорода и связанных с ней характеристик опухолей наиболее распространено использование микроэлектродов, которые вводят в поврежденные органы специальной иглой. Несмотря на точность и оперативность, процедуру сопровождают кровотечение, возможность развития воспалительного процесса и очевидный дискомфорт для пациента.
Альтернативным подходом является развитие неинвазивных оптических методов диагностики. В качестве их инструментов химики разрабатывают светящиеся метки, которые вводят в кровь в виде специальных растворов, а затем «просвечивают» тело пациента и определяют границы раковых новообразований: насыщенность кислородом опухолевых и здоровых тканей различается в 1,5–7 раз — создаваемые метки светятся сильнее в условиях гипоксии. Однако несколько факторов ограничивают их применение в медицине.
«К таким меткам предъявляют ряд важных требований: низкая токсичность, хорошая растворимость в физиологических средах и достаточная стабильность. При этом для эффективного детектирования необходима люминесцентная метка с высоким квантовым выходом излучения, высокой чувствительностью к концентрации кислорода и возбуждением в диапазоне длин волн, обеспечивающем глубокое проникновение в живые ткани», — рассказала одна из авторов исследования Кристина Кисель, кандидат химических наук, научный сотрудник кафедры общей и неорганической химии Санкт-Петербургского государственного университета.
Ученые разработали новый класс комплексов рения(I), который удовлетворяет требованиям, предъявляемым к меткам. Совместно с медиками из Национального университета Тайваня (Китай) и университета Макао (Китай) они на практике проверили, как полученные соединения справятся с определением концентрации кислорода в биологических средах. Разработанные комплексы эффективно проникают через стенки сосудов, а затем прочно и специфично связываются с коллагеном. Это позволяет проводить длительные исследования.
Эксперименты на мышах показали, что с помощью синтезированного соединения можно не только отличать ткани опухоли (в данном случае меланомы) от здоровых тканей, но и регистрировать уровень насыщения тканей кислородом в областях, где много сосудов и где кровоснабжение отсутствует, как при ишемии. Ни одна другая метка ранее не показывала подобные результаты.
«Дальнейшее развитие данного направления исследований откроет возможность развернутой диагностики онкологических заболеваний и состояний, когда нарушается кровоснабжение тканей. В дальнейшем мы попробуем создать соединения рения, способные специфически связываться с определенными типами опухолей. Также в планах — ввести в оболочку метки функциональные группы, реагирующие на изменение других важных физиологических параметров, например рН, что значительно расширит их диагностический потенциал», — добавила руководитель гранта РНФ Юлия Шакирова, кандидат химических наук, доцент кафедры общей и неорганической химии Санкт-Петербургского государственного университета.
