СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ IN VITRO ЦИТОТОКСИЧНОСТИ РЯДА ЛЮМИНОФОРОВ БОРДИПИРРИНОВОГО РЯДА, КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ СЕНСОРОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Аннотация
Бордипирриновые люминофоры (BODIPY) представляют значительный интерес в качестве перспективных компонентов оптически-активных молекулярных устройств для сенсорики, визуализации и тераностики биологических систем. Однако, токсическое действие бордипирриновых люминофоров различного строения до настоящего момента системно не исследовалась. В этой связи в рамках работы показаны спектральные характеристики основных групп BODIPY-люминофоров, отличающихся природой заместителей в структуре дипирринового лиганда, а также протяженностью ароматической системы, которые могут быть использованы для решения практических задач молекулярной сенсорики биосистем. Показано, что введение алифатических заместителей в дипирриновое ядро, переход от дипирринов к аза-аналогам, а также замена пиррольных единиц на нафтильные фрагменты приводят к батохромному смещению в спектрах поглощения от 500 до 750 нм при сохранении интенсивной флуоресценции. Оценена цитотоксичность соединений. В исследовании в рамках комплексного подхода использовали две группы методов, позволяющие изучить действие исследуемых соединений на клеточном уровне: оценка цитотоксического действия на морфологические характеристики клеток крови с использованием фазово-контрастной микроскопии с детекцией измененных клеток и интенсивности свободнорадикальных процессов деградации клеточных мембран. Результаты исследования изменений антиоксидантной системы образцов крови при инкубации со всеми красителями достоверных различий не выявили. Показано, что представленные BODIPY-люминофоры не оказывают существенного влияния на морфофункциональные свойства клеток крови и процессы неферментативной деградации клеточных мембран в эксперименте in vitro, т.е. не проявляют цитотоксического эффекта. Установлено, что BODIPY обладают потенциальным мембранопротективным действием, что было показано в рамках данного исследования впервые.
Литература
Sun W, Li M, Fan J, Peng X. Activity-Based Sensing and Theranostic Probes Based on Photoinduced Electron Transfer. Acc. Chem. Res. 2019. V. 52. P. 2818. DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00340.
Marfin Y.S., Solomonov A.V., Timin A.S., Rumyantsev E.V. Recent Advances of Individual BODIPY and BOD-IPY-Based Functional Materials in Medical Diagnostics and Treatment. Curr. Med. Chem. 2017. V. 24. P. 2745. DOI: 10.2174/0929867324666170601092327.
Lee M.H., Kim J.S., Sessler J.L., Sicking W., Piantanida I., Yi T. Small molecule-based ratiometric fluorescence probes for cations, anions, and biomolecules. Chem. Soc. Rev. 2015. V. 44. P. 4185. DOI: 10.1039/c4cs00280f.
Bhat H.R., Jha P.C. Cyanide anion sensing mechanism of 1,3,5,7-tetratolyl aza-BODIPY: Intramolecular charge transfer and partial configuration change. Chem. Phys. Lett. 2017. V. 669. P. 9–16. DOI: 10.1016/j.cplett.2016.12.025.
Mallah R., Sreenath M.C., Chitrambalam S., Joe I.H., Sekar N. Excitation energy transfer processes in BODIPY based donor-acceptor system - Synthesis, photophysics, NLO and DFT study. Opt. Mater. (Amst). 2018. V. 84. P. 795–806. DOI: 10.1016/j.optmat.2018.08.007.
Maity P., Gayathri T., Singh S.P., Ghosh H.N. Impact of FRET between Molecular Aggregates and Quantum Dots. Chem. - An Asian J. 2019. V. 14. P. 597–605. DOI: 10.1002/asia.201801688.
Sevinc G., Ozgur M., Kucukoz B., Karatay A., Aslan H., Yilmaz H. Synthesis and spectroscopic properties of a novel “turn off” fluorescent probe: Thienyl-pyridine substituted BODIPY. J. Lumin. 2019. V. 211. P. 334. DOI: 10.1016/J.JLUMIN.2019.03.058.
Marfin Y.S., Shipalova M.V., Kurzin V.O., Ksenofontova K.V., Solomonov A.V., Rumyantsev E.V. Fluorescent Properties of BODIPY Sensors Based on Photoinduced Electron Transfer. J. Fluoresc. 2016. V. 26. P. 2105. DOI: 10.1007/s10895-016-1905-1.
Huang C., Qian Y. CT-BODIPY with Donor-Acceptor Architecture: Red-AIE Property and Selective Interaction with BSA. Chemistry Select. 2019. V. 4. P. 2205. DOI: 10.1002/slct.201803843.
Solomonov A.V., Marfin Y.S., Rumyantsev E.V. Design and applications of dipyrrin-based fluorescent dyes and related organic luminophores: From individual compounds to su-pramolecular self-assembled systems. Dye. Pigment. 2019. V. 162. P. 517-542. DOI: 10.1016/j.dyepig.2018.10.042.
Marfin Y.S., Aleksakhina E.L., Merkushev D.A., Rumyantsev E.V., Tomilova I.K. Interaction of BODIPY Dyes with the Blood Plasma Proteins. J. Fluoresc. 2016. V. 26. P. 255. DOI: 10.1007/s10895-015-1707-x.
Marfin Y.S., Vodyanova O.S., Merkushev D.A., Usoltsev S.D., Kurzin V.O., Rumyantsev E.V. Effect of Pi-Extended Substituents on Photophysical Properties of BODIPY Dyes in Solutions. J. Fluoresc. 2016. V. 26. P. 1–11. DOI: 10.1007/s10895-016-1891-3.
Haidekker M.A., Theodorakis E.A. Ratiometric mechano-sensitive fluorescent dyes: Design and applications. J. Mater. Chem. C. 2016. V. 4. P. 2707. DOI: 10.1039/c5tc03504j.
Raut S., Kimball J.D., Fudala R., Bora I., Chib R., Jaafari H. Triazine-based BODIPY trimer as a molecular viscometer. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18. P. 4535. DOI: 10.1039/C5CP07214J.
Chambers J.E., Kubankova M., Huber R.G., Lopez-Duarte I., Avezov E., Bond P.J. An Optical Technique for Mapping Microviscosity Dynamics in Cellular Organelles. ACS Nano. 2018. V. 12. P. 4398. DOI: 10.1021/acsnano.8b00177.
Benniston A.C., Harriman A., Whittle V.L., Zelzer M. Molecular rotors based on the boron dipyrromethene fluorophore. European J. Org. Chem. 2010. V. 2010. N 3. P. 523. DOI: 10.1002/ejoc.200901135.
Levitt J.A., Kuimova M.K., Yahioglu G., Chung P.H., Suhling K., Phillips D. Membrane-bound molecular rotors measure viscosity in live cells via fluorescence lifetime imaging. J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. P. 11634. DOI: 10.1021/jp9013493.
Marfin Y.S., Merkushev D.A., Usoltsev S.D., Shipalova M.V., Rumyantsev E.V. Fluorescent properties of 8-substituted BODIPY dyes: influence of solvent effects. J. Fluoresc. 2015. V. 25. P. 1517. DOI: 10.1007/s10895-015-1643-9.
Bobrov A.V., Usoltsev S.D., Marfin Y.S., Rumyantsev E.V. Spectral Properties and Possibilities of meso-Substituted BODIPY Usage in Sol–Gel Process and Materials. J. Fluoresc. 2018. 28. P. 277–284. DOI: 10.1007/s10895-017-2190-3.
Molchanov E.E., Marfin Y.S., Ksenofontov A.A., Rumyantsev E.V. Synthesis and spectral properties of bod-ipy luminophore with extended π-electronic system. Izv Vyss Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. [ChemChemTech]. 2019. V. 62. P. 13. DOI: 10.6060/ivkkt.20196212.6017.
Pogonin A.E., Shagurin A.Y., Marfin Y.S., Vashurin A.S. Quantum Chemical Study Aimed at Modeling Effcient Aza-BODIPY NIR Dyes: Molecular and Electronic Structure, Absorption, and Emission Spectra. Molecules. 2020. V. 25. P. 5361. DOI: 10.3390/molecules25225361.
Johnson I. Fluorescent probes for living cells. Histochem. J. 1998. V. 30. P. 123. DOI: 10.1023/A:1003287101868.
Licha K., Resch-Genger U. Fluorescent Reporters and Optical Probes. In: Compr. Biomed. Phys. Ed. by A. Brahme. Elsevier.2014. P. 85–109. DOI: 10.1016/B978-0-444-53632-7.00402-0.
Ooyama Y., Hato M., Enoki T., Aoyama S., Furue K., Tsunoji N. A BODIPY sensor for water based on a photo-induced electron transfer method with fluorescence enhancement and attenuation systems. New J. Chem. 2016. V. 40. P. 7278. DOI: 10.1039/C6NJ01467D.
Zhao X., Gao C., Li N., Liu F., Huo S., Li J. BODIPY based fluorescent turnon sensor for highly selective detec-tion of HNO and the application in living cells. Tetrahedron Lett. 2019. V. 60. P. 1452. DOI: 10.1016/J.TETLET.2019.04.049.
Strobl M., Rappitsch T., Borisov S.M., Mayr T., Klimant I. NIR-emitting aza-BODIPY dyes - new building blocks for broad-range optical pH sensors. Analyst. 2015. V. 140. P. 7150. DOI: 10.1039/c5an01389e.
Collot M., Fam T.K., Ashokkumar P., Faklaris O., Galli T., Danglot L. Ultrabright and Fluorogenic Probes for Multicolor Imaging and Tracking of Lipid Droplets in Cells and Tissues. J. Am. Chem. Soc. 2018. V. 140. P. 5401. DOI: 10.1021/jacs.7b12817.
Kiyose K., Kojima H., Nagano T. Functional near-infrared fluorescent probes. Chem. - An Asian J. 2008. V. 3. P. 506. DOI: 10.1002/asia.200700267.
Yang X., Zhang X.F., Lu X., Yu C., Jiao L. Red fluorescent monobenzo-BODIPY dyes: Solvent effects on spectra and efficient fluorescence quenching by quinones and phenols. J. Photochem. Photobiol. A Chem. 2015. V. 297. P. 39–44. DOI: 10.1016/j.jphotochem.2014.10.013.
Vodyanova O.S., Kochergin B.A., Usoltsev S.D., Marfin Y.S., Rumyantsev E.V., Aleksakhina E.L. BODIPY dyes in bio environment: Spectral characteristics and possibilities for practical application. J. Photochem. Photobiol. A Chem. 2018. V. 350. P. 44–51. DOI: 10.1016/j.jphotochem.2017.09.049.
Lim S.H., Thivierge C., Nowak-Sliwinska P., Han J., Van Den Bergh H., Wagnières G. In vitro and in vivo pho-tocytotoxicity of boron dipyrromethene derivatives for photodynamic therapy. J. Med. Chem. 2010. V. 53. P. 2865. DOI: 10.1021/jm901823u.
Marfin Y.S., Solomonov A.V, Timin A.S., Rumyantsev E.V. Recent advances of individual BODIPY and BODIPY-based functional materials in medical diagnostics and treatment. Curr. Med. Chem. 2017. V. 24. P. 2745. DOI: 10.2174/0929867324666170601092327.
Goncharenko A.A., Tarasyuk I.A., Marfin Y.S., Grzhe-gorzhevskii K.V., Muslimov A.R., Bondarenko A.B. DDAO controlled synthesis of organo-modified silica nano-particles with encapsulated fluorescent boron dipyrrins and study of their uptake by cancerous cells. Molecules. 2020. P. 3802. DOI: 10.3390/molecules25173802.
Zhang Q., Cai Y., Wang X.-J., Xu J.-L., Ye Z., Wang S. Targeted Photodynamic Killing of Breast Cancer Cells Em-ploying Heptamannosylated β-Cyclodextrin-Mediated Nano-particle Formation of an Adamantane-Functionalized BODIPY Photosensitizer. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. 8. 49. P. 33405–33411. DOI: 10.1021/acsami.6b13612.
Wang Z., Hong X., Zong S., Tang C., Cui Y., Zheng Q. BODIPY-doped silica nanoparticles with reduced dye leakage and enhanced singlet oxygen generation. Sci. Rep. 2015. V. 5. P. 12602. DOI: 10.1038/srep12602.
Sinegubova E.O., Dubrovina I.A., Myasnikov V.A. An integrated approach to assessing the cytotoxicity of ribo-some-inactivating proteins in an in vitro cell model. Meditsina ekstremal. situatsiy. 2019. V. 21. N 1. P. 163-172 (in Russian).
Krishtop V.V., Pakhrova O.A., Kustov A.V., Khudyaeva I.S., Belykh D.V. Study of the cytotoxic properties of chemically modified derivatives of chlorophyll α in relation to blood cells. Usp. Sovremen. Estestvozn. 2017. V. 3. P. 20-29 (in Russian).
Terekhina N.A., Petrovich Yu.A. Free radical oxidation and antioxidant system. Perm. 2005. 57 p. (in Russian).
Kozinets G.I., Makarov V.A. Investigation of the blood system in clinical practice. M.: Triada-H. 1997. 480 p. (in Russian).
Tsapok P.I., Galkin A.A. Chemiluminescent method for determining the products of lipid peroxidation in blood serum. Inform. leaflet No. 175-98 of the Kirov Center for Science and Technology. Kirov. 1998. 3 p. (in Russian).
Krupitskaya L.I., Tseilikman V.E., Popova A.S., Sinitskiy A.I., Goloshchapova T.N. Xanthine oxidase as an indicator of newborn adaptation. Klinich. Laborator. Diagnostika. 2008. V. 12. P. 16-17 (in Russian).
Kostyaev A.A., Martusevich A.K., Andreev A.A. Toxicity of cryoprotectants and cryopreservatives based on them for blood and bone marrow components (review article). Nauch. obozrenie. Med. Nauki. 2016. V. 6. P. 54-74 (in Russian).
Kornienko E.M. Study of the kinetics of detergent hemolysis of erythrocytes modified with DMSO. CRYOBIOLOGY. 2012. V. 15. N 1008. P.171-176 (in Russian).
Grigoryan K.R. Effect of dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide on thermal denaturation of human serum albumin. Probl. Kriobiol. 2009. V. 19. N 4. P. 33-37 (in Russian).
Ermakova E.D., Lyushina G.A. Assessment of the membrane stabilizing action of organic compounds. Vestn. PNIPU. Khim. Tekhnol.Biotekhnol. 2017. V. 3. P. 45-53 (in Russian). DOI: 10.15593/2224-9400/2017.3.04.
