Assemblage supramoléculaire activé de transfert d’énergie de résonance de phosphorescence monomoléculaire pour l’imagerie cellulaire ciblée dans le proche infrarouge

Ces dernières années, les études sur le transfert d’énergie de résonance de phosphorescence (PRET) purement organique sont devenues un sujet brûlant. Dans cet article, les auteurs ont construit un système PRET monomoléculaire avec un grand déplacement de Stokes (367 nm) et une émission dans le proche infrarouge (NIR) en utilisant la molécule hôte de dérivé de pyridine phénylique de tétraphénylèthylène méthoxy avec un pont alkyle (TPE-DPY), des cucurbit[n]urils (n = 7, 8) avec différents paramètres, et de l’acide hyaluronique modifié par la β-cyclodextrine (HACD). Les auteurs ont appliqué avec succès ce système pour l’imagerie de ciblage des mitochondries de cellules cancéreuses.

Contexte de la recherche

Les assemblages supramoléculaires ont longtemps suscité un grand intérêt en raison de leurs importantes applications dans la reconnaissance moléculaire, la catalyse, les matériaux fluorescents, la médecine et les capteurs. En particulier, les assemblages supramoléculaires basés sur de grandes molécules cycliques ont attiré un vif intérêt de recherche car ils peuvent supprimer les vibrations des excitons singulets ou triplets, induisant et améliorant ainsi les propriétés photophysiques des molécules hôtes, en particulier la phosphorescence à température ambiante (RTP). Malgré les progrès rapides réalisés dans les systèmes RTP pour réaliser des émissions de phosphorescence accordables, il reste un défi majeur pour atteindre l’émission de phosphorescence dans la région du NIR. Cette limitation est principalement due à la contrainte de la loi de l’écart d’énergie.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par les chercheurs Xiaolu Zhou, Xue Bai, Fangjian Shang, Heng-yi Zhang, Li-hua Wang, Xiufang Xu et Yu Liu de l’Institut de chimie, Laboratoire national clé de chimie organique des éléments, Centre d’innovation collaborative en sciences et génie chimiques de l’Université Nankai. , et publié dans Nature Communications. Cette recherche a été acceptée le 28 mai 2024 et peut être trouvée dans le volume 15, page 4787.

Flux de travail de recherche

Sujets de recherche

Cette étude s’est principalement concentrée sur la construction d’un système PRET monomoléculaire pour l’imagerie ciblée des mitochondries à l’aide de cucurbiturils et d’acide hyaluronique modifié par la cyclodextrine. Les chercheurs ont exploré la topologie d’assemblage supramoléculaire, le comportement de liaison et le processus d’activation PRET monomoléculaire par l’auto-assemblage secondaire.

Étapes expérimentales

1. Synthèse et caractérisation des molécules hôtes:

   • Le méthoxy-tétraphénylène a été synthétisé par réaction de Mizoroki-Heck et substitution alkyle avec différentes quantités de phénylpyridines à pont alkyle.
   • Caractérisation détaillée par ^1H NMR, ^13C NMR, COSY 2D et HRMS.

2. Exploration du comportement de liaison et de la topologie des cucurbiturils:

   • Étude du comportement de liaison de TPE-DPY avec CB[7] et CB[8] par titrage RMN ^1H, UV-Vis et spectres ROESY/DOSY 2D.
     
   • Observation des changements de morphologie d’assemblage par TEM et SEM.

3. Assemblage supramoléculaire secondaire et activation PRET monomoléculaire:

   • Introduction de HACD dans les systèmes TPE-DPY/CB[7]/CB[8] pour construire un assemblage secondaire et observer les changements de morphologie.
   • Caractérisation approfondie de l’assemblage secondaire par DLS, TEM et potentiel zêta, et étude des propriétés optiques du processus PRET.

4. Étude des propriétés photophysiques et des mécanismes:

   • Exploration des propriétés photophysiques des différents assemblages et des mécanismes sous-jacents, y compris le RTP et le comportement PRET.
   • Calculs DFT (théorie de la fonctionnelle de la densité) et TD-DFT (théorie dépendante du temps de la fonctionnelle de la densité) pour étayer les résultats expérimentaux.

5. Imagerie cellulaire ciblée des cellules cancéreuses:

   • Réalisation d’expériences d’imagerie ciblée sur les cellules cancéreuses du col de l’utérus humain (HeLa) et les cellules embryonnaires rénales humaines (293T), observation du signal de luminescence NIR intracellulaire par microscopie confocale laser à balayage (CLSM).

Expériences clés détaillées

Synthèse de TPE-DPY

Sous protection d’azote, le 4,4’-[[2,2-bis(4-méthoxyphényl)éthènediyl]bis(4,1-phénylènévinylène)]pyridine (54 mg, 0,09 mmol) et py-1 (94,5 mg, 0,22 mmol) ont été dissous dans 5 ml d’acétonitrile. Le mélange a été chauffé à 85°C pendant 36 heures. Après la réaction, le solvant acétonitrile a été évaporé sous ultrasons et lavé à l’acétone. Enfin, le produit a été purifié par filtration à chaud et recristallisation.

Étude du comportement de liaison de TPE-DPY avec les cucurbiturils

1. Collecte des spectres RMN ^1H et UV-Vis des systèmes TPE-DPY avec CB[8] et CB[7], calcul des constantes de liaison par la méthode Job.
2. Étude des modes de liaison par spectres ROESY 2D et DOSY 2D, déterminant finalement un rapport 1:1 pour TPE-DPY/CB[8] et 1:4 pour TPE-DPY/CB[7].

Étude des propriétés photophysiques

Lors de la formation d’assemblages binaires de TPE-DPY avec CB7 ou CB[8], les pics d’absorption ont montré différents degrés de déplacement vers le rouge. Pour les systèmes TPE-DPY avec 2CB[7], 4CB[7], CB[8] et CB[7]/CB[8], les spectres de PL ont montré des pics d’émission intenses autour de 530 nm, indiquant une durée de vie plus longue.

Assemblage secondaire et activation PRET: 1. Étude des changements structurels de TPE-DPY avec CB[7]/CB[8] après addition de HACD par DLS, TEM et potentiel zêta pour sonder le comportement d’assemblage.
2. Démonstration de la réaction PRET sous excitation à 330 nm, avec une luminescence retardée NIR observée à 700 nm.

Application d’imagerie cellulaire: 1. Comparaison de la performance d’imagerie de TPE-DPY/CB[7]/CB[8]@HACD dans les cellules HeLa et 293T. 2. Confirmation de la colocalisation du signal NIR avec les mitochondries par analyse de colocalisation.

Conclusions et significance

Cet article a réussi à activer un système PRET monomoléculaire basé sur la contrainte des macrocycles, réalisant l’émission de luminescence retardée NIR dans les cellules cancéreuses. Grâce aux tailles de cavité différentes de CB[7] et CB[8], l’assemblage primaire de TPE-DPY a montré des topologies ajustables. L’assemblage secondaire avec HACD a ensuite activé le PRET monomoléculaire, générant une émission de luminescence retardée NIR à 700 nm. Ce système a présenté un grand déplacement de Stokes (367 nm) et a été appliqué avec succès à l’imagerie ciblée des mitochondries de cellules cancéreuses, ouvrant la voie à la construction et à l’application de PRET monomoléculaire.

Points forts de la recherche

1. Grand déplacement de Stokes (367 nm): Le système a un déplacement de Stokes remarquablement grand, lui conférant des propriétés optiques distinctives.
2. Topologies supramoléculaires variées construites avec des cucurbiturils: Avec différents rapports de cucurbiturils, le système a montré une évolution des morphologies, des sphères aux bâtonnets et aux feuillets multicouches nanométriques.
3. PRET monomoléculaire et imagerie NIR: Une émission de luminescence retardée NIR spécifique (700 nm) a été réalisée avec succès pour l’imagerie cellulaire, démontrant son potentiel dans l’imagerie médicale.
   

Cette étude fournit non seulement une nouvelle méthode pour activer les systèmes PRET monomoléculaires, mais ouvre également de nouvelles possibilités pour l’imagerie ciblée dans le NIR. Les travaux futurs pourraient inclure l’optimisation du système PRET pour améliorer l’efficacité d’émission et explorer d’autres applications biomédicales.