Научная проблема, на решение которой направлен проект - cистематическое исследование эффекта разгорания (либо – усиления) фосфоресценции, вызванного агрегацией (эффект «aggregation-induced phosphorescence emission/enhancement», AIPE) при внедрении фосфоресцентных металлорганических комплексов в блок-сополимерные мицеллы структурного типа «ядро-оболочка». Получение фосфоресцентных наночастиц с контролируемыми размерами агрегатов люминофоров и требуемым комплексом фотофизических и физико-химических характеристик, что давало бы возможность применения данных объектов в биоимиджинге, в частности – в биосенсинге кислорода в исследуемых биологических образцах в режиме реального времени с использованием современных методик времяразрешённой люминесцентной микроскопии.
Для решения сформулированных проблем в проекте планируется решить несколько конкретных задач, связанных с синтезом и исследованием свойств люминесцентных комплексов платины(II), золота(III) и иридия(III), и их инкапсуляцией вполимерные мицеллы на основе амфифильных диблок-сополимеров, а именно:
- отработка методов синтеза известных люминофоров, дизайн и характеризация новых, а также наработка препаративных количеств фосфоресцентных циклометаллированных комплексов платины(II), золота(III) и иридия(III), способных к проявлению эффекта AIPE;
- исследование состава и структуры фосфоресцентных полимерных наночастиц – диблок-сополимерных мицелл с внедрёнными в них люминесцентными комплексами, образующими внутри мицелл агрегаты;
- исследование особенностей фотофизических свойств фосфоресцентных полимерных наночастиц, в том числе – эффекта разгорания фосфоресценции, вызванной агрегацией молекулярных эмиттеров (AIPE) в «ядрах» полимерных мицелл;
- оценка перспектив применимости полученных наночастиц в качестве нового класса наноразмерных сенсоров на кислород, способных к работе в режиме PLIM в биологических системах.
При решении поставленных задач будут использованы методы современной органической и координационной химии, химии высокомолекулярных соединений, а также подходы, используемые в физической химии и экспериментальной фотофизике и люминесцентной микроскопии. Все это свидетельствует о масштабности поставленных задач и комплексном междисциплинарном характере проекта.
Имеющийся у научного коллектива научный задел по проекту, наличие опыта совместной реализации проектов.
Все члены коллектива-исполнителя обладают существенным опытом совместной реализации проектов. В частности, данным коллективом в 2020-2022 г.г. был успешно выполнен проект РФФИ 20-53-S52001 «Фосфоресцентные полимерные мицеллы для времяразрешённого биосенсинга кислорода» (руководитель – П.С. Челушкин, исполнители – А.И. Соломатина, А.А. Елистратова, Н.А. Жарская). Кроме того, начиная с 2017 г. у руководителя проекта доцента, к.х.н. П.С. Челушкина вышло в печать 9 совместных статей с к.х.н. А.И. Соломатиной [1-9], 3 статьи - совместные работы с А.А. Елистратовой [9-11] и одна статья – совместно с Н.А. Жарской [8]. Отметим также, что за последний год (2022 г.) в печати вышли 2 статьи [8,12], в которых члены коллектива-исполнителя проекта представляют результаты своих первых исследований по изучению эффекта AIPE, в том числе – на примере одного комплекса платины(II) был обнаружен и исследован эффект разгорания фосфоресценции при внедрении комплекса в блок-сополимерные мицеллы на основе капролактона и этиленгликоля.
В последние 8 лет А.И. Соломатиной накоплен униклальный опыт по синтезу, характеризации, исследованию фотофизики люминесцентных комплексов переходных металлов и их применения в биомедицинских исследованиях [1-9], а у руководителя проекта П.С. Челушкина - начиная с 2004 года вышло 8 статей по приготовлению и исследованию блок-сополимерных мицелл в водных дисперсиях, в том числе – по мицеллам со встроенными в них люминофорами, совместно с А.И. Соломатиной [8,9], А.А. Елистратовой [9-10] и Н.А.Жарской [8].
За время совместной деятельности по направлению проекта членами коллектива были получены следующие результаты:
- был проведён комплекс работ по исследованию нековалентных аддуктов и ковалентных конъюгатов фосфоресцентных металлорганических комплексов с человеческим сывороточным альбумином [1, 3-4, 7, 9, 11] (при участии руководителя проекта, А.И. Соломатиной [1, 3-4, 7, 9], А.А. Елистратовой [9, 11]);
- был обнаружен и всесторонне исследован эффект разгорания люминесценции фосфиновых комплексов Pt(II) при взаимодействии с молекулами, содержащими имидазол (в том числе - белками и пептидами, содержащими гистидиновые аминокислотные остатки) [4, 6];
- была отработана методика загрузки фосфоресцентных металлорганических комплексов в блок-сополимерные мицеллы и проведена апробация таких систем для сенсинга кислорода в режиме PLIM [9];
- на примере одного комплекса платины(II) был обнаружен и исследован эффект разгорания фосфоресценции при внедрении комплекса в блок-сополимерные мицеллы на основе капролактона и этиленгликоля [8].
Помимо перечисленного выше “общенаучного” задела, применительно к конкретике рассматриваемого проекта у коллектива есть ряд наработок, которые позволяют более обоснованно судить об осуществимости отдельных направлений проекта:
1. В рамках статьи [12], опубликованной А.И. Соломатиной, были отработаны схемы синтеза платиновых комплесов Pt1-Pt5, а на примере комплекса Pt2 был отработан протокол его внедрения в мицеллы на основе капролактона и этиленгликоля (PCL-b-PEG), и на этой системе был обнаружен и исследован эффект разгорания фосфоресценции (AIPE) при внедрении комплекса в полимерные мицеллы [8]. Следует особо отметить, что данное исследование можно рассматривать как доказательство принципиальной достижимости целей проекта по направлению платиновых комплексов.
2. На данный момент проведены пробные синтезы комплексов Au1-Au3, и на данный момент оптимизируется методика очистки соединений, а также продолжаются исследования фотофизики данных систем.
Далее, была продемонстрирована способность комплексов к Au1 и Au3 проявлению эффекта AIPE при внедрении их в мицеллы PCL-b-PEG. Видно, что спектр люминесценции обоих комплексов при внедрении их в полимерные мицеллы демонстрирует сильный батохромный сдвиг по сравнению с исходным спектром комплекса в молекулярно дисперсном виде в органическом растворителе, что однозначно свидетельствует о проявлении эффекта AIPE. Таким образом, принципиальная возможность получения комплексов AuX и способность их к проявлению эффекта AIPE в водно-органической среде уже продемонстрирована.
3. На данный момент успешно воспроизведены литературные методики синтеза метки Ir1 и блок-сополимера PCL-b-PEG, отработана методика получения наночастиц Ir1@PCL-b-PEG, продемонстрировано, что подобные частицы стабильны при хранении и по отношению к препаративному центрифугированию. Проявление эффекта AIPE в данной системе пока не проверено.
4. В настоящее время в коллективе отработана методика синтеза блок-сополимера PCL-b-PEG и наработаны его препаративные количества, достаточные для выполнения планов первого года. Кроме того, имеются образцы блок-сополимеров с гидрофильным блоком ПЭГ (Mn = 5000) и рядом гидрофобных блоков: капролактон (PCL-b-PEG; Mn(PCL) = 5000), полиметилметакрилат (PMMA-b-PEG; Mn(PMMA) = 4000) и полибутадиен (PBd-b-PEG; Mn(PBd) = 3000), достаточные для проведения поисковых экспериментов.
