Synthese neuer Fluorophore für die biologische Bildgebung

Die optische Bildgebung hat das Potenzial, verschiedene Krankheiten, wie zum Beispiel verschiedene Krebsarten, rechtzeitig zu diagnostizieren und personalisierte "Roadmaps" für ihre Behandlung zu erstellen. Die Suche nach neuen Leuchtstoffen, die als effiziente Biomarker eingesetzt werden können, ist heutzutage eine entscheidende Aufgabe. Unter allen Fluorophoren sind die vielversprechendsten Kandidaten jene, die eine Emission in der roten Infrarot-Region aufweisen, weil die Transmission durch lebendes Gewebe ausreichend groß ist und die Streuung in der rot-infraroten Region niedrig ist. Bei Rotemittern gehören Europium-basierte Koordinationsverbindungen mit ihrer metallzentrierten roten Emission (612-615 nm) aufgrund der langen Lebensdauer der angeregten Zustände, der großen Stokes-Verschiebung und der hohen Quantenausbeute von bis zu 80% zu den vielversprechenden Klassen solcher Materialien, was auch für die zeitaufgelöste Mikroskopie verwendet werden könnte. Unter den NIR- und IR-Emittern haben Pyrrolopyrrolcyanin-Farbstoffe einzigartige photophysikalische Eigenschaften. Aus diesem Grund sind sie für biologische Bildgebungsexperimente von großem Interesse.

Lanthaniden-basierte Verbindungen und ihre Konjugate mit molekularen Transportern

Lanthaniden, nämlich die Elemente von Ce bis Lu, sind eine einzigartige Reihe von Elementen. Die Abschirmung der 4f-Orbitale führt zu speziellen spektroskopischen Eigenschaften mit paritätsverbotenen f-f-Absorptionen mit sehr niedrigem molarem Extinktionskoeffizienten und charakteristischer schmaler Linienemission. Das Problem der niedrigen f-f-Absorption wird durch Chromophorliganden gelöst, die an das Metall komplexieren, was als Antenneneffekt bezeichnet wird.

Die aktuelle Forschung widmet sich dem Design neuer Ln-basierter Lumineszenzsonden mit verbesserten photophysikalischen Eigenschaften, um Fluorophore für fortgeschrittene biologische Anwendungen (wie z. B. zeitaufgelöste Mikroskopie oder FRET-Bioassays) zu erhalten. Das Forschungsprojekt besteht aus 3 wichtigen Meilensteinen, nämlich (i) der Optimierung der Struktur von Ln-basierten Verbindungen in Bezug auf Stabilität, Löslichkeit und Lumineszenz; (ii) Modifikation der Verbindungen mit Linkern, im Detail die Herstellung der Sonden für weitere Konjugation und (iii) die Konjugation der Ln-basierten Sonden mit molekularen Transportern ist. Verschiedene Klassen von Ln-basierten Verbindungen können untersucht werden. Beispielsweise konnten wir zeigen, dass Eu-Fluorobenzoate geeignete Verbindungen für die zelluläre Bildgebung und den Tintenstrahldruck sind. [1,2].

Wir haben ebenfalls mehrere Ansätze entwickelt, um die Effizienz von Lanthaniden-basierten Sonden zu erhöhen.

1. Die Einführung von zusätzlichem Metall als zusätzlicher Sensibilisierungsweg [1,2].
2. Die Einführung eines zusätzlichen Liganden als zusätzlichen absorbierenden und sensibilisierenden Teil [3].

Aufgrund der starken Koordination von Lanthanoiden an 1,10-Phenanthrolinliganden und deren Derivate mit Peptoiden können Lanthanoidkomplexe unter Verwendung von Koordinationsbindungen verknüpft werden.

Alternativ könnte eine Chelatgruppe (z.B. DTPA) in die Peptoidstruktur eingebaut werden [4].

Publikationsliste:

[1] Kalyakina A.S., Bräse S. et al. Eur. J. Chem. 2015, 21, 17921-32

[2] Kalyakina A.S., Bräse S. et al. Eur. J. Chem. 2017, 23, 14944-53.

[3] Kalyakina A.S., Bräse S. et al. Chem. Commun. 2018, 54, 5221-4.

[4] Kölmel D. K., Bräse S. et al. Eur. J. Org. Chem. 2013, 2761–2765.

DOTA-ähnliche cyclische Peptoide und ihre Ln-Komplexe

Unter den verschiedenen Eigenschaften von zyklischen Peptoiden, die als Peptidomimetika verwendet werden, wurde kürzlich über ihre Fähigkeit, verschiedene Metallionen zu koordinieren, berichtet. Die Anwesenheit mehrerer Donoratome erleichtert die Koordination des Lanthanoid (III)-Ions innerhalb des cyclischen Peptoids. Ihre Wasserlöslichkeit, die für viele Lanthanoidkomplexe schwierig zu erreichen ist, verleiht einer solchen Verbindung ein großes Potential für viele biologische Anwendungen. Der Chelatbildner DOTA, der eine hohe Affinität zum dreiwertigen Lanthanoid-Ion aufweist, ist in der Therapie und Diagnostik, z. als MRI-Kontrastmittel, von Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Bibliothek von DOTA-ähnlichen Peptoiden mit Carboxylfunktion synthetisiert. Um den Antenneneffekt sicherzustellen, wurde der sensibilisierende Teil als π-konjugiertes System, wie ein Benzolring, über eine Peptoid-Seitenkette eingeführt. Ein anderer Weg zur Einführung eines Sensibilisators ist die Verwendung von heterocyclischen Einheiten während der Peptoidsynthese, die zusätzliche Koordinationsstellen innerhalb des Zyklus ergeben und die Koordination des Lanthanidenions innerhalb der Bindungstasche fördern. Daher wurden zwei Arten von DOTA-ähnlichen zyklischen Peptoiden sowie Eu (III) -Komplexe mit ihnen untersucht.