На стыке химии и медицины: как ученые создают красители для диагностики рака и безопасных светодиодов

В рамках нашей рубрики о молодых ученых ИОХ РАН мы продолжаем знакомить читателей с исследователями, чьи научные статьи были опубликованы в ведущих журналах в 2024 году. Герой сегодняшнего выпуска — Тимофей Николаевич Чмовж, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Лаборатории полисераазотистых гетероциклических соединений.

Области научных интересов Тимофея охватывают разработку новых гетероциклических соединений на основе кислорода, серы, азота и селена, а также создание органических светодиодов и биомаркеров — веществ, способных избирательно окрашивать биологические объекты. В центре его исследований находятся электроноакцепторные структуры и донорно-акцепторные (D–A–D) системы, способные эффективно испускать свет.

Одна из таких работ, опубликованная в 2024 году в Journal of Materials Chemistry C, посвящена созданию новых красителей, излучающих в так называемом «глубоком» инфракрасном диапазоне — от 900 до 1100 нанометров. Это область спектра, важная для медицины, в частности, для визуализации опухолевых клеток, а также для разработки приборов ночного видения. В центре молекулы, разработанной учеными, — уникальный селенсодержащий акцепторный блок, а в качестве доноров выступили производные карбазола и дигидроиндолов.

Подробнее — в интервью ниже.

• Чему посвящены Ваши научные исследования в целом? Какую фундаментальную научную или практическую задачу Вы пытаетесь решить?

В настоящее время я занимаюсь несколькими научными направлениями. Первое направление касается разработки новых электроноакцепторных систем на основе халькогенадиазолов, конденсированных с различными ароматическими и гетероароматическими циклами. Второе направление уже связано с синтезом целевых донорно-акцепторных красителей на основе таких электроноакцепторных фрагментов для органических светодиодов и биологических маркеров. Главная научная задача, которая стоит перед нами, — создание высокоэффективных светоизлучающих соединений, которые пригодны как для изготовления безопасных для организма человека светодиодов. Таких светодиодов, которые не имели бы синюю компоненту в своем спектре излучения. Именно эта компонента представляет угрозу для человеческого глаза и может вызывать физиологические нарушения в организме человека.  Кроме того, мы разрабатываем новые красители, излучающие свет в диапазоне от 900-1300 нанометров, которые могут найти применение как в онкологии для маркировки опухолевых клеток, так и изготовлении светодиодов, излучающих свет в ИК-диапазоне.

• Расскажите о Вашей последней высокорейтинговой работе[1], опубликованной в 2024 году. В чем ее основная идея?

Наша последняя работа посвящена разработке новых красителей типа D-A-D на основе перспективного акцепторного фрагмента — 1,2,5-селенадиазоло[3,4-d]пиридазина. Роль донорных билдинг-блоков сыграли молекулы карбазола и производные дигидроиндолов. Неожиданно оказалось, что такие соединения стабильно фосфоресцировали в области от 900-1100 нанометров, что в свою очередь является достаточно редким явлением для такого рода простых структур. Проведенные испытания цитотоксичности на клетках инфузории туфельки (Paramecium caudatum) показали, что клетка под воздействием нового вещества, которое содержало именно карбазольные донорные фрагменты, не испытала никаких вредных воздействий, во всяком случае в той концентрации красителя, в которой его могли бы применять медики для окрашивания клеток. Поэтому мы верим, что наши исследования будут полезны для будущих онкологических исследований.

• Где и каким образом могут быть использованы полученные в этой работе результаты?

Полученные результаты могут быть полезны в онкологии для маркировки опухолевых клеток.

• В чем сложность, и с какими трудностями Вы столкнулись во время выполнения этого исследования?

Главная сложность данной работы заключалась в синтезе самих целевых структур. Наиболее удобными субстратами для необходимых модификаций являются дигалогензамещенные гетероциклы. Однако оказалось, что центральный акцепторный блок 1,2,5-селенадиазоло[3,4-d]пиридазина с двумя атомами брома является нестабильным химическим соединением, который быстро гидролизовался под действием молекул воды. Чтобы избежать этого, нам пришлось разрабатывать альтернативный метод, который заключался в проведении реакции in situ между 4,5-диамино-3,6-дибромпиридазином и ароматическими аминами в присутствии SeO2. Такой подход позволил нам получать продукты как моно-, так и бис-замещения с хорошими выходами.

• Помогал ли Вам кто-нибудь в решении возникающих проблем?

Наша работа — настоящее командное взаимодействие! Вместе с нашими коллегами из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН были детально исследованы оптические характеристики целевых молекул. Коллегой из Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова были проведены исследования по определению цитотоксичности. Отдельно хотел бы выразить благодарность студенту нашей Лаборатории № 31 Рахимкулову Дадожону Муроджоновичу за помощь в синтезе ключевых молекул, а также нашему заведующему д.х.н., проф. Ракитину Олегу Алексеевичу. Спасибо всем, кто принимал участие в данной работе.

• Есть ли у Вас дальнейшие планы по развитию этого направления исследования?

Далее мы планируем переходить к более сложным структурам на основе 1,2,5-селенадиазоло[3,4-d]пиридазина, добавляя различные пи-сопряженные линкеры и новые донорные фрагменты.  Это необходимо для того, чтобы целевые вещества испускали свет в еще более длинноволновой области спектра.

• Каким образом Вы попали в химию?

В детстве я хотел заниматься биологией, вплоть до 8 класса. Я был уверен, что стану биологом. Но! В 9 классе я начал заниматься с репетитором по химии, которая буквально влюбила меня в эту науку. Затем я поступил в химико-биологический класс в школе № 192, где активно продолжал заниматься химией. После окончания школы поступил на Химический факультет МГУ и успешно его окончил.

• Как оказались в ИОХе?

В ИОХе я оказался благодаря своей учительнице по химии Елене Евгеньевне Шевелевой, которая работает также в ИОХ РАН. Она посоветовала мне поговорить с Ириной Васильевной Веселой, которая отвечала за прием в аспирантуру. Когда я пришел к Ирине Васильевне, она сказала мне, что Олег Алексеевич Ракитин ищет себе аспиранта и познакомила меня с ним. Так я оказался в аспирантуре ИОХ РАН, в Лаборатории № 31.

• Какими, на Ваш взгляд, качествами должен обладать современный ученый?

Я думаю, что современный ученый должен быть целеустремленным и трудолюбивым. Он должен никогда не останавливаться на достигнутых результатах. Всегда стараться доводить дело до конца. Конечно, ученый должен обладать пытливым умом и желанием постоянно развиваться. Тяга к знаниям — вот что определяет его жизненный путь!

• Какой совет можете дать своим коллегам?

Своим коллегам я мог бы посоветовать никогда не сдаваться, идти до конца и всегда стараться в своем научном направлении находить ту «изюминку», которая будет востребована в современном научном мире.