Зонды лантаноидов
Неинвазивный аналитический инструмент

Зонды лантаноидов являются неинвазивным [1] аналитическим инструментом , обычно используемым для биологических и химических применений. Лантаноиды — это ионы металлов, у которых заполнен их энергетический уровень 4f, и обычно относятся к элементам от церия до лютеция в периодической таблице . [2] Флуоресценция солей лантаноидов слабая, поскольку поглощение энергии металлическим ионом низкое; поэтому чаще всего используются хелатные комплексы лантаноидов. [3] Термин хелат происходит от греческого слова «коготь» и применяется для обозначения лигандов, которые присоединяются к иону металла с двумя или более атомами-донорами через дативную связь . Флуоресценция наиболее интенсивна, когда ион металла имеет степень окисления 3+. Не все металлы лантаноиды могут быть использованы, и наиболее распространенными являются: Sm(III), Eu(III), Tb(III) и Dy(III). [3]

История

EuFOD, пример европиевого комплекса

С начала 1930-х годов было известно, что соли некоторых лантаноидов флуоресцируют. [4] Реакция солей лантаноидов с нуклеиновыми кислотами обсуждалась в ряде публикаций 1930-х и 1940-х годов, где лантансодержащие реагенты использовались для фиксации структур нуклеиновых кислот. [3] В 1942 году было обнаружено, что комплексы европия , тербия и самария проявляют необычные люминесцентные свойства при возбуждении УФ-светом . [3] Однако первое окрашивание биологических клеток лантаноидами произошло двадцать лет спустя, когда бактериальные мазки E. coli были обработаны водными растворами комплекса европия, которые при освещении ртутной лампой выглядели как ярко-красные пятна. [1] Внимание к зондам лантаноидов значительно возросло в середине 1970-х годов, когда финские исследователи предложили полиаминокарбоксилаты Eu(III), Sm(III), Tb(III) и Dy(III) в качестве люминесцентных сенсоров в иммуноанализах с временным разрешением (TRL). [1] Оптимизация аналитических методов с 1970-х годов для хелатов лантаноидов и люминесцентной микроскопии с временным разрешением (TRLM) привела к использованию зондов лантаноидов во многих научных, медицинских и коммерческих областях. [1]

Методы

Существует два основных метода анализа: гетерогенный и гомогенный. Если два хелата лантаноидов используются в анализе один за другим, это называется гетерогенным анализом. [4] Первый аналит связывается со специфическим связывающим агентом на твердой подложке, такой как полимер , а затем другая реакция соединяет первый плохо люминесцентный комплекс лантаноидов с новым, более эффективным. [1] [4] Этот утомительный метод используется, потому что второе более люминесцентное соединение не будет связываться без уже присутствующего первого аналита. Последующее временное разрешение обнаружения металл-центрированного люминесцентного зонда дает желаемый сигнал. Антигены , стероиды и гормоны обычно анализируются с помощью гетерогенных методов. Гомогенные анализы основаны на прямом связывании метки лантанида с органическим акцептором. [1]

Релаксация возбужденных состояний молекул часто происходит путем испускания света, который называется флуоресценцией. Существует два способа измерения этого испускаемого излучения: как функции частоты ( обратной длине волны ) или времени. [4] Традиционно спектр флуоресценции показывает интенсивность флуоресценции на разных длинах волн, но поскольку лантаноиды имеют относительно большое время затухания флуоресценции (от одной микросекунды до одной миллисекунды), можно регистрировать флуоресцентное излучение на разных временах затухания от заданной энергии возбуждения в нулевой момент времени. Это называется флуоресцентной спектроскопией с временным разрешением. [5]

Механизм

Лантаноиды могут быть использованы, поскольку их малый размер ( ионный радиус ) дает им возможность замещать ионы металлов внутри белкового комплекса, такого как кальций или никель . Оптические свойства ионов лантаноида, таких как Ln(III), возникают из-за особенностей их электронных конфигураций [Xe]4f n . [4] Эти конфигурации генерируют множество электронных уровней, число которых определяется как [14!/n!(14- n)!], что соответствует 3003 энергетическим уровням для Eu(III) и Tb(III). [1]

Энергии этих уровней хорошо определены из-за экранирования 4f-орбиталей заполненными 5s- и 5p-подоболочками [4] и не очень чувствительны к химическим средам, в которые вставлены ионы лантаноидов. Переходы 4f-4f внутренней оболочки охватывают как видимый, так и ближний инфракрасный диапазоны. [1] Они резкие и легко распознаваемые. Поскольку эти переходы запрещены по четности, время жизни возбужденных состояний велико, что позволяет использовать спектроскопию с временным разрешением [4] , что является определяющим фактором для биоанализов и микроскопии. Единственным недостатком ff-переходов являются их слабые силы осцилляторов, которые на самом деле могут быть превращены в преимущество. [1]

Энергия, поглощенная органическим рецептором (лигандом), передается на возбужденные состояния Ln(III), и острые полосы излучения, исходящие от иона металла, обнаруживаются после быстрого внутреннего преобразования на излучающий уровень. [1] Это явление называется сенсибилизацией металл-центрированного комплекса (также называемого антенным эффектом) и является довольно сложным. [4] Однако путь миграции энергии проходит через долгоживущее триплетное состояние лиганда. Ионы Ln(III) являются хорошими тушителями триплетных состояний, поэтому фотообесцвечивание существенно снижается. Три типа переходов, наблюдаемых для зондов лантаноидов, это: LMCT, 4f-5d и внутриконфигурационный 4f-4f. Первые два обычно происходят при энергиях, слишком высоких, чтобы быть актуальными для биоприложений. [1] [4]

Приложения

Исследования рака

Инструменты скрининга для разработки новых методов лечения рака пользуются большим спросом во всем мире и часто требуют определения кинетики ферментов. [1] Высокая чувствительность люминесценции лантаноидов, особенно люминесценции с временным разрешением, оказалась идеальным кандидатом для этой цели. Существует несколько способов проведения этого анализа с использованием флуорогенных субстратов ферментов, субстратов, несущих донорно-акцепторные группы, позволяющие осуществлять резонансный перенос энергии флуоресценции (FRET) и иммуноанализы. Например, белки, связывающие гуаниновые нуклеотиды, состоят из нескольких субъединиц, одна из которых включает субъединицы подсемейства Ras . [1] Ras GTPases действуют как бинарные переключатели, преобразуя гуаденозинтрифосфат ( GTP ) в гуаденозиндифосфат ( GDP ). Люминесценция комплекса Tb(III) с норфлоксацином чувствительна для определения концентрации фосфата, высвобождаемого при трансформации GTP в GDP. [1]

pH-зонды

Протонирование основных участков в системах, включающих хромофор и люминесцентный металлический центр, открывает путь для датчиков pH. [4] Некоторые первоначально предложенные системы были основаны на производных пиридина, но они не были стабильны в воде. [1] Были предложены более надежные датчики, в которых ядро ​​представляет собой замещенный макроцикл, обычно несущий фосфинатные , карбоксилатные или четыре амидные координирующие группы. Было замечено, что эмиссия люминесцентного зонда лантанида увеличивается примерно в шесть раз при снижении pH раствора с шести до двух. [1]

Датчик перекиси водорода

Перекись водорода может быть обнаружена с высокой чувствительностью с помощью люминесценции зондов лантаноидов, однако только при относительно высоких значениях pH. Аналитическая процедура на основе лантаноидов была предложена в 2002 году на основе открытия того, что комплекс европия с различными тетрациклинами связывает перекись водорода, образуя люминесцентный комплекс. [1]

Оценка размера молекулы и расстояний между атомами

FRET в лантаноидных зондах — широко используемый метод измерения расстояния между двумя точками, разделенными примерно 15–100 ангстремами. [6] Измерения можно проводить в физиологических условиях in vitro с генетически кодированными красителями, а часто и in vivo. Метод основан на дистанционно-зависимом переносе энергии от донорного флуорофора к акцепторному красителю. Лантаноидные зонды использовались для изучения ДНК-белковых взаимодействий (с использованием хелатного комплекса тербия ) для измерения расстояний в комплексах ДНК, изогнутых белком CAP. [6]

Конформация белка

Зонды лантаноидов использовались для обнаружения конформационных изменений в белках. Недавно с помощью этой техники был измерен калиевый ионный канал Шейкера [6] , потенциалзависимый канал, участвующий в нервных импульсах. [7] Некоторые ученые также использовали резонансный перенос энергии люминесценции на основе лантаноидов (LRET), который очень похож на FRET, для изучения конформационных изменений в РНК-полимеразе при связывании с ДНК и инициации транскрипции у прокариот. LRET также использовался для изучения взаимодействия белков дистрофина и актина в мышечных клетках. Дистрофин присутствует во внутренней мембране мышечной клетки и, как полагают, стабилизирует мышечные волокна, связываясь с актиновыми нитями. Были использованы специально меченый дистрофин с мечеными моноклональными антителами Tb. [6]

Вирусология

Традиционные процедуры диагностики вирусов заменяются чувствительными иммуноанализами с лантанидами. Методика, основанная на флуоресценции с временным разрешением, обычно применима, и ее эффективность также была протестирована при анализе вирусных антигенов в клинических образцах. [6]

Медицинская визуализация

Было предложено несколько систем, которые объединяют возможности МРТ с зондами лантаноидов в двойных анализах. [4] Люминесцентный зонд может, например, служить для локализации контрастного агента МРТ. [8] Это помогло визуализировать доставку нуклеиновых кислот в культивируемые клетки. Лантаноиды используются не из-за их флуоресценции, а из-за их магнитных свойств. [8] [9]

Биология - Взаимодействие рецептора и лиганда

Зонды лантаноидов демонстрируют уникальные свойства флуоресценции, включая длительное время жизни флуоресценции, большой сдвиг Стокса и узкий пик испускания. Эти свойства очень выгодны для разработки аналитических зондов для взаимодействий рецептор-лиганд. Многие исследования флуоресценции на основе лантаноидов были разработаны для GPCR , включая CXCR1 , [10] рецептор пептида семейства инсулиноподобных 2, [11] рецептор, активируемый протеазой 2 , [12] β2-адренергический рецептор [13] и рецептор C3a . [14]

Инструментарий

Излученные возбужденными лантаноидами фотоны обнаруживаются высокочувствительными устройствами и методами, такими как однофотонное обнаружение. Если время жизни возбужденного излучающего уровня достаточно велико, то для улучшения отношения сигнал/шум можно использовать детектирование с временным разрешением (TRD). [5] Приборы, используемые для выполнения LRET, относительно просты, хотя и немного сложнее обычных флуориметров. Общими требованиями являются импульсный источник УФ-возбуждения и детектирование с временным разрешением.

Источники света, излучающие короткие импульсы, можно разделить на следующие категории: [3]

Наиболее важными факторами при выборе источника импульсного света являются длительность и интенсивность света. [3] Импульсные лазеры для диапазона от 300 до 500 нм теперь заменили искровые колпачки во флуоресцентной спектроскопии. Существует четыре основных типа используемых импульсных лазеров: лазеры с импульсным возбуждением, лазеры с G-переключением, лазеры с синхронизированными модами и лазеры с резонаторным сбросом. Импульсные азотные лазеры (337 нм) часто использовались в качестве источника возбуждения во флуорометрии с временным разрешением. [3]

В разрешенной по времени флуорометрии быстрая фотоумножительная трубка является единственным практичным детектором одиночных фотонов. Хорошее разрешение одиночных фотонов также является преимуществом при подсчете фотонов от флуоресцентных зондов с длительным затуханием, таких как хелаты лантаноидов. [4]

Эти коммерческие приборы доступны на рынке сегодня: микрофильтрующий флуориметр Perkin-Elmer LS-2, люминесцентный спектрометр Perkin-Elmer, модель LS 5, и флуориметр с временным разрешением LKB-Wallac , модель 1230. [3]

Лиганды

Лиганды зондов лантаноидов должны соответствовать нескольким химическим требованиям для правильной работы зондов. Эти качества: растворимость в воде, большая термодинамическая стабильность при физиологических значениях pH , кинетическая инертность и поглощение выше 330 нм для минимизации разрушения живых биологических материалов. [1]

Хелаты, которые были изучены и использованы на сегодняшний день, можно разделить на следующие группы: [3]

  1. Трис-хелаты (три лиганда)
  2. Тетракис-хелаты (четыре лиганда)
  3. Смешанные лигандные комплексы
  4. Комплексы с нейтральными донорами
  5. Другие, такие как: фталатные , пикратные и салицилатные комплексы.

Эффективность передачи энергии от лиганда к иону определяется связью лиганд-металл. Передача энергии более эффективна при ковалентной связи, чем при ионной связи. [15] Заместители в лиганде, которые являются электронодонорными, такими как гидрокси- , метокси- и метильные группы, усиливают флуоресценцию. [3] Противоположный эффект наблюдается при присоединении электроноакцепторной группы (такой как нитро). [3] [4] Кроме того, интенсивность флуоресценции увеличивается при замещении фтора в лиганде. Передача энергии к иону металла увеличивается, поскольку электроотрицательность фторированной группы делает связь европий-кислород более ковалентной. Показано, что повышенное сопряжение ароматическими заместителями путем замены фенильных групп нафтильными усиливает флуоресценцию. [15]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghijklmnopqr Бюнзли, Жан-Клод Г. (12 мая 2010 г.). «Люминесценция лантаноидов для биомедицинского анализа и визуализации». Chemical Reviews . 110 (5): 2729– 2755. doi :10.1021/cr900362e. PMID  20151630.
  2. ^ Хаус, Джеймс (2013). Неорганическая химия (2-е изд.). Уолтем, Массачусетс: Elsevier/Academic Press. ISBN 978-0123851109.
  3. ^ abcdefghijk Soini, Erkki; Lövgren, Timo; Reimer, Charles B. (январь 1987). «Разрешенная во времени флуоресценция зондов лантаноидов и ее применение в биотехнологии». CRC Critical Reviews in Analytical Chemistry . 18 (2): 105– 154. doi :10.1080/10408348708542802.
  4. ^ abcdefghijklm Bünzli, под ред. J.-CG; Choppin, GR (1989). Зонды лантаноидов в науках о жизни, химии и земле: теория и практика . Амстердам: Elsevier. ISBN 978-0444881991. {{cite book}}: |first1=имеет общее название ( помощь )
  5. ^ аб Хеммиля, И.; Лаитала, В. (июль 2005 г.). «Прогресс в области лантаноидов как люминесцентных зондов». Журнал флуоресценции . 15 (4): 529–542 . doi : 10.1007/s10895-005-2826-6. PMID  16167211. S2CID  9978828.
  6. ^ abcde Selvin, Paul R. (июнь 2002 г.). «Принципы и биофизические применения зондов на основе лантаноидов». Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure . 31 (1): 275– 302. doi :10.1146/annurev.biophys.31.101101.140927. PMID  11988471.
  7. ^ Turro, C; Fu, PK; Bradley, PM (2003). «Ионы лантаноидов как люминесцентные зонды белков и нуклеиновых кислот». Ионы металлов в биологических системах . 40 : 323–53 . PMID  12723154.
  8. ^ ab Heffern, Marie C.; Matosziuk, Lauren M.; Meade, Thomas J. (23 апреля 2014 г.). «Зонды лантаноидов для биочувствительной визуализации». Chemical Reviews . 114 (8): 4496– 4539. doi :10.1021/cr400477t. PMC 3999228 . PMID  24328202. 
  9. ^ Aime, Silvio; Fasano, Mauro; Terreno, Enzo (1998). "Хелаты лантаноидов (III) для биомедицинских приложений ЯМР". Chemical Society Reviews . 27 (1): 19. doi :10.1039/A827019Z.
  10. ^ Inglese, J.; Samama, P.; Patel, S.; Burbaum, J.; Stroke, IL; Appell, KC (1998-02-24). "Взаимодействия рецепторов хемокинов и лигандов, измеренные с использованием флуоресценции с временным разрешением". Biochemistry . 37 (8): 2372– 2377. doi :10.1021/bi972161u. ISSN  0006-2960. PMID  9485384.
  11. ^ Шабанпур, Фазель; Хьюз, Ричард А.; Батгейт, Росс АД; Чжан, Суоде; Скэнлон, Денис Б.; Линь, Фэн; Хоссейн, Мохаммед Ахтер; Сепарович, Фрэнсис; Уэйд, Джон Д. (июль 2008 г.). «Твердофазный синтез человеческого INSL3, меченного европием, как новый зонд для изучения лиганд-рецепторных взаимодействий». Bioconjugate Chemistry . 19 (7): 1456– 1463. doi :10.1021/bc800127p. ISSN  1520-4812. PMID  18529069.
  12. ^ Хоффман, Джастин; Флинн, Андреа Н.; Тиллу, Дипти В.; Чжан, Чжэньюй; Патек, Рената; Прайс, Теодор Дж.; Вагнер, Йозеф; Бойтано, Скотт (17.10.2012). «Метчение лантанидами сильного агониста активированного протеазой рецептора-2 для анализа флуоресценции с временным разрешением». Bioconjugate Chemistry . 23 (10): 2098– 2104. doi :10.1021/bc300300q. ISSN  1520-4812. PMC 3556274. PMID 22994402  . 
  13. ^ Мартиккала, Эйя; Лехмусто, Мирва; Лиля, Минна; Розвандович-Янсен, Анита; Лунден, Дженни; Томохиро, Такенори; Ханнинен, Пекка; Петая-Репо, Улла; Хярмя, Харри (15 сентября 2009 г.). «Клеточный анализ связывания бета2-адренергического рецептора с лигандом с использованием синтезированных лигандов, меченных европием, и флуоресценции с временным разрешением». Аналитическая биохимия . 392 (2): 103–109 . doi :10.1016/j.ab.2009.05.022. ISSN  1096-0309. ПМИД  19464246.
  14. ^ Dantas de Araujo, Aline; Wu, Chongyang; Wu, Kai-Chen; Reid, Robert C.; Durek, Thomas; Lim, Junxian; Fairlie, David P. (31.05.2017). «Меченый европием синтетический белок C3a как новый флуоресцентный зонд для рецептора комплемента C3a человека» (PDF) . Биоконъюгатная химия . 28 (6): 1669– 1676. doi :10.1021/acs.bioconjchem.7b00132. ISSN  1043-1802. PMID  28562031.
  15. ^ ab Сэмюэл, Аманда PS; Сюй, Джид; Рэймонд, Кеннет Н. (19 января 2009 г.). «Прогнозирование эффективных антенных лигандов для эмиссии Tb(III)». Неорганическая химия . 48 (2): 687– 698. doi :10.1021/ic801904s. PMID  19138147. S2CID  28774044.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lanthanide_probes&oldid=1211992075"