Les chimistes du MIT ont conçu un nouveau type de molécule fluorescente qu'ils espèrent pourraient être utilisés pour des applications telles que la génération d'images plus claires de tumeurs.
Le nouveau colorant est basé sur un ion borénium – une forme de bore chargée positivement qui peut émettre de la lumière dans la plage rouge à proche infrarouge. Jusqu'à récemment, ces ions ont été trop instables pour être utilisés pour l'imagerie ou d'autres applications biomédicales.
Dans une étude apparaissant aujourd'hui dans Chimie de la natureles chercheurs ont montré qu'ils pouvaient stabiliser les ions de borénium en les attachant à un ligand. Cette approche leur a permis de créer des films, des poudres et des cristaux contenant du borénium, qui émettent et absorbent tous la lumière dans la plage rouge et proche infrarouge.
C'est important car la lumière quasi IR est plus facile à voir lorsque l'imagerie structure profondément dans les tissus, ce qui pourrait permettre des images plus claires de tumeurs et d'autres structures dans le corps.
L'une des raisons pour lesquelles nous nous concentrons sur le rouge à presque IR est que ces types de colorants pénètrent beaucoup mieux le corps et les tissus que la lumière dans les UV et la plage visible. La stabilité et la luminosité de ces colorants rouges sont les défis que nous avons essayé de surmonter dans cette étude. «
Robert Gilliard, professeur de chimie Novartis au MIT et auteur principal de l'étude
Le chercheur du MIT Chun-Lin Deng est l'auteur principal de l'article. Les autres auteurs incluent Bi Youan (Eric) TRA PhD '25, l'ancien étudiant diplômé en visite Xibao Zhang et l'étudiant diplômé Chonghe Zhang.
Borénium stabilisé
L'imagerie la plus fluorescente repose sur des colorants qui émettent un feu bleu ou vert. Ces agents d'imagerie fonctionnent bien dans les cellules, mais ils ne sont pas aussi utiles dans les tissus car de faibles niveaux de fluorescence bleu et vert produits par le corps interfèrent avec le signal. Le feu bleu et vert se disperse également dans les tissus, limitant la profondeur de sa pénétration.
Les agents d'imagerie qui émettent de la fluorescence rouge peuvent produire des images plus claires, mais la plupart des colorants rouges sont intrinsèquement instables et ne produisent pas de signal brillant, en raison de leurs faibles rendements quantiques (le rapport des photons fluorescents émis par photon de lumière est absorbé). Pour de nombreux colorants rouges, le rendement quantique n'est que d'environ 1%.
Parmi les molécules qui peuvent émettre une lumière infrarouge proche figurent des cations de borénium – des ions chargés de la place contenant un atome de bore attaché à trois autres atomes.
Lorsque ces molécules ont été découvertes pour la première fois au milieu des années 80, elles ont été considérées comme des «curiosités de laboratoire», dit Gilliard. Ces molécules étaient si instables qu'elles devaient être manipulées dans un récipient scellé appelé boîte à gants pour les protéger de l'exposition à l'air, ce qui peut les conduire à se décomposer.
Plus tard, les chimistes ont réalisé qu'ils pouvaient rendre ces ions plus stables en les attachant aux molécules appelées ligands. En travaillant avec ces ions plus stables, le laboratoire de Gillliard a découvert en 2019 qu'ils avaient des propriétés inhabituelles: à savoir, ils pouvaient répondre aux changements de température en émettant différentes couleurs de lumière.
Cependant, à ce moment-là, « il y avait un problème substantiel en ce qu'ils étaient encore trop réactifs pour être traités en plein air », explique Gilliard.
Son laboratoire a commencé à travailler sur de nouvelles façons de les stabiliser davantage à l'aide de ligands appelés carbodicarbenes (CDC), qu'ils ont rapportés dans une étude en 2022. En raison de cette stabilisation, les composés peuvent désormais être étudiés et manipulés sans utiliser de boîte à gants. Ils résistent également à la décomposition par la lumière, contrairement à de nombreux composés précédents à base de borénium.
Dans la nouvelle étude, Gilliard a commencé à expérimenter les anions (ions chargés négativement) qui font partie des composés CDC-Borenium. Les interactions entre ces anions et le cation borénium génèrent un phénomène connu sous le nom de couplage d'exciton, ont découvert les chercheurs. Ce couplage, a-t-ils trouvé, a déplacé les propriétés d'émission et d'absorption des molécules vers l'extrémité infrarouge du spectre de couleurs. Ces molécules ont également généré un rendement quantique élevé, leur permettant de briller plus brillamment.
« Non seulement nous sommes dans la bonne région, mais l'efficacité des molécules est également très appropriée », explique Gilliard. « Nous sommes jusqu'à des pourcentages dans les années 30 pour les rendements quantiques dans la région rouge, qui est considéré comme élevé pour cette région du spectre électromagnétique. »
Applications potentielles
Les chercheurs ont également montré qu'ils pouvaient convertir leurs composés contenant du borénium en plusieurs états différents, notamment des cristaux solides, des films, des poudres et des suspensions colloïdales.
Pour l'imagerie biomédicale, Gilliard envisage que ces matériaux contenant du borénium pourraient être encapsulés dans des polymères, ce qui leur permet d'être injecté dans le corps pour l'utiliser comme colorant d'imagerie. Dans une première étape, son laboratoire prévoit de travailler avec des chercheurs du département de chimie du MIT et du Broad Institute of MIT et Harvard pour explorer le potentiel de l'imagerie de ces matériaux dans les cellules.
En raison de leur réactivité de la température, ces matériaux pourraient également être déployés sous forme de capteurs de température, par exemple, pour surveiller si les médicaments ou les vaccins ont été exposés à des températures trop élevées ou faibles pendant l'expédition.
« Pour tout type d'application où le suivi de la température est important, ces types de » thermomètres moléculaires « peuvent être très utiles », explique Gilliard.
S'ils sont incorporés dans des couches minces, ces molécules pourraient également être utiles en tant que diodes émettantes organiques (OLED), en particulier dans de nouveaux types de matériaux tels que les écrans flexibles, dit Gilliard.
En plus d'explorer les applications possibles pour ces colorants, les chercheurs travaillent maintenant à étendre leur émission de couleur plus loin dans la région proche infrarouge, qu'ils espèrent réaliser en incorporant des atomes de bore supplémentaires. Ces atomes de bore supplémentaires pourraient rendre les molécules moins stables, de sorte que les chercheurs travaillent également sur de nouveaux types de carbodicarbenes pour les stabiliser.
La recherche a été financée par la Fondation Arnold et Mabel Beckman et les National Institutes of Health.
