UACH > VÝZKUM > Fotofunkční anorganické molekuly a materiály > Klastrové komplexy přechodných kovů

Klastrové komplexy přechodných kovů


Kontaktní osoby: Kamil Lang, Kaplan Kirakci

Zaměřujeme se na nové klastrové komplexy na bázi přechodných kovů (např. Mo, W, Re, Cu) a využíváme jich jako biomateriály mající fotodynamické a radiosensitizační vlastnosti (Obr. 1). Mnohé z těchto komplexů mají vysoké kvantové výtěžky luminiscence a jsou velmi účinnými sensitizátory singletového kyslíku O2(1g). Jako první jsme prokázali, že tyto klastry jsou vhodnými molekulami pro fotodynamickou terapii rakovinných nádorů. Jsme také průkopníky studia radioluminiscenčních vlastností klastrů a jejich využití ve fotodynamické terapii indukované rentgenovým zářením.

Obrázek 1. (A) Příklad molekulové struktury Cu(I) klastrů: Cu4I4(pyridin)4. Značení atomů: Cu (tmavě žlutá), I (fialová), N (modrá), C (černá), pro zjednodušení byly odstraněny vodíkové atomy. (B) Příklad molekulové struktury oktaedrických Mo(II) klastrů: [Mo6I8(adamantan)6]2-. Značení atomů: Mo (modrá), I (fialová), O (červená), C (černá), pro zjednodušení byly odstraněny vodíkové atomy.

 

Singletový kyslík

Singletový kyslík O2(1g) je excitovaná molekula molekulárního kyslíku. Je to reaktivní částice spoluzodpovědná za fototoxicitu fotosensitizátorů při jejich aplikaci ve fotodynamické terapii (PDT). Vzniká přenosem energie mezi excitovanými tripletovými stavy fotosensitizátoru a molekulárním kyslíkem (Obr. 2). Tyto vlastnosti O2(1g) spojené s krátkou dobou života v buňkách a tím jeho malou difuzní vzdáleností (d ~ 150-190 nm) vedou k jeho velké selektivitě pro destrukci cílových rakovinových buněk. Z důvodu reaktivity má O2(1g) také výrazné baktericidní a virucidní účinky, které jsou základem pro účinnou metodu pro boj s mikroorganismy (často rezistentní) – antimikrobiální fotodynamická inaktivace.

Vybrané publikace:
K. Lang, J. Mosinger, D. M. Wagnerová: Pokroky ve fotochemii singletového kyslíku. Chem. listy 99 (2005) 211-221.
K. Lang, J. Mosinger, D. M. Wagnerová: Photophysical properties of porphyrinoid sensitizers noncovalently bound to host molecules; models for photodynamic therapy. Coord. Chem. Rev. 248/3-4 (2004) 321-350.
K. Lang, J. Mosinger, P. Kubát: Nanofibers and nanocomposite films for singlet oxygen-based applications. Chapter 15, pp. 305 – 321. Singlet Oxygen: Applications in Biosciences and Nanosciences (Vol. 1), S. Nonell, C. Flors (Eds.), European Society for Photobiology 2016. The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK.

Obrázek 2. Vznik singletového kyslíku přenosem energie mezi excitovanými tripletovými stavy fotosensitizátoru a molekulárním kyslíkem. Typické fotosensitizátory: oktaedrické molybdenové a wolframové klastry, porfyriny, ftalocyaniny.

 

Luminiscence a radioluminiscence klastrů

Komplexy jodidu měďného s krychlovou strukturou (Obr. 1A) mají výjimečné luminiscenční vlastnosti. Tyto komplexy se dají snadno syntetizovat, mají vysoké luminiscenční kvantové výtěžky a jsou vystavěny z těžkých prvků (vysoké Z). Proto jsme studovali jejich interakci s rentgenovým zářením a navrhli jsme jejich využití v oblasti scintilačních materiálů (Obr. 3).

Vybrané publikace:
Kirakci, K. Fejfarová, J. Martinčík, M. Nikl, K. Lang: Tetranuclear copper(I) iodide complexes: A new class of X-ray phosphors. Inorg. Chem. 56 (2017) 4610 – 4615.

Obrázek 3. (A) Fotoluminiscence Cu(I) komplexů při 365 nm excitaci a její porovnání (B) s radioluminiscencí při ozařování rentgenovým zářením (CuKα, 40 kV, 30 mA).

 

Klastry jako fotosensitizátory a radiosensitizátory singletového kyslíku

Oktaedrické molybdenové nebo wolframové klastry (M6) jsou nanometrové agregáty šesti Mo(II) nebo W(II) atomů, které jsou stabilizovány osmi pevně vázanými vnitřními ligandy (Li), obvykle atomy halogenů, a šesti labilním anorganickými/organickými ligandy (La) (Obr. 4, viz také Obr 1B pro konkrétní případ). Po excitaci rentgenovým zářením nebo světlem (UV až zelené světlo) tyto komplexy tvoří dlouhožijící tripletové stavy, které relaxují červenou-NIR luminiscencí s vysokými kvantovými výtěžky. Tato luminiscence se účinně zháší kyslíkem za vzniku O2(1g) ve vysokých výtěžcích. Na rozdíl od běžně používaných fotosensitizátorů (porfyriny, ftalocyaniny, etc.), které po agregaci ztrácejí možnost tvorby O2(1g), komplexy M6 zůstávají účinnými producenty O2(1g) i v jejich agregované formě. Díky této vlastnosti a díky snadné volbě ligandů La, a tak snadného řízení vlastností M6, lze využívat M6 v biologických aplikacích, jak v jejich molekulární formě, tak ve formě nanomateriálů.
Prokázali jsme, že fotosensitizátory M6 aktivované světlem lze využít v rámci fotodynamické terapie (PDT) nebo pro fotoinaktivaci rezistentních baktérií. Také jsme jako první využili tyto klastry jako radiosensitizátory v PDT indukované rentgenovým zářením (Obr. 5). Rentgenové záření má výhodu oproti světlu v tom, že proniká takřka bez omezení do tkání a tak dosáhne i do míst, které jsou nepřístupné světlu. Foto/radioluminescence těchto klastrů má také potenciál pro diagnostické popř. analytické účely.

Obrázek 4. Struktura oktaedrických molybdenových nebo wolframových klastrů (M6). Modře jsou vyznačeny atomy kovu(II), Li jsou vnitřní ligandy, La jsou vnější labilní ligandy.

 


Obrázek 5. Schematické znázornění funkce nanočástic radiosensitizátoru Mo6 (červená kulička) v PDT indukované rentgenovým zářením.

Vybrané publikace:
K. Kirakci, J. Zelenka, M. Rumlová, J. Cvačka, T. Ruml, K. Lang: Cationic octahedral molybdenum cluster complexes functionalized with mitochondria-targeting ligands: photodynamic anticancer and antibacterial activity. Biomater. Sci. 7 (2019) 1386 – 1392.
K. Kirakci, J. Zelenka, M. Rumlová, J. Martinčík, M. Nikl, T. Ruml, K. Lang: Octahedral molybdenum clusters as radiosensitizers for X-ray induced photodynamic therapy. J. Mater. Chem. B 6 (2018) 4301 – 4307.
K. Kirakci, P. Kubát, K. Fejfarová, J. Martinčík, M. Nikl, K. Lang: X-ray-inducible luminescence and singlet oxygen sensitization by an octahedral molybdenum cluster compound: A new class of nanoscintillators. Inorg. Chem. 55 (2016) 803−809.
K. Kirakci, P. Kubát, J. Langmaier, T. Polívka, M. Fuciman, K. Fejfarová, K. Lang: A comparative study of the redox and excited state properties of (nBu4N)2[Mo6X14] and (nBu4N)2[Mo6X8(CF3COO)6] (X = Cl, Br, or I). Dalton Trans. 42 (2013) 7224-7232.
K. Kirakci, P. Kubát, M. Dušek, K. Fejfarová, V. Šícha, J. Mosinger, K. Lang: A Highly luminescent hexanuclear molybdenum cluster: a promising candidate toward photoactive materials. Eur. J. Inorg. Chem. (2012) 3107-3111.

 

Klastry jako radiokontrastní látky

Oktaedrické klastrové komplexy Re (např. [{Re6Q8}(CN)6]4–, kde Q je S, Se, nebo Te), mají malou toxicitu, malé kvantové výtěžky luminiscence, avšak mohou být využity jako radiokontrastní látky.

Vybrané publikace:
A. Ivanov, D. I. Konovalov, T. N. Pozmogova, A. O. Solovieva, A. R. Melnikov, K. A. Brylev, N. V. Kuratieva, V. V. Yanshole, K. Kirakci, K. Lang, S. N. Cheltygmasheva, N. Kitamura, L. V. Shestopalova, Y. V. Mironov, M. A. Shestopalov: The water-soluble Re6-clusters with aromatic phosphine ligands – from synthesis to potential biomedical applications. Inorg. Chem. Front. 6 (2019) 882-892.