Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2020, T. 492-493, № 1, стр. 18-22

Широкое использование ионов Ln³⁺ в качестве люминесцирующих зондов связано с рядом особенностей их свечения по сравнению с органическими люминофорами [1–4]. Использование полимерных комплексов лантанидов в биомедицине позволяет пролонгировать их действие, в связи с чем актуальным является получение металлокомплексов на основе водорастворимых биосовместимых полимеров, содержащих хелатные звенья.

Особый интерес представляют сополимеры, содержащие лигандные звенья, способные обеспечивать внутримолекулярный перенос энергии с триплетного уровня лиганда на резонансные уровни иона лантанидов. При этом надо иметь в виду, что эффективность переноса энергии зависит не только от энергии триплетного уровня лиганда, но и от природы заместителей в нем и их взаимодействия с окружением [5].

Помимо применения полимерных лигандов при разработке люминесцирующих маркеров значительный интерес представляет их использование для получения комплексов с радионуклидами ¹⁶¹Tb³⁺ (период полураспада 6.906 суток), перспективных в ядерной медицине, в терапии онкологических заболеваний [6, 7].

Макромолекулярные комплексы (ММК) лантанидов для медико-биологических исследований должны обладать биосовместимостью, высокой растворимостью и устойчивостью в водных растворах. При высоком содержании хелатных групп в сополимере из-за стерических ограничений формируются координационно ненасыщенные ММК, что влияет на их фотофизические свойства [2]. Поэтому представляет интерес исследовать комплексы с невысоким содержанием (до 10 мол. %) хелатирующих звеньев.

Перспективным классом веществ, которые используются в качестве лигандов, являются карбоцепные полимеры с хелатирующими функциональными группами, в частности, (со)полимеры карбоновых кислот (акриловой, метакриловой, салициловой, аминобензойной, малеиновой) с нейтральными сомономерами, такими как алкилметакрилаты, стирол [8–10]. Карбоксильные группы (лиганды) прочно связывают ион лантанида, а сенсибилизирующий лиганд обеспечивает эффективность процесса переноса энергии электронного возбуждения (ЭЭВ) с триплетного уровня лиганда на резонансный уровень лантанида (антенный эффект).

В данной работе синтезированы водорастворимые сополимеры метакрилоиламидоглюкозы (2-деокси-N-метакрилоиламидоглюкоза) (МАГ) с содержанием хелатных групп метакрилоилацетона (МАЦ) (2-метил-1-гексен-3,5-дион) от 0.5 до 3.4 мол. %, метакриловой кислоты (МАК) – 10 мол. %, и исследованы условия формирования и фотолюминесценция их комплексов с ионами тербия; проведена оценка стабильности люминесценции комплексов в присутствии неорганических солей. Применение люминесцентных методов для исследования комплексообразования в растворе позволяет изучать процессы формирования комплексов без их выделения из раствора [11] при низких концентрациях, близких к тем, которые используют в ядерной медицине и биологических тестах [6, 7].

Сополимеры МАЦ (I) (2-метил-1-гексен-3,5-дион), МАГ (II) и МАК (III)

были получены радикальной сополимеризацией соответствующих мономеров в 30%-ном растворе ДМФА в присутствии ДАК (динитрил азобисизомасляной кислоты) при 65°С, реакцию вели в течение 24 ч [12, 13].

Строение и состав сополимеров подтвержден данными ЯМР-спектроскопии, УФ-спектроскопии и кондуктометрическим титрованием 0.1 N раствором NaOH. Синтезированные сополимеры содержали 0.5–3.4 мол. % МАЦ и 10 мол. % МАК, хорошо растворимы в воде. ММ сополимеров составляли 1.0 × 10⁵. Спектры возбуждения и люминесценции растворов сополимеров в присутствии ионов Tb³⁺ записывали на спектрофлуориметре LS-100 (фирма PTI, Канада). Концентрацию звеньев МАЦ в растворе варьировали от 2 × 10^–5 до 5.8 × 10^–4 моль/л.

На рис. 1 приведены спектры поглощения (а) и возбуждения (б) ионов тербия в растворах сополимера МАГ–МАЦ–МАК при различных концентрациях сополимера C_пол и Tb³⁺.

Смещение полос в спектрах поглощения сополимера при добавлении ионов Tb³⁺ подтверждает факт образования его комплекса со звеньями МАЦ (рис. 1а). Из рис. 1б, на котором приведены спектры возбуждения комплексов тербия с сополимером, видно, что с увеличением концентрации комплекса интенсивность полосы при 298 нм уменьшается, но растет интенсивность полосы с максимумом при 311 нм и при С_пол ≥ 0.2 мас. % спектры меняются незначительно. При С_пол ≥ ≥ 0.2 мас. % полоса с λ_макс = 298 нм присутствует в виде плеча (рис. 1б, кривая 4), в то время как при β = [Tb³⁺]/[МАЦ] = 0.1 основной является полоса λ_возб = 295 ± 3 нм, а полоса λ_возб = 310 нм присутствует в виде плеча при всех С_пол. Зависимость формы спектров возбуждения как от С_пол, так и от β = [Tb³⁺]/[МАЦ] свидетельствует о том, что центры возбуждения, то есть окружение иона тербия, имеют разную структуру. Меняется состав координационной сферы в полимерном комплексе и эффективность передачи ЭЭВ со звена МАЦ на ион тербия. Поэтому было исследовано влияние концентрации сополимера, ионов тербия и их соотношения в растворе, а также состава сополимера на фотофизические параметры люминесценции ионов тербия.

На рис. 2 приведены зависимости I₅₄₅ (положение основного максимума в спектре люминесценции тербия) от содержания ионов тербия в растворе сополимеров с различным содержанием звеньев МАЦ. Из рисунка видно, что в присутствии всех синтезированных сополимеров ионы Tb³⁺ люминесцируют. При концентрации ${{C}_{{{\text{T}}{{{\text{b}}}^{{{\text{3 + }}}}}}}}$ ≤ ≤ 1 × 10^–5 мол/л I₅₄₅ линейно растет с увеличением содержания тербия в растворе для сополимеров всех составов. Для сополимера, содержащего 0.5 мол. % МАЦ, зависимость выходит на плато. Выход на плато I₅₄₅ указывает на то, что все места, доступные для связывания, заняты. Можно предположить, что в этих условиях комплекс имеет постоянный состав: 1 ион тербия связан с 2 звеньями МАЦ. Для сополимеров с более высоким содержанием МАЦ I₅₄₅ медленно растет, достигая насыщения при ${{C}_{{{\text{T}}{{{\text{b}}}^{{{\text{3 + }}}}}}}}$ ≤ 1 × 10^–4 моль/л. Возможно это связано с тем, что образуются комплексы с разной стехиометрией, меняется соотношение звеньев МАЦ, метакриловой кислоты и молекул воды в координационной сфере, что оказывает заметное влияние на эффективность передачи ЭЭВ с триплета органического лиганда на резонансный уровень тербия и интенсивности люминесценции.

Перспективы применения комплексов в биомедицине требуют исследования стабильности люминесценции в условиях, приближающихся к физиологическим, по крайней мере, в присутствии ионов Na⁺, Ca²⁺. На рис. 3 приведено относительное изменение интенсивности люминесценции ионов тербия I/I₀ в комплексе с сополимером при добавлении NaCl или CaCl₂. Добавление соли практически не влияет на I₅₄₅ вплоть до концентраций 0.1–0.12 М, что свидетельствует о достаточно высокой стабильности сформированных комплексов в растворе. Компактизация макромолекулярного клубка, содержащего группы СОО^–, при добавлении солей уменьшает его гидратацию, что обеспечивает стабильность комплекса в этих условиях [10, 14].

Таким образом, синтезированные водорастворимые сополимеры МАГ, содержащие 0.5–3.4 мол. % МАЦ, при взаимодействии с ионами тербия (1 × 10^–5 М) в разбавленных водных растворах (С_пол ≤ 0.1 мас. %) образуют люминесцирующие комплексы, стабильные в водно-солевых (0.15 М) растворах NaCl или CaCl₂. Использование полимерных лигандов для связывания радионуклидов тербия открывает перспективы создания полифункциональных препаратов для одновременной визуализации и терапии поврежденных опухолями органов.