Фотогенерация синглетного кислорода при возбуждении запрещенных переходов тиоксантеновых красителей в окне прозрачности биологических тканей

Шелковников В.В., Васильев Е.В., Русских В.В.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Шелковников В.В., Васильев Е.В., Русских В.В. Фотогенерация синглетного кислорода при возбуждении запрещенных переходов тиоксантеновых красителей в окне прозрачности биологических тканей // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 7. С. 102–115. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-102-115

Shelkovnikov V.V., Vasiliev E.V., Russkih V.V. Photogeneration of singlet oxygen by excitation of forbidden transitions of thioxanthene dyes in the transparency window in biolo-gical tissues [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 7. P. 102–115. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-102-115

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Ряд тиоксантеновых красителей, имеющих длинноволновую полосу поглощения в области спектра 480–590 нм и способных к прямому синглет-триплетному возбуждению излучением ближней инфракрасной области спектра. Цель работы. Определение квантового выхода генерации синглетного кислорода тиоксантеновыми красителями для их дальнейшего использования в качестве фотосенсибилизаторов в фотодинамической терапии. Метод. В основе исследований эффективности генерации синглетного кислорода красителем-сенсибилизатором лежит метод, предложенный Меркелом и Кирнсом, суть которого заключается в отслеживании спектроскопическими методами кинетики расходования ловушки синглетного кислорода 1,3-дифенилизобензофурана при возбуждении фотогенераторов синглетного кислорода. Основные результаты. Показана высокая эффективность некоторых тиопроизводных красителей ксантенового ряда в качестве генератора синглетного кислорода как в полосе основного поглощения, так и в плече синглет-триплетного поглощения. Сопоставление эффективности фотогенерации синглетного кислорода эритрозином и тиоэритрозином в окне прозрачности биологической ткани демонстрирует значительное влияние гетероциклического атома серы на фотоактивность триплетного уровня при воздействии на краситель излучения ближнего инфракрасного диапазона спектра. Практическая значимость. Предложенный подход ориентирован на разработку эффективных фотогенераторов синглетного кислорода для фотодинамической терапии. Тиоэрит-розин может быть использован как эффективный сенсибилизатор синглетного кислорода при воздействии излучения ближней инфракрасной области.

Ключевые слова:

генератор синглетного кислорода, сенсибилизатор синглетного кислорода, тиоксантеновые красители, фотодинамическая терапия

Благодарность:

авторы выражают благодарность Химическому исследовательскому центру коллективного пользования СО РАН за проведение спектральных и аналитических измерений

Коды OCIS: 170.5150, 160.4760, 160.2120

Список источников:

1. Wang Y., Lin Y., He S., et al. Singlet oxygen: Properties, generation, detection, and environmental applications // J. Hazard Mater. 2024. Jan 5: 461:132538. https://doi:10.1016/j.jhazmat.2023.132538
2. Mondal S., Jethwa R., Pant B., et al. Singlet oxygen formation in non-aqueous oxygen redox chemistry: Direct spectroscopic evidence for formation pathways and reliability of chemical probes // Faraday Discussions. 2023. V. 248. P. 175–189. https://doi.org/10.1039/D3FD00088E
3. Nidheesh P.V., Boczkaj G., Ganiyu S., et al. Generation, properties, and applications of singlet oxygen for wastewater treatment: A review // Environmental Chem. Lett. 2024. V. 23. https://doi.org/10.1007/s10311-024-01798-0
4. Гельфонд М.Л., Рогачев М.В. Фотодинамическая терапия. Фундаментальные и практические аспекты. Учеб. пособ. СПб.: НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова, 2018. 148 с.
Gelfond M.L., Rogachev M.V. Photodynamic therapy. Fundamental and practical aspects. Tutorial [in Russian]. St. Petersburg: N.N. Petrov National Medical Research Center of Oncology, 2018. 148 p.
5. Батаев С.М., Циленко К.С., Осипов А.Н. и др. Основы фотодинамической терапии, клиническая практика и перспективы применения в детской хирургии. Обзор литературы // Российский вестник детской хирургии, анестезиологии и реаниматологии. 2022. Т. 12. № 4. С. 461–472. https://doi.org/10.17816/psaic936
Bataev S.M., Tsilenko K.S., Osipov A.N., et al. Fundamentals of photodynamic therapy, clinical practice and
prospects of application in pediatric surgery. Literature review [in Russian] // Russian Bulletin of Pediatric Surgery, Anesthesiology and Resuscitation. 2022. V. 12. № 4. P. 461–472. https://doi.org/10.17816/psaic936
6. Серебряков В.А., Папаян Г.В., Астахов Ю.С. и др. Альтернативный подход к лазерным методам лечения сосудистых патологий глаза // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 11. С. 15–30.
Serebryakov V.A., Papayan G.V., Astakhov Yu.S., et al. Alternative approach to laser methods of treating vascular pathologies of the eye // J. Opt. Technol. 2014. V. 81. № 11. P. 631–641.https://doi.org/10.1364/JOT.81.000631
7. Коршунова О.В., Плехова Н.Г. Фотодинамическая терапия в онкологии: настоящее и будущее // Тихоокеанский медицинский журнал. 2020. Т. 4. С. 15–19. https://doi.org/10.34215/1609-1175-2020-4-15-19
Korshunova O.V., Plekhova N.G. Photodynamic therapy in oncology: Present and future [in Russian] // Pacific Medical J. 2020. № 4. P. 15–19. https://doi.org/10.34215/1609-1175-2020-4-15-19
8. Красновский А.А. (мл.) Фотодинамическая регуляция биологических процессов: первичные механизмы // Проблемы регуляции в биологических системах / Под общей ред. Рубина А.Б. М., Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2006. 480 c.
Krasnovsky A.A. (jr.) Photodynamic regulation of biological processes: primary mechanisms // Problems of regulation in biological systems [in Russian] / Ed. Rubin A.B. Moscow, Izhevsk: Scientific Research Center "Regular and Chaotic Dynamics", 2006. 480 p.
9. Ищук А.В. Фотодинамическая терапия: история развития метода и его практическое применение в лечении гнойных ран и трофических язв нижних конечностей различной этиологии во 2-м хирургическом отделении Брестской областной больницы // Современные технологии в медицине: материалы Юбил. науч.-практ. конф., посвящ. 65-летию Брестской обл. больницы. Брест, 2009. С. 226–240.
Ishchuk A.V. Photodynamic therapy: The history of the development of the method and its practical application in the treatment of purulent wounds and trophic ulcers of the lower extremities of various etiologies in the 2nd surgical department of the Brest Regional Hospital [in Russian] // Modern Technologies in Medicine: Materials of the Jubilee. Scientific and Practical Conf., Dedicated to the 65th Anniversary of the Brest Regional Hospital. Brest, 2009. P. 226–240
10. Дадеко А.В., Муравьева Т.Д., Стародубцев А.М. и др. Изучение фотофизических свойств водорастворимого фотосенсибилизатора порфириновой природы — димегина // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 3. С. 71–75.
Dadeko A.V., Murav’eva T.D., Starodubtsev A.M., et al. Study of the photophysical properties of a water-soluble photosensitizer of porphyrin nature-dimegin // J. Opt. Technol. 2016. V. 83. № 3. P. 193–196. https://doi.org/10.1364/JOT.83.000193
11. Зимняков Д.А., Тучин В.В. Оптическая томография тканей // Квант. электрон. 2002. Т. 32. № 10. С. 849–857.
Zimnyakov D.A. Tuchin V.V. Optical tomography of tissues // Quant. Electron. 2002. V. 32. P. 849. https://doi.org/10.1070/QE2002v032n10ABEH002307
12. Багров И.В., Белоусова И.М., Гренишин А.С. и др. Модернизированный генератор синглетного кислорода на базе пористых твердофазных фуллеренсодержащих структур // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 10. С. 35–41.
Bagrov I.V., Belousova I.M., Grenishin A.S., et al. Modernized singlet-oxygen generator based on porous solid-phase fullerene-containing structures // J. Opt. Technol. 2012. V. 79. № 10. P. 636–640. https://doi.org/10.1364/JOT.79.000636
13. Arbogast J.W., Darmanyan A.P., Foote Ch.S., et al. Photophysical properties of C60 // J. Phys. Chem. 1991. V. 95. P. 11–12. https://doi.org/10.1021/j100154a006
14. Ren L., Jing Z., Xia F., et al. Toxic effect of fullerene and its derivatives upon the transmembrane β2-adrenergic receptors // Molecules. 2022. V. 27. № 14. P. 4562. https://doi.org/10.3390/molecules27144562
15. Bonnett R. Photosensitizers of the Porphyrin and Phthalocyanine series for photodynamic therapy // Chem. Soc. Rev. 1995. V. 24. P. 19–33. https://doi.org/10.1039/CS9952400019
16. Самцов М.П., Воропай Е.С., Каплевский К.Н. и др. Генерация синглетного кислорода индотрикарбоцианиновыми красителями в малополярных средах // ЖПС. 2008. Т. 75. № 5. C. 738–746.
Samtsov M.P., Voropai E.S., Kaplevskii K.N., et al. Generation of singlet oxygen by indotricarbocyanine dyes in low-polarity media // J. Appl. Spectrosc. 2008. V. 75. № 5. P. 692–699. https://doi.org/10.1007/s10812-008-9102-x
17. Özçil F., Yükrük F. Evaluation of singlet oxygen generators of novel water-soluble perylene diimide photosensitizers // RSC Adv. 2023 May 22. V. 13. № 23. P. 15416–15420. https://doi.org/10.1039/d3ra02338a
18. Wood S., Metcalf D., Devine D., et al. Erythrosine is a potential photosensitizer for the photodynamic therapy of oral plaque biofilms // J. Antimicrobial Chemotherapy. 2006. V. 57. P. 680–684. https://doi.org/10.1093/jac/dkl021
19. Mousavi S.H., Tavakkol-Afshari J., Brook A., et al. Direct toxicity of Rose Bengal in MCF-7 cell line: Role of apoptosis // Food Chem. Toxicol. 2009. V. 47. P. 855–859. https://doi.org/10.1016/j.fct.2009.01.018
20. Broady R., Yu J., Levings M.K. Pro-tolerogenic effects of photodynamic therapy with TH9402 on dendritic cells // J. Clin. Apheresis. 2008. V. 23. P. 82 91. https://doi.org/10.1002/jca.20162
21. Багров И.В., Белоусова И.М., Киселев В.М. и др. Генерация синглетного кислорода при взаимодействии излучения с молекулярными структурами. Обзор // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 2. С. 3–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-02-03-17
Bagrov I.V., Belousova I.M., Kiselev V.M., et al. Generation of singlet oxygen when radiation interacts with molecular structures: Review // J. Opt. Technol. 2019. V. 86. № 2. P. 66–76. https://doi.org/10.1364/JOT.86.000066
22. Шелковников В.В., Пен Е.Ф., Ковалевский В.И. и др. Голографическая запись на запрещенных синглеттриплетных электронных переходах // Опт. и спектроск. 2004. T. 97. № 6. C. 970–977.
Shelkovnikov V.V., Pen E.F., Kovalevskii V.I., et al. Holographic recording on the basis of forbidden singlettriplet electronic transitions // Opt. and Spectrosc. 2004. V. 97. № 6. P. 970–977. https://doi.org/10.1134/1.1843960
23. Merkel P.B., Kearns D.R. Direct measurement of the lifetime of 1Δ oxygen in solution // Chem. Phys. Lett. 1971. V. 12. № 1. P. 120–121.
24. Spikes J.D., Lier J.E., Bommer J.С. A comparison of the photoproperties of zinc phthalocyanine and zinc naphthalocyanine tetrasulfonates: Model sensitizers for the photodynamic therapy of tumors // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1995. V. 91. P. 193–198. https://doi.org/10.1016/1010-6030(95)04129-3
25. Entradas T., Waldron S., Volk M. The detection sensitivity of commonly used singlet oxygen probes in aqueous environments // J. Photochem. Photobiol. B. 2020. V. 204. P. 111787. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2020.111787
26. Lam S.K., Lo D. Time-resolved spectroscopic study of phosphorescence and delayed fluorescence of dyes in silica-gel glasses // Chem. Phys. Lett. 1997. V. 281. P. 35–43. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(97)01172-X
27. Кецле Г.А., Левшин Л.В., Сойников Ю.А. Влияние тяжелого атома на термостимулированную замедленную флуоресценцию и фосфоресценцию ксантеновых красителей // Опт. и спектроск. 1982. Т. 82. № 4. С. 657–662.
Ketzle G.A., Levshin L.V., Soynikov Yu.A. The effect of a heavy atom on thermally stimulated delayed fluorescence and phosphorescence of xanthene dyes [in Russian] // Opt. and Spectrosc. 1982. V. 82. № 4. P. 657–662.
28. Gandin E., Lion Y., Van De Vors A. Quantum yield of singlet oxygen production by xanthene derivatives // Photochem. and Photobiol. 2008. V. 37. № 3. P. 271–278. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1983.tb04472.x
29. Giraud M., Valla A., Bazin M., et al. A new water-soluble singlet oxygen probe // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1982. P. 1147–1148. https://doi.org/10.1039/C39820001147
30. Русских В.В., Васильев Е.В., Шелковников В.В. Бромированные и иодированные тиофлуоресцеины // Журнал органической химии. 2008. Т. 44. № 10. С. 1559–1563.
Russkikh V.V., Vasil'ev E.V., Shelkovnikov V.V. Brominated and iodinated thiofluoresceins // Russian J. Organic Chem. 2008. V. 44. № 10. P. 1538–1542. https://doi.org/10.1134/S1070428008100242
31. Васильев Е.В., Шелковников В.В., Русских В.В. Сенсибилизация галоидными производными ксантеновых и тиоксантеновых красителей фотополимерных материалов в режиме импульсной записи // Химия высоких энергий. 2010. Т. 44. № 3. С. 232–238.
Vasil'ev E.V., Shelkovnikov V.V., Russkikh V.V. Sensitization of photopolymer materials by halogenated derivatives of xanthene and thioxanthene dyes in the pulsed recording mode // High Energy Chemistry. 2010. V. 44. № 3. P. 204–210. https://doi.org/10.1134/S0018143910030082
32. Hoebeke M., Damoiseau X. Determination of the singlet oxygen quantum yield of bacteriochlorin: A comparative study in phosphate buffer and aqueous dispersion of dimiristoyl-L-phosphatidylcholine liposomes // Photochem. Photobiol. Sci. 2002. № 1. P. 283–287. https://doi.org/10.1039/b201081j
33. Мельников М.Я., Иванов В.Л. Экспериментальные методы химической кинетики. Фотохимия / Учеб. пособ. М.: изд. Моск. ун-та, 2004. 125 с.
Melnikov M.Ya., Ivanov V.L. Experimental methods of chemical kinetics. Photochemistry [in Russian] / Textbook. Moscow: Moscow University Press, 2004. 125 p.
34. Эмануэль Н.М., Кузьмин М.Г. Экспериментальные методы химической кинетики. Фотохимия. М.: изд. Моск. ун-та, 1985. 252 с.
Emanuel N.M., Kuzmin M.G. Experimental methods of chemical kinetics. Photochemistry [in Russian]. Moscow: Moscow University Press, 1985. 252 p.
35. Ibrayev N., Seliverstova E., Valiev R., et al. The effect of heavy atoms on the deactivation of electronic excited states of dye molecules near the surface of metal nanoparticles // Phys. Chem. Chem. Phys. 2024. V. 26. P. 25986–25993. https://doi.org/10.1039/D4CP02621G
36. Zhang X.-F., Zhang I., Liu L. Photophysics of halogenated fluoresceins: Involvement of both intramolecular electron transfer and heavy atom effect in the deactivation of excited states // Photochem. and Photobiol. 2010. V. 86. P. 492–498. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.2010.00706.x
37. Соловьев К.Н., Борисевич Е.А. Внутримолекулярный эффект тяжелого атома в фотофизике органических молекул // УФН. 2005. Т. 175. № 3. С. 247–270. https://doi.org/10.3367/UFNr.0175.200503b.0247
Solovyov K.N., Borisevich E.A. Intramolecular heavyatom effect in the photophysics of organic molecules // Phys. — Uspekhi. 2005. V. 48. № 3. P. 231–253. https://doi.org/10.1070/PU2005v048n03ABEH001761