Fototermisk terapi (PTT) är en föreslagen behandling för sjukdomar som antibakteriellt resistenta infektioner och cancer, men trots över ett decennium av forskning, forskare har inte lyckats hitta ett säkert och effektivt kemiskt medel att använda i processen. Nu, ett team av forskare har designat en ny typ av organisk förening som kan användas som ett effektivt terapeutiskt medel.

Nyligen publicerad i tidskriften Angewandte Chemie , ett team av forskare ledda av forskare vid Molecular Foundry har visat att deras nya material, en typ av konjugerad polyelektrolyt (CPE), kan orsaka en minskning med 95 procent av antalet bakteriekolonier inom fem minuter under infraröd bestrålning. Detta fynd markerar ett av de första exemplen på att använda en CPE som ett aktivt medel i PTT.

Organiska polymerer tillverkas genom att koppla ihop många upprepade subenheter som pärlor på ett snöre. Om dessa underenheter innehåller joniska grupper, polymererna kallas polyelektrolyter, och i de fall då underenheterna är helt sammankopplade genom alternerande enkel- och dubbelbindningar, de kallas konjugerade polyelektrolyter. Deras unika egenskaper, som vattenlöslighet, ledningsförmåga, och ljusabsorption har lett till deras omfattande användning inom optoelektronik, avkänning, och bildbehandlingsapplikationer. Men CPE hade inte använts som fototermiska terapeutiska medel tidigare eftersom joniska polymerer som kan absorbera ljus i det nära infraröda (NIR) området, där det är mest önskvärt för PTT, är mycket sällsynta.

Forskargruppen ledd av Yi Liu, anläggningschef för gjuteriets anläggning för organiska och makromolekylära nanostrukturer, arbetade på en metod för att göra CPE för organiska elektrokemiska transistorer (OECTs). De antog att fästa de joniska (eller laddade) grupperna direkt till den konjugerade polymerens huvudkedja skulle producera effektiva OECT-aktiva material men upptäckte att deras material kan ha en annan användning.

"Vi utvecklade ett sätt att syntetisera en CPE från joniska azaquinodimetan (iAQM) byggstenar så att den bär laddningar och har ett av de lägsta observerade bandgaperna för denna typ av polymer, ", sa Liu. "Vi planerade ursprungligen inte att skapa ett material användbart för fototermisk terapi, men fann att den joniska polymeren vi gjorde också starkt absorberar nära-infrarött ljus."

Fototermisk terapi bygger på att använda ett aktivt kemiskt medel som absorberar ljus och avleder energin som värme. Guldnanopartiklar och kolallotroper har mest undersökts som de aktiva medlen i PTT, men båda lider av bristen på någon känd metabolisk nedbrytningsväg och kan vara skadliga för kroppen under långa tidsperioder. Organiska molekyler som CPE är ett lovande alternativ, eftersom de är mer benägna att metaboliseras av kroppen efter deras terapeutiska användning.

"Tidigare CPE har sällan visats ha hög fototermisk omvandlingseffektivitet, " sa Liu. "Vårt nydesignade iAQM-motiv är i sig joniskt, och en gång införlivad i polymer, det ger upphov till CPE med rätt absorptionsegenskaper för effektiv fototermisk omvandling. Laddningarna i CPE gör dem mer lösliga i polära lösningsmedel och därmed mer biologiskt relevanta eftersom de kan skräddarsys för att binda till specifika proteiner eller celler."

Forskarna använde röntgenstrålar vid Berkeley Labs Advanced Light Source för att bestämma strukturen på deras syntetiserade polymerer, så att de kan förstå hur molekylstrukturen påverkar polymerens prestanda.

Forskarna testade också sin polymer på kulturer av Staphylococcus aureus, ett modellsystem med relevans för antibiotikaresistent bakterieinfektion, och fann att kulturer behandlade med iAQM-polymeren som sedan bestrålades med 808 nm ljus resulterade i en 95-procentig minskning av antalet bakteriekolonier, jämfört med 30 procent behandlade med polymeren enbart och 10 procent endast bestrålade.

Resultaten visar att forskarnas metod att tillverka CPE är ett lovande sätt att göra funktionella joniska organiska halvledare med användbara egenskaper, och att iAQM-baserade CPE i synnerhet är potenta fototermiska antibakteriella medel.