Químicos do MIT projetaram um novo tipo de molécula fluorescente que eles esperam poder ser usada para aplicações como gerar imagens mais nítidas de tumores.

O novo corante é baseado em um íon borênio — uma forma de boro com carga positiva que pode emitir luz na faixa do vermelho ao infravermelho próximo. Até recentemente, esses íons eram instáveis demais para serem usados em imagens ou outras aplicações biomédicas.

Em um estudo publicado hoje na Nature Chemistry , os pesquisadores demonstraram que conseguiam estabilizar íons de borênio ligando-os a um ligante. Essa abordagem permitiu a criação de filmes, pós e cristais contendo borênio, todos os quais emitem e absorvem luz na faixa do vermelho e do infravermelho próximo.

Isso é importante porque a luz infravermelha próxima é mais fácil de ver ao criar imagens de estruturas profundas nos tecidos, o que pode permitir imagens mais nítidas de tumores e outras estruturas do corpo.

"Uma das razões pelas quais nos concentramos no vermelho para o infravermelho próximo é porque esses tipos de corantes penetram no corpo e nos tecidos muito melhor do que a luz na faixa UV e visível. A estabilidade e o brilho desses corantes vermelhos são os desafios que tentamos superar neste estudo", afirma Robert Gilliard, professor de Química da Novartis no MIT e autor sênior do estudo.

O pesquisador do MIT, Chun-Lin Deng, é o autor principal do artigo. Outros autores incluem Bi Youan (Eric) Tra, PhD '25, o ex-aluno visitante de pós-graduação Xibao Zhang e o aluno de pós-graduação Chonghe Zhang.

A maioria das imagens fluorescentes utiliza corantes que emitem luz azul ou verde. Esses agentes de imagem funcionam bem em células, mas não são tão úteis em tecidos, pois os baixos níveis de fluorescência azul e verde produzidos pelo corpo interferem no sinal. A luz azul e verde também se espalha no tecido, limitando sua penetração.

Agentes de imagem que emitem fluorescência vermelha podem produzir imagens mais nítidas, mas a maioria dos corantes vermelhos é inerentemente instável e não produz um sinal brilhante, devido ao seu baixo rendimento quântico (a proporção de fótons fluorescentes emitidos por fóton de luz absorvido). Para muitos corantes vermelhos, o rendimento quântico é de apenas cerca de 1%.

Entre as moléculas que podem emitir luz infravermelha próxima estão os cátions de borênio — íons carregados positivamente que contêm um átomo de boro ligado a três outros átomos.

Quando essas moléculas foram descobertas pela primeira vez em meados da década de 1980, eram consideradas "curiosidades de laboratório", diz Gilliard. Essas moléculas eram tão instáveis que precisavam ser manuseadas em um recipiente selado chamado "glovebox" para protegê-las da exposição ao ar, que pode levar à sua decomposição.

Mais tarde, os químicos perceberam que poderiam tornar esses íons mais estáveis ligando-os a moléculas chamadas ligantes. Trabalhando com esses íons mais estáveis, o laboratório de Gilliard descobriu em 2019 que eles tinham algumas propriedades incomuns: podiam responder a mudanças de temperatura emitindo diferentes cores de luz.

Entretanto, naquele momento, “havia um problema substancial, pois eles ainda eram muito reativos para serem manuseados ao ar livre”, diz Gilliard.

Seu laboratório começou a trabalhar em novas maneiras de estabilizá-los ainda mais usando ligantes conhecidos como carbodicarbenos (CDCs), relatados em um  estudo de 2022. Graças a essa estabilização, os compostos agora podem ser estudados e manipulados sem o uso de uma caixa de luvas. Eles também são resistentes à degradação pela luz, ao contrário de muitos compostos anteriores à base de borênio.

No novo estudo, Gilliard começou a experimentar com os ânions (íons com carga negativa) que fazem parte dos compostos CDC-borênio. Os pesquisadores descobriram que as interações entre esses ânions e o cátion borênio geram um fenômeno conhecido como acoplamento de éxcitons. Esse acoplamento, descobriram eles, deslocava as propriedades de emissão e absorção das moléculas em direção à extremidade infravermelha do espectro de cores. Essas moléculas também geravam um alto rendimento quântico, permitindo que brilhassem com mais intensidade.

“Não só estamos na região correta, como a eficiência das moléculas também é muito adequada”, diz Gilliard. “Estamos com percentuais na casa dos trinta para os rendimentos quânticos na região vermelha, o que é considerado alto para essa região do espectro eletromagnético.”

Os pesquisadores também mostraram que podiam converter seus compostos contendo borênio em vários estados diferentes, incluindo cristais sólidos, filmes, pós e suspensões coloidais.

Para imagens biomédicas, Gilliard prevê que esses materiais contendo borênio possam ser encapsulados em polímeros, permitindo que sejam injetados no corpo para uso como corante de imagem. Como primeiro passo, seu laboratório planeja trabalhar com pesquisadores do departamento de química do MIT e do Instituto Broad do MIT e de Harvard para explorar o potencial da geração de imagens desses materiais dentro das células.

Devido à sua capacidade de resposta à temperatura, esses materiais também podem ser utilizados como sensores de temperatura, por exemplo, para monitorar se medicamentos ou vacinas foram expostos a temperaturas muito altas ou baixas durante o transporte.

Se incorporadas em filmes finos, essas moléculas também podem ser úteis como diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs), particularmente em novos tipos de materiais, como telas flexíveis, diz Gilliard.

“Os altíssimos rendimentos quânticos alcançados no infravermelho próximo, combinados com a excelente estabilidade ambiental, tornam essa classe de compostos extremamente interessante para aplicações biológicas”, afirma Frieder Jaekle, professor de química da Universidade Rutgers, que não participou do estudo. “Além da utilidade óbvia em bioimagem, a emissão forte e ajustável no infravermelho próximo também torna esses novos fluoróforos muito atraentes como materiais inteligentes para antifalsificação, sensores, interruptores e dispositivos optoeletrônicos avançados.”

Além de explorar possíveis aplicações para esses corantes, os pesquisadores agora estão trabalhando para estender sua emissão de cor para a região do infravermelho próximo, o que esperam alcançar incorporando átomos de boro adicionais. Esses átomos de boro extras podem tornar as moléculas menos estáveis, por isso os pesquisadores também estão trabalhando em novos tipos de carbodicarbenos para ajudar a estabilizá-las.

A pesquisa foi financiada pela Fundação Arnold e Mabel Beckman e pelos Institutos Nacionais de Saúde.