Fluoreszierend chiral

2. März 2023

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von der Sophia-Universität

Diabetes mellitus, kurz Diabetes genannt, ist eine Stoffwechselstörung, die durch ungewöhnlich hohe Glukosekonzentrationen im Blut gekennzeichnet ist. Bestehende Methoden zur Diagnose von Diabetes basieren auf herkömmlichen Techniken zum Nachweis von Glukose in Blutserumproben – ein Prozess, der normalerweise langwierig und teuer ist.

Bei der molekularen Erkennung handelt es sich um die Wissenschaft des genauen Nachweises spezifischer Verbindungen durch Ausnutzung ihrer Bindungseigenschaften. Dabei bindet ein Rezeptormolekül – eine Art Sensor – selektiv an ein Zielmolekül. Dieser Prozess löst eine Reaktion aus, beispielsweise eine Änderung der Fluoreszenz. Dadurch wird das Ziel erkannt. Chemische Sensoren, spezielle Polymere und einige Katalysetechniken basieren auf diesem Prinzip.

Trotz der jahrzehntelangen Fortschritte bei der molekularen Erkennung bleibt die Entwicklung von Rezeptoren zum Nachweis chiraler (oder asymmetrischer) Moleküle eine Herausforderung. Durch Chiralität entstehen Enantiomerenpaare, die nicht überlagerbare „Spiegelbilder“ desselben Moleküls sind. Sie haben identische physikalische und chemische Eigenschaften, aber unterschiedliche biologische Funktionen. Aufgrund ihrer ähnlichen Struktur sind sie schwer voneinander zu unterscheiden. Daher müssen Forscher komplexe und teure Techniken wie Hochleistungsflüssigkeitschromatographie anwenden, um sie voneinander zu unterscheiden.

Vor diesem Hintergrund hat eine Gruppe von Forschern, darunter Professor Takashi Hayashita und Dr. Yota Suzuki vom Department of Materials and Life Sciences der Sophia University, eine völlig neue Fluoreszenzerkennungsmethode zum Nachweis von D-Glucose, einem chiralen Monosaccharid, entwickelt Wasser. Ihre Arbeit wurde am 20. Dezember 2022 online verfügbar gemacht und am 27. Januar 2023 in ACS Sensors veröffentlicht.

Dr. Hayashita beschreibt die Motivation hinter der Forschung: „Die meisten Ansätze zur Entwicklung chemischer D-Glucose-Sensoren erfordern komplizierte Synthesen, weisen häufig eine schlechte Wasserlöslichkeit und manchmal eine schlechte Selektivität auf. Daher wurde ein neuartiger Nachweismechanismus entwickelt.“

Die Forscher entwickelten einen Komplex aus γ-Cyclodextrin (γ-CyD), der über einen Hohlraum verfügt, der eine hydrophobe Mikroumgebung bietet, um hydrophobe Verbindungen spontan in einer wässrigen Umgebung einzukapseln. Anschließend synthetisierten sie problemlos zwei Arten einfacher hydrophober fluoreszierender Rezeptoren auf Monoboronsäurebasis: einen Rezeptor auf 3-Fluorphenylboronsäurebasis (1F) und einen Rezeptor auf Pyridylboronsäurebasis (2N). Sie befestigten zwei Moleküle eines der beiden Rezeptoren an γ-CyD.

Die resultierenden Einschlusskomplexe (1F/γ-CyD oder 2N/γ-CyD) bildeten eine Pseudodiboronsäureeinheit, die D-Glucose in Wasser an ihren beiden Stellen selektiv erkannte. Dadurch wurde die Fluoreszenz der Lösung stark verstärkt. Im Gegensatz dazu wurde bei neun anderen getesteten Sacchariden nur eine schwache Fluoreszenz beobachtet, darunter D-Fructose, D-Galactose und D-Mannose, bei denen es sich um typische im Blut enthaltene Saccharide handelte. 1F/γ-CyD und 2N/γ-CyD erhöhten die Fluoreszenz für D-Glucose um das 2,0- bzw. 6,3-fache im Vergleich zu ihrem Enantiomer L-Glucose.

„Nach unserem besten Wissen hat 2N/γ-CyD die höchste D/L-Selektivität unter anderen bekannten fluoreszierenden Diboronsäuremolekül-basierten Rezeptoren“, sagt Dr. Suzuki.

Die Forscher untersuchten dieses Phänomen weiter durch induzierte Zirkulardichroismus-Spektral- und Kernspinresonanzstudien. Sie fanden heraus, dass ein D-Glucose-Molekül die beiden Monoboronsäure-Moleküle überbrückt. Es versteift die komplexe Struktur und verstärkt die Fluoreszenz. Im Fall von Nicht-Glucose-Sacchariden binden zwei verschiedene Moleküle an die beiden Stellen der Pseudo-Diboronsäure-Einheit. Dadurch bleibt die Fluoreszenz schwach.

Neben der hohen Selektivität weisen die entwickelten Komplexe auch eine bemerkenswerte Empfindlichkeit auf. 1F/γ-CyD und 2N/γ-CyD konnten D-Glucose-Konzentrationen mit niedrigen Nachweisgrenzen (LODs) von 1,1 μM bzw. 1,8 μM nachweisen. Daher können beide Komplexe als einfache chemische D-Glucose-Sensoren dienen. Sie zeichnen sich durch hervorragende Selektivität, Empfindlichkeit und chirale Selektivität aus.

„Die entwickelten Fluoreszenzsensoren eignen sich zum selektiven Nachweis von D-Glukose und zur Unterscheidung von Glukose-Enantiomeren. Sie können möglicherweise auch als Diagnostiksysteme der nächsten Generation für Diabetes dienen, die mit winzigen Blutprobenmengen verwendet werden können, was bei der Blutentnahme ein unverzichtbares Merkmal ist.“ von Säuglingen. Da ihre chemischen Strukturen recht einfach sind, werden diese Sensoren dazu beitragen, erschwingliche und reproduzierbare Kits für die Früherkennung zu entwickeln“, schließt Dr. Hayashita.

Mehr Informationen: Yota Suzuki et al., Erkennung von d-Glucose in Wasser mit ausgezeichneter Empfindlichkeit, Selektivität und chiraler Selektivität unter Verwendung von γ-Cyclodextrin und fluoreszierenden Boronsäure-Einschlusskomplexen mit einer Pseudo-Diboronsäure-Einheit, ACS Sensors (2022). DOI: 10.1021/acssensors.2c02087

Zeitschrifteninformationen:ACS-Sensoren

Zur Verfügung gestellt von der Sophia University