Verdrehte Schwingungen ermöglichen die Qualitätskontrolle für chirale Arzneimittel und Nahrungsergänzungsmittel

Es ist nicht einfach, sicher zu sein, dass Medikamente und Nahrungsergänzungsmittel mit verdrehten – oder chiralen – Strukturen in die richtige Richtung gehen. Jetzt kann wirbelndes Infrarotlicht sowohl die Strukturen von Molekülkristallen als auch ihre Verdrehungen untersuchen, wie eine von der University of Michigan geleitete Forschung gezeigt hat.

Die Forscher hoffen, dass die Technik auch helfen könnte, schädliche Ansammlungen von verdrehten Molekülen im Körper zu diagnostizieren, darunter Blasensteine, Insulinfibrillen und Amyloid-Ansammlungen wie die Plaques, die bei der Alzheimer-Krankheit auftreten.

In einer Welt gekräuselter Moleküle bevorzugt die Biologie oft rechts- oder linkshändige Versionen. Wenn Sie den Beilagengang entlanggehen, werden Sie vielleicht bemerken, dass einige ein L oder D vor dem Namen haben. L und D bezeichnen die Richtung, in die sich das Molekül dreht, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn – der menschliche Körper verwendet normalerweise nur eine Version. Moleküle mit der falschen Drehung können störende Füllstoffe sein oder Nebenwirkungen verursachen, die unangenehm oder gefährlich sein können. Aber die Qualitätskontrolle für verdrehte Moleküle ist hart, und die Überwachung der chiralen Strukturen von Medikamenten und Nahrungsergänzungsmitteln, die gelagert werden, wird normalerweise nicht durchgeführt.

„Die in Pharmaunternehmen am häufigsten verwendeten Methoden sind sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen, aber die Messung der Chiralität ist teuer“, sagte Wonjin Choi, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Chemieingenieurwesen an der UM und Erstautor des Artikels in Naturphotonik.

Das neue Verfahren kann mithilfe von Terahertz-Strahlung, einem Teil des infraroten Teils des Spektrums, falsche Verdrehungen und falsche chemische Strukturen in verpackten Arzneimitteln schnell erkennen. Es wurde von einem internationalen Team entwickelt, darunter Forscher der Bundesuniversität von São Carlos, Brasilien; Brazilian Biorenewables National Laboratory; Universität Notre-Dame; und der Michigan State University.

„Biomoleküle unterstützen verdrehte Schwingungen mit großer Reichweite, die auch als chirale Phononen bekannt sind. Diese Schwingungen reagieren sehr empfindlich auf die Struktur von Molekülen und ihre Anordnungen im Nanomaßstab und erzeugen den Fingerabdruck einer bestimmten chiralen Struktur“, sagte Nicholas Kotov, Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering an der UM und Co-korrespondierender Autor.

Das Team konnte diese Phononen in den Spektren von verdrilltem Terahertz-Licht messen, das durch getestete Materialien drang. Eines davon, L-Carnosin, wird derzeit als Nahrungsergänzungsmittel verwendet.

„Wenn die Verdrehung des Moleküls falsch ist, wenn die Verdrehung in der Art und Weise, wie sich die Moleküle aneinander packen, nicht stimmt oder wenn verschiedene Materialien gemischt wurden, könnte all das aus den Spektren gefolgert werden“, sagte Kotov.

John Kruger, Professor für Veterinärmedizin an der Michigan State University und Mitautor der Veröffentlichung, stellte Blasensteine ​​von Hunden zur Verfügung, und das Team entdeckte ihre chirale Signatur. Das Team hofft, dass die Ergebnisse helfen könnten, eine schnelle Diagnose für Haustiere und vielleicht später für Menschen zu ermöglichen. Darüber hinaus untersuchten sie Insulin, während es zu Nanofasern heranwuchs, die es inaktiv machten. Wenn die Terahertz-Lichttechnologie für die häusliche Krankenpflege angepasst werden kann, könnte sie die Qualität von Insulin überprüfen.

Das Team untersuchte auch, wie Licht Strukturen beeinflussen kann, anstatt sie nur zu messen. Berechnungen von André Farias de Moura, Professor für Chemie an der Bundesuniversität von São Carlos und Mitautor, zeigen, dass sich mehrere Biomoleküle heftig verdrehen und vibrieren, wenn Terahertz-Licht chirale Phononen erzeugt.

„Wir sehen neue Wege voraus – zum Beispiel die Verwendung von Terahertz-Wellen mit maßgeschneiderter Polarisation, um große molekulare Anordnungen zu manipulieren. Sie könnten Mikrowellen in vielen Syntheseanwendungen ersetzen, bei denen die Händigkeit der Moleküle eine Rolle spielt“, sagte de Moura.

Basierend auf den Berechnungen von de Moura glauben Kotov und Choi, dass die durch Terahertz-Licht verursachten Drehschwingungen chiraler Phononen krankheitsverursachende Nanofasern anfälliger für medizinische Eingriffe machen können. Zukünftige Arbeiten werden untersuchen, ob diese Interaktion verwendet werden kann, um sie aufzubrechen.