Diabetes mellitus, einfach Diabetes genannt, ist eine Stoffwechselstörung, die durch das Vorhandensein ungewöhnlich hoher Glukosekonzentrationen im Blut gekennzeichnet ist. Vorhandene Methoden zur Diagnose von Diabetes beruhen auf herkömmlichen Techniken zum Nachweis von Glukose in Blutserumproben – ein Prozess, der typischerweise langwierig und teuer ist.
Molekulare Erkennung ist 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 Fluoreszenzänderung. Als Ergebnis wird das Ziel erkannt. Chemische Sensoren, spezialisierte Polymere und einige Katalysetechniken arbeiten nach diesem Prinzip.
Trotz jahrzehntelanger Fortschritte bei der molekularen Erkennung bleibt die Entwicklung von Rezeptoren zum Nachweis chiraler (oder asymmetrischer) Moleküle eine Herausforderung. Chiralität führt zu enantiomeren Paaren, die nicht überlagerbare „Spiegelbilder“ desselben Moleküls sind. Sie haben identische physikalische und chemische Eigenschaften, aber unterschiedliche biologische Funktionen. Ihre ähnlichen Strukturen machen es schwierig, sie voneinander zu unterscheiden. Daher müssen Forscher komplexe und kostspielige Techniken wie Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie 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, in entwickelt Wasser. Ihre Arbeit wurde am 20. Dezember 2022 online verfügbar gemacht und in veröffentlicht ACS-Sensoren am 27. Januar 2023.
Dr. Hayashita beschreibt die Motivation hinter der Forschung: „Die meisten Ansätze zum Design von chemischen D-Glucose-Sensoren erfordern komplizierte Synthesen, haben oft eine schlechte Wasserlöslichkeit und manchmal eine schlechte Selektivität. Daher wurde ein neuartiger Nachweismechanismus entwickelt.“
Die Forscher entwickelten einen Komplex aus γ-Cyclodextrin (γ-CyD), das einen Hohlraum aufweist, der eine hydrophobe Mikroumgebung bereitstellt, um hydrophobe Verbindungen spontan in einer wässrigen Umgebung einzukapseln. Sie synthetisierten dann leicht zwei Arten von einfachen hydrophoben fluoreszierenden Monoboronsäure-basierten Rezeptoren: einen 3-Fluorphenylboronsäure-basierten Rezeptor (1F) und einen Pyridylboronsäure-basierten Rezeptor (2N). Sie befestigten zwei Moleküle beider Rezeptoren an γ-CyD.
Die resultierenden Einschlusskomplexe (1F/γ-CyD oder 2N/γ-CyD) bildeten eine Pseudo-Diboronsäure-Einheit, die selektiv D-Glucose in Wasser an ihren beiden Stellen erkannte. Dadurch wurde die Fluoreszenz der Lösung stark verstärkt. Im Gegensatz dazu wurde für neun andere Saccharide, die getestet wurden, einschließlich D-Fructose, D-Galactose und D-Mannose, die typische Saccharide im Blut waren, nur eine schwache Fluoreszenz beobachtet. 1F/γ-CyD und 2N/γ-CyD erhöhten die Fluoreszenz um das 2,0- bzw. 6,3-fache für D-Glucose relativ 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 Spektral- und Kernspinresonanzstudien mit induziertem Circulardichroismus. Sie fanden heraus, dass ein D-Glucose-Molekül die beiden Monoboronsäure-Moleküle verbrückt. Es versteift die komplexe Struktur und verstärkt die Fluoreszenz. Im Fall von Nicht-Glucose-Sacchariden binden zwei unterschiedliche Moleküle an die beiden Stellen der Pseudo-Diboronsäure-Einheit. Dadurch bleibt die Fluoreszenz schwach.
Neben der hohen Selektivität zeigen die entwickelten Komplexe auch eine bemerkenswerte Sensitivität. 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 haben eine ausgezeichnete Selektivität, Empfindlichkeit und chirale Selektivität.
„Die entwickelten Fluoreszenzsensoren sind nützlich, um D-Glucose selektiv nachzuweisen und Glucose-Enantiomere zu unterscheiden. Sie können möglicherweise auch als Diagnosesysteme der nächsten Generation für Diabetes dienen, die mit kleinsten Blutprobenmengen verwendet werden können, was bei der Blutentnahme unverzichtbar ist von Säuglingen. Da ihre chemischen Strukturen recht einfach sind, werden diese Sensoren dazu beitragen, erschwingliche und reproduzierbare Kits für ihre Frühdiagnose 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-Sensoren (2022). DOI: 10.1021/acssensors.2c02087
Bereitgestellt von der Sophia-Universität