Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums haben wertvolle Erkenntnisse zur Herstellung von Nitroxid gewonnen, einem Molekül mit potenziellen Anwendungen im biomedizinischen Bereich. Während Stickstoffmonoxid (NO) aufgrund seiner bedeutenden physiologischen Wirkungen schon lange auf dem Radar der Forscher steht, ist sein weniger bekannter Verwandter, Nitroxid (HNO), noch weitgehend unerforscht.
Die kürzlich in der veröffentlichten Studie Zeitschrift der American Chemical Societyentstand aus einer gemeinsamen Anstrengung von Teams des SLAC-Röntgenlasers Linac Coherent Light Source (LCLS) und der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).
Nitroxid hat viele der gleichen physiologischen Wirkungen wie Stickstoffmonoxid – beispielsweise seine Fähigkeit, Keime zu bekämpfen, Blutgerinnseln vorzubeugen und Blutgefäße zu entspannen und zu erweitern – mit zusätzlichen therapeutischen Eigenschaften, wie etwa der Wirksamkeit bei der Behandlung von Herzinsuffizienz, sowie als stärkeres Antioxidans Aktivität und Wundheilung. Da es sich jedoch chemisch gesehen nicht um eine langlebige Spezies handelt, sind Methoden, die eine gezielte Verabreichung ermöglichen, für zukünftige biomedizinische Anwendungen von entscheidender Bedeutung.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, konzentrierte sich das Team auf ein einzigartiges Molekül, einen Eisen-Nitrosyl-Komplex (Fe-NO). Ihre Forschung zielte darauf ab, die komplizierten Eigenschaften der Fe-NO-Bindung sowohl vor als auch nach der Lichteinwirkung zu verstehen, um die Komplexität der Nitroxidproduktion zu bewältigen. Sie entdeckten, dass sie durch die Einwirkung von optischem Licht auf dieses Molekül seine Bindung aufbrechen und möglicherweise Nitroxid erzeugen könnten.
„Obwohl diese Forschung grundlegender Natur ist, besteht die Hoffnung, dass andere Forscher das, was wir aus diesem Molekül lernen, nutzen und daraus therapeutische Technologien entwickeln können, indem sie ähnliche Moleküle für die Medizin optimieren“, sagte SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Leland Gee. „Die Idee wäre, ein Molekül zu erhalten, das HNO im Körper dort freisetzt, wo es benötigt wird, und es mit Licht zu beleuchten, um es für seine therapeutischen Eigenschaften freizusetzen.“
Eine der Herausforderungen, mit denen das Team konfrontiert war, war die unklare Verteilung der Elektronen zwischen dem Eisenatom und dem Nitrosylliganden – einem Molekül oder Ion, das an ein zentrales Metallatom oder -ion bindet – im Fe-NO-Komplex, was die Menge an Informationen einschränkt mit traditionellen Methoden gewonnen. Die Wissenschaftler verwendeten am SSRL fortschrittliche röntgenspektroskopische Techniken, die es ihnen ermöglichten, tiefer in die chemischen Eigenschaften des Moleküls und seiner Bindung zu blicken und so ein vollständigeres Bild des Fe-NO-Systems und seiner Reaktion auf Licht zu erhalten.
Im Anschluss planen die Wissenschaftler, die Feinheiten des Bindungsbruchprozesses weiter zu erforschen und herauszufinden, wie die Produktion von Nitroxid oder Stickoxid optimiert werden kann. Sie erwägen auch, Eisen durch andere Metalle zu ersetzen, um den Fotoproduktionsprozess besser zu verstehen.
„In dieser Forschung verstehen wir das Ausgangsmolekül und seine Endprodukte, nachdem wir es beleuchtet haben“, sagte Gee. „Es gibt noch viele Nuancen beim eigentlichen Bindungsbruch und der Freisetzung von Nitroxid aus diesem Molekül, die erforscht werden müssen. Welcher Schritt im Prozess entscheidet über die Freisetzung von Nitroxid anstelle von Stickoxid? Wie können wir das System strukturell darauf abstimmen.“ eines der beiden Moleküle produzieren?“
Diese Arbeit trägt dazu bei, ein Verständnis dafür zu entwickeln, welche Eigenschaften in zukünftigen Experimenten am LCLS überwacht werden müssen, wo Wissenschaftler in der Lage sein werden, Echtzeit-Schnappschüsse des Nitroxid-Photoerzeugungsprozesses zu machen.
„Die von uns gewonnenen Informationen unterstreichen die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes und dienen als Blaupause für zukünftige Studien zu diesen und ähnlichen Molekülen, die sich auf Studien am LCLS erstrecken werden“, sagte Gee.
Die Forschung ist vielversprechend für die medizinische Gemeinschaft und Patienten, die von ihren zukünftigen Anwendungen profitieren könnten.
„Obwohl wir noch weit davon entfernt sind, Licht auf diese Moleküle zur Behandlung schwerwiegender Herz-Kreislauf-Erkrankungen anzuwenden, bilden grundlegende Erkenntnisse über diese Moleküle eine wesentliche Grundlage für die angewandte Forschung in der Zukunft“, sagte Gee. „Dies könnte zu völlig neuen Möglichkeiten führen, Licht zur Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, mikrobiellen Infektionen, Krebs und anderen Gesundheitszuständen einzusetzen.“
Mehr Informationen:
Leland B. Gee et al., Enträtselung der Metall-Ligand-Bindung in einem HNO-entwickelnden FeNO6-Komplex mit einem kombinierten röntgenspektroskopischen Ansatz, Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c04479