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Wissenschaftler sehen mit Hilfe von "Twisted Light" und Nanotechnologie reinere und sicherere Medikamente vor

In einer neuen Studie, in der sie nanoskalige Strukturen verwenden, um Licht so zu "verdrillen", dass es in einzigartiger Weise mit Materie interagiert, zeigen Wissenschaftler, dass sie zwischen links- und rechtshändigen Versionen desselben Moleküls unterscheiden können. Ein solcher Sensormechanismus könnte helfen, eine größere Reinheit und Sicherheit von Pharmazeutika sicherzustellen, sagen sie.

Mit Kollegen aus Forschungszentren in Belgien und Italien entwickelten Dr. Ventsislav Valev und Professor Jeremy Baumberg vom Cavendish Laboratory der Universität Cambridge in Großbritannien den Erfassungsmechanismus mit leistungsstarken Lasern kombiniert mit einer nanostrukturierten Goldoberfläche.

Sie berichten ihre Arbeit in der Zeitschrift Fortgeschrittene Werkstoffe.

"Zusammen können diese Technologien dazu beitragen, dass neue Medikamente sicher und rein sind", sagt Dr. Valev.

Bei einigen Formen ist das Spiegelbild symmetrisch - wenn Sie sie zusammen mischen, können Sie den Unterschied zwischen einer Struktur und ihrem Spiegel "Zwilling" nicht erkennen. Aber bei anderen Formen, zum Beispiel unseren Händen, ist die linke ein Spiegelbild der rechten, aber es passt nicht dazu - deine rechte Hand passt nicht in deinen linken Handschuh.

In der Chemie wird diese "Händigkeit" Chiralität genannt. Die Chiralität eines Moleküls beeinflusst, wie es mit seiner Umgebung interagiert, und verschiedene chirale Formen des gleichen Moleküls können völlig unterschiedliche Effekte haben.

Chiralität ist wichtig in der Medikamentenentwicklung, da nur die rechts- oder linkshändige Version die gewünschte Wirkung hat.

Das vielleicht bekannteste Beispiel für Chiralität, das unerwünschte Nebenwirkungen hervorhebt, ist Thalidomide, ein Arzneimittel, das in den 1950er und 1960er Jahren an schwangere Frauen verschrieben wurde.

Eine chirale Form von Thalidomid war wirksam bei der Behandlung von Morgenübelkeit in der frühen Schwangerschaft, aber die andere Form verhinderte gesundes Wachstum des Fötus. Aber die Droge, die Patienten erhielten, enthielt beide Formen, und über 10.000 Kinder auf der ganzen Welt wurden mit verkürzten oder fehlenden Gliedmaßen und anderen Defekten geboren.

Daher könnte die Identifizierung der korrekten chiralen Form eines Arzneimittels entscheidend sein. Spezifische Formen binden an spezifische Zellrezeptoren, so dass die richtige chirale Version vorliegt, bestimmt die Reinheit und Wirksamkeit des Endprodukts. Aber das Problem ist, wenn ein Medikament synthetisiert wird, werden beide chiralen Formen in gleichen Mengen hergestellt.

Laser, Goldnanostrukturen und verdrehtes Licht, um Chiralität des ausgewählten Moleküls zu wählen

Die Verwendung von Strahlen mit polarisiertem Licht ist ein Weg, auf dem Chemiker verschiedene chirale Formen von Molekülen erkennen können. Verschiedene chirale Formen des gleichen Moleküls verdrehen das Licht auf verschiedene Arten und erzeugen "chiroptische Effekte". Diese sind jedoch typischerweise sehr schwach.


Die Forscher sagen, dass wenn twisted Licht der Drehung der Nanostrukturen entspricht, starke Wechselwirkungen mit chiralen Molekülen entstehen könnten.
Bildnachweis: Kredit: Ventsislav Valev

Mit leistungsstarken Lasern können Wissenschaftler chiroptische Effekte der zweiten Harmonischen (SHG) erzeugen, die typischerweise drei Größenordnungen stärker sind. Und in jüngerer Zeit haben Wissenschaftler auch eine superverdrehte Form des Lichts entwickelt, die "superchirales Licht" genannt wird und die unterschiedlichen chiroptischen Effekte, die links- und rechtshändige Versionen chiraler Moleküle erzeugen, erhöht.

Dr. Valev und Kollegen unternahmen einen weiteren Schritt in Richtung noch stärkerer chiroptischer Effekte, indem sie eine direkte Verbindung zwischen den fundamentalen Gleichungen für superchirales Licht und SHG fanden - eine Kombination, von der sie glauben, dass sie rekordbrechende Wirkungen erzielen kann, was zu einer sehr hohen Empfindlichkeit für die Messung der chiralen Reinheit führt von Drogen.

Sie verbesserten auch die Empfindlichkeit, indem sie winzige Goldstrukturen - sogenannte plasmonische Nanostrukturen - verwendeten, die das Licht auf Hotspots auf ihren Oberflächen fokussieren, wo superchirales Licht und SHG ihre Wirkungen kombinieren.

In ihrem Studienbericht heben sie "vier verschiedene Strategien hervor, mit denen große chiroptische Effekte in chiralen Nanostrukturen erzielt wurden".

Sie zeigen auch zwei Beispiele für das, was sie als "chirale Schalter" beschreiben:

"Während im ersten Fall die Chiralität des einfallenden Lichts zu einer Umkehr der Händigkeit in den Nanostrukturen führt, bewirkt im zweiten Fall das Umschalten der Händigkeit der Nanostrukturen eine Umkehr der Chiralität des austretenden Lichts."

Dr. Valev sagt: "Durch die Verwendung von Nanostrukturen, Lasern und dieser einzigartigen Verdrillungseigenschaft von Licht konnten wir selektiv die unerwünschte Form des Moleküls zerstören, während wir die gewünschte Form unberührt lassen."

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