Kompleksy cynku(II) z receptorami L1 i L2 wykazują przeciwstawne zmiany emisji fluorescencyjnej po związaniu ketoprofenu – [ZnL1]²⁺ osiąga 7-krotny wzrost intensywności (φ = 0.35), podczas gdy [ZnL2]²⁺ redukuje emisję o 15%. Badania podstawowe przeprowadzone w mieszaninie EtOH/woda (50:50 v/v) przy pH 7.0 łączą spektroskopię, NMR oraz symulacje molekularne, ujawniając rolę konformacyjnych zmian w modulacji sygnału optycznego. Te odkrycia otwierają drogę do opracowania tanich, czułych sensorów fluorescencyjnych dla monitorowania ketoprofenu jako emerging pollutant – istotne dla ochrony zdrowia publicznego i kontroli jakości środowiska.
Czy nowe sensory mogą wykrywać ketoprofen w środowisku?
Niesteroidowe leki przeciwzapalne (NSAIDs), w tym ketoprofen (KP), należą do najczęściej stosowanych farmaceutyków na świecie, wykorzystywanych zarówno w terapii ludzkiej, jak i weterynarii. Ich powszechne, często niekontrolowane użycie w hodowli zwierząt prowadzi do narastającej obecności w glebach i wodach powierzchniowych. NSAIDs uznawane są obecnie za emerging pollutants – substancje słabo regulowane, monitorowane w środowisku, które mogą wywoływać niekorzystne skutki dla ekosystemów i zdrowia ludzi. Brakuje jednak ekonomicznie opłacalnych, szybkich metod ich detekcji.
Badania opublikowane w czasopiśmie Molecules przedstawiają nowe podejście oparte na fluorescencyjnych receptorach molekularnych zawierających jednostki triaminowe (L1 i L2) sprzężone z fluoroforem antracenowym. Kluczowym odkryciem jest to, że kompleksacja tych receptorów przez cynk(II) radykalnie zmienia ich właściwości optyczne w obecności ketoprofenu – [ZnL1]²⁺ wykazuje 7-krotny wzrost emisji fluorescencyjnej (φ wzrasta z 0.083 do 0.35), podczas gdy [ZnL2]²⁺ redukuje emisję o około 15%. Te przeciwstawne odpowiedzi optyczne wynikają z subtelnych zmian konformacyjnych indukowanych przez wiązanie KP do centrum metalicznego.
Autorzy łączą techniki spektroskopowe (UV-Vis, fluorescencja), pomiary NMR oraz obliczenia ab initio i symulacje dynamiki molekularnej (MD), aby wyjaśnić mechanizmy modulujące emisję fluorescencyjną. Badania przeprowadzono w mieszaninie etanol/woda (50:50 v/v) przy pH 7.0 i temperaturze 298 K, co odpowiada warunkom zbliżonym do fizjologicznych i środowiskowych.
Jak cynk(II) wpływa na właściwości fluorescencyjne receptorów?
Receptory L1 (z jednostką dietylenotriaminową) i L2 (z dipropylenotriaminową) różnią się długością łańcucha łączącego grupy aminowe. Ta pozorna drobna różnica strukturalna ma fundamentalne znaczenie dla właściwości optycznych ich kompleksów z cynkiem.
Po dodaniu Zn(II) do roztworu L1 obserwowano liniowy wzrost intensywności emisji przy 414 nm do stosunku molowego ligand:metal wynoszącego około 1:0.9, po czym wartość ta ustabilizowała się przy R > 1.5. Ostateczna intensywność emisji była 7-krotnie wyższa w porównaniu z wolnym receptorem (φ = 0.35 vs 0.08). Analiza danych spektralnych za pomocą programu HYPSPEC wykazała pozorną stałą wiązania log K ≈ 7.9 przy pH 7.0, co potwierdza stabilny kompleks 1:1.
W przypadku L2 sytuacja była odmienna – kompleksacja z Zn(II) prowadziła do 15% spadku emisji (φ: 0.061 → 0.055), przy stałej wiązania log K ≈ 6.9. Niższa wartość stałej dla L2 koreluje z mniejszą stabilnością kompleksów dipropylenotriaminy w porównaniu z dietylenotriaminą, co wynika z tworzenia mniej stabilnych sześcioczłonowych pierścieni chelatowych zamiast pięcioczłonowych.
„Zn(II) coordination to the triamine chain of L1 and L2 prevents protonation of the amine groups and, therefore, any proton transfer process between ammonium and amine groups” – piszą autorzy badania, podkreślając, że koordynacja metalu blokuje procesy przenoszenia protonu, które normalnie modulują emisję fluorescencyjną.
Jak ketoprofen modyfikuje sygnał fluorescencyjny kompleksów?
Dodanie ketoprofenu do roztworów kompleksów cynkowych indukowało dalsze, ale przeciwstawne zmiany emisji fluorescencyjnej. W przypadku [ZnL1]²⁺ obserwowano niewielki spadek intensywności emisji (około 18% przy 4 ekwiwalentach KP; φ zmniejszyło się z 0.35 do 0.28). Analiza danych wykazała tworzenie kompleksów 1:1 i 1:2 z pozornymi stałymi wiązania log K₁ = 5.1 i log K₂ = 4.0.
Dla [ZnL2]²⁺ dodanie KP prowadziło do prawie dwukrotnego wzrostu emisji po dodaniu 2 ekwiwalentów KP, przy ogólnej stałej wiązania log K ≈ 10.4 dla równowagi [ZnL2]²⁺ + 2 KP → [(KP)₂ZnL2]. Kwantowa wydajność fluorescencji wzrosła z 0.06 do 0.10. Autorzy obliczyli limit wykrywalności (LOD) dla [ZnL2]²⁺ na poziomie 0.55 µM w mieszaninie EtOH/woda, co jest porównywalne z wartością uzyskaną dla wolnego ligandu (0.28 µM).
Te przeciwstawne odpowiedzi optyczne – wygaszanie dla L1 i wzmocnienie dla L2 – nie mogą być wyjaśnione jedynie różnicami w powinowactwie wiązania, ale wynikają z konformacyjnych zmian indukowanych przez kotwiczenie KP do centrum metalicznego.
Jakie mechanizmy molekularne determinują sygnał optyczny?
Autorzy przeprowadzili szczegółowe obliczenia ab initio oraz symulacje dynamiki molekularnej (MD), aby zrozumieć strukturalne podstawy obserwowanych zmian emisji. Analizowano odległości Zn-N w kompleksach, które wynosiły od 2.12 do 2.21 Å i nie różniły się znacząco między [ZnL1]²⁺ i [ZnL2]²⁺, co wyklucza główną rolę inhibicji fotoinducowanego transferu elektronu (PET) w modulacji emisji.
Symulacje MD ujawniły kluczowe różnice konformacyjne. Kompleks [ZnL1]²⁺ przyjmował dwie radykalnie różne konformacje – w kształcie litery T oraz „motyla” (Conf. A i Conf. B), podczas gdy [ZnL2]²⁺ wykazywał bardziej upakowane, ułożone konformacje (Conf. C i Conf. D), szczególnie w Conf. C. Większa elastyczność łańcuchów propylenowych w L2 umożliwia redukcję oddziaływań sterycznych i sprzyja bardziej zwartej konformacji ligandu.
Analiza odległości między centrum cynku a środkami mas jednostek antracenowych wykazała, że w [ZnL2]²⁺ odległość ta wynosi około 4.7 Å lub mniej, co sugeruje znaczące oddziaływania kation-π. W [ZnL1]²⁺ odległości są znacznie większe (około 6 Å), co wskazuje na słabsze kontakty Zn²⁺-π. Te oddziaływania kation-π są znane z wygaszania emisji wzbudzonych fluoroforów, co tłumaczy spadek emisji [ZnL2]²⁺ po kompleksacji z cynkiem.
Po związaniu KP konformacje ulegają dalszym zmianom. W [KPZnL1]⁺ jedna jednostka antracenowa znajduje się blisko Zn(II) (około 4.6 Å), podczas gdy druga oddala się do około 6 Å, co globalnie zwiększa oddziaływania Zn-antracen i prowadzi do wzmożonego wygaszania. W przypadku [KPZnL2]⁺ obserwowano przeciwny efekt – jedna jednostka antracenowa oddala się od kationu (około 6 Å), podczas gdy druga pozostaje w odległości około 4.5 Å, co zmniejsza efekt wygaszania i tłumaczy wzrost emisji.
Jakie są perspektywy zastosowania tych receptorów?
Opracowane kompleksy cynkowe z receptorami L1 i L2 stanowią obiecujące platformy dla konstrukcji optycznych sensorów ketoprofenu. Szczególnie interesujący jest kompleks [ZnL2]²⁺, który wykazuje wyraźny wzrost emisji fluorescencyjnej w obecności KP oraz osiąga LOD na poziomie 0.55 µM – wartość zbliżoną do czułości wolnego ligandu (0.28 µM).
Te receptory mogą znaleźć zastosowanie w monitorowaniu środowiskowym narażenia na ketoprofen, co jest istotne dla ochrony zdrowia publicznego i ekosystemów. Powszechne, często niekontrolowane stosowanie NSAIDs w hodowli zwierząt prowadzi do ich akumulacji w glebach i wodach powierzchniowych, stanowiąc zagrożenie dla zdrowia ludzi i zwierząt.
Dla lekarzy informacje o metodach wykrywania zanieczyszczeń farmaceutykami mogą mieć znaczenie w kontekście bezpieczeństwa farmakoterapii i świadomości dotyczącej wpływu leków na środowisko. Ponadto, zrozumienie mechanizmów modulujących emisję fluorescencyjną w kompleksach metalowych może przyczynić się do rozwoju nowych narzędzi diagnostycznych.
Jednak wdrożenie tych sensorów napotyka na bariery – problemy ze stabilnością i rozpuszczalnością ternarnych kompleksów w warunkach rzeczywistych, a także konieczność przystosowania metody do złożonych macierzy środowiskowych. Dalsze badania powinny skupić się na optymalizacji warunków pracy sensorów oraz testowaniu ich w próbkach rzeczywistych (woda, gleba, próbki biologiczne).
Co wynika z tego badania dla przyszłych zastosowań?
Badanie to pokazuje, że emisja fluorescencyjna kompleksów poliaminowych receptorów z kationami i anionami w środowisku wodnym nie jest determinowana wyłącznie przez procesy przenoszenia protonu i elektronów, ale także przez subtelne zmiany konformacyjne występujące po utworzeniu kompleksu. Te zmiany wpływają na emisję fluoroforu poprzez tworzenie słabych, ale istotnych oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych.
Koordynacja cynku(II) do łańcucha triaminowego L1 i L2 zapobiega protonacji grup aminowych, eliminując procesy przenoszenia protonu między grupami amonowymi i aminowymi. Jednocześnie wiązanie metalu inhibuje procesy PET z par elektronowych donorów aminowych, które normalnie wygaszają wzbudzone fluorofory. W przypadku [ZnL2]²⁺ większa elastyczność łańcuchów propylenowych pozwala skoordynowanemu metalowi osiągnąć dyspozycję przestrzenną bliską jednostkom antracenowym, umożliwiając tworzenie kontaktów Zn²⁺-π wygaszających emisję.
Po związaniu KP z cynkiem obserwuje się odwrotne zachowanie – w [ZnL1]²⁺ wiązanie KP sprzyja tworzeniu silniejszych kontaktów kation-π wygaszających emisję kompleksu, podczas gdy w [ZnL2]²⁺ koordynacja KP sprzyja bardziej otwartym konformacjom, pozwalając metalowi pozostać w większej odległości od fluoroforu, co wzmacnia emisję antracenu. Te odkrycia otwierają drogę do projektowania nowych, selektywnych sensorów fluorescencyjnych dla NSAIDs oraz innych anionic substratów o znaczeniu klinicznym i środowiskowym.
