Oddělení analytické chemie

Relativně novým tématem je NMR-omika. Tímto přístupem jsou v metabolomice pomocí ¹H NMR stanovovány metabolity v tělních tekutinách. Koncentrační profily identifikovaných látek jsou následně analyzovány pomocí vícerozměrných statistických metod, které pro dané onemocnění umožňují oddělit vzorky pacientů od vzorků zdravých jedinců. Obdobný postup využíváme i pro analýzu aerosolů v tzv. aerosolomice, kde je hlavním cílem identifikovat konkrétní zdroje znečištění ovzduší.

V rámci tohoto tématu jsou pro selektivní komplexaci aniontů nebo chirální rozpoznání navrhovány a následně i syntetizovány nové receptory. Vlastnosti připravených receptorů jsou poté testovány s ohledem na efektivitu a selektivitu komplexace. Získané poznatky zpětně slouží jako vodítko pro další optimalizaci designu struktury receptorů. Ukotvením finálních receptorů na nosné molekuly či povrchy lze připravit funkční materiály pro detekci nebo separaci daných molekul.

NMR laboratoř má dlouhou historii ve vývoji nových NMR experimentů pro měření spin-spin interakčních konstant. Tyto interakce přímo odráží rozložení elektronové hustoty mezi danými jádry a přináší tak informace o délce a charakteru vazby nebo vazebném úhlu. Původní orientace na interakce ¹³C - ²⁹Si se přesunula k interakcím  ¹³C - ¹³C, kde se největší výzvou jeví měření interakcí v symetrických molekulách mezi ekvivalentními atomy.

Od roku 2015 intenzivně vyvíjíme nový přístup k analýze polárních organických látek (WSOC) v aerosolech. Identifikace sloučenin pomocí NMR je v naší skupině založena na porovnání chemických posunů jednotlivých signálů v ¹H NMR spektru aerosolu se spektrem dané sloučeniny v knihovně. K tomuto účelu využíváme software Chenomx, který je určen pro identifikaci látek ve složitých matricích, jako jsou tělní tekutiny, a který využívá vlastní knihovnu spekter. Pro analýzu aerosolů jsme knihovnu cíleně rozšířili o nejběžnější sloučeniny obsažené v aerosolech. Dnes pracujeme s knihovnou obsahující asi 150 sloučenin a jsme schopni identifikovat až 60 látek ve vzorcích reálných aerosolů. Testovací série vzorků pocházela z Prahy - Suchdola, kde byly odebírány během letní a zimní kampaně jako frakce PM_2,5 a PM₁₀. Díky našemu postupu byly identifikovány tři zcela nové látky a dále byla poprvé potvrzena přítomnost dalších čtyř látek předpovězených na základě laboratorních experimentů. Koncentrace identifikovaných látek mohou dále posloužit jako vstup pro pokročilou statistickou analýzu. Letní a zimní vzorky vykazovaly vysoký stupeň separace při vícerozměrné statistické analýze a při pokusu o separaci vzorků na základě velikosti aerosolových částic byly pozorovány některé zajímavé trendy ve složení jednotlivých velikostních frakcí. Sloučeniny odpovědné za separaci skupin lze identifikovat pomocí jednorozměrné statistické analýzy. Látky se zvýšenými koncentracemi v zimě pocházejí převážně z antropogenních zdrojů, zatímco látky se zvýšenými koncentracemi v létě jsou produkty biogenních i antropogenních zdrojů.

• ACS Omega 2020, 5(36), 22750-22758. DOI: 10.1021/acsomega.0c01634

NMR aerosolomika byla následně aplikována na detailní analýzu WSOC ve velikostně rozlišeném aerosolu odebraném během léta a zimy opět v pražské předměstské oblasti. Vzorky byly během odběru rozděleny pomocí prototypu velkoobjemového štěrbinového kaskádového impaktoru na šest frakcí podle velikosti částic. To umožnilo stanovení distribučních profilů identifikovaných sloučenin. Celkem bylo identifikováno 73 sloučenin, které byly klasifikovány do devíti skupin podle jejich chemické povahy. Na základě distribučních profilů byly odhaleny souvislosti mezi jednotlivými sloučeninami umožňující asociaci sloučenin s pravděpodobným zdrojem. Například byl nalezen vztah mezi sacharidy, trimethylglycinem a cholinem v hrubém letním aerosolu. V zimních sériích naznačovaly podobné distribuční profily několika sloučenin spalování biomasy jako jejich společný zdroj. Vícerozměrná statistická analýza odhalila rozdíly v chemickém složení mezi oběma ročními obdobími a zdůraznila hlavní rysy jemné a hrubé aerosolové hmoty. Identifikace zdrojů aerosolových částic zůstává hlavní motivací pro náš další výzkum v této oblasti.

• Atmos. Environ. 2021, 267, 118757. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2021.118757

Raná detekce rakoviny slinivky u pacientů s cukrovkou 2. typu

Pomocí ¹H NMR spektroskopie zkoumáme metabolické změny v krevní plazmě vyvolané rakovinou slinivky. V původní práci jsme ve vzorcích krevní plazmy pacientů a zdravých kontrolních jedinců stanovovali koncentrační profily asi 60 metabolitů. Získaná data posloužila jako vstup pro vícerozměrnou statistickou analýzu, která ukázala jasné dělení obou skupin. Největší změny byly nalezeny v koncentracích 3-hydroxybutyrátu a laktátu. Tyto výsledky ukázaly potenciál, jaký může mít ¹H NMR spektroskopie pro diagnózu rakoviny slinivky. Tato práce vyšla v roce 2018 v časopise Analyst. V následné studii jsme se zaměřili na detekci rakoviny slinivky u pacientů s cukrovkou 2. typu. Největší riziko rakoviny slinivky mají pacienti, u kterých byla cukrovka nově diagnostikována. Jako diabetes mellitus 2. typu bývá často označen i tzv. pankreatogenní diabetes, který je některými odborníky považován za první projev rakoviny slinivky. Proto byla naše další práce směřována k diskriminaci pacientů s rakovinou a pacientů s cukrovkou. Tato diskriminace nám následně umožnila vytvořit predikční model, dle kterého můžeme nové cukrovkáře klasifikovat dle pravděpodobnosti, zda se u nich v budoucnu vyvine rakovina slinivky či se spíše stanou stabilními diabetiky 2. typu. Tato práce byla nedávno publikována v časopise Journal of Proteome Research. Celkově bylo analyzováno 59 vzorků krevní plazmy nově diagnostikovaných diabetiků. U 6 vzorků byla stanovena 80% pravděpodobnost vzniku rakoviny slinivky. Následná lékařská vyšetření aktuálního stavu těchto pacientů ukázala ve čtyřech případech změny v patologii slinivky. V jednom případě byla přímo diagnostikována rakovina, ve třech dalších byl odhalen vznik nebezpečných lézí, které jsou považovány za její první projevy. Tato práce vznikla ve spolupráci s Ústřední vojenskou nemocnicí a Vysokou školou chemicko-technologickou v Praze.

• Analyst 2018, 143(24), 5974–5978. DOI: 10.1039/c8an01310a
• J. Proteome Res. 2021, 20(3), 1744–1753.  DOI: 10.1021/acs.jproteome.0c00990

 

Vliv vystavení pracovníků nanočásticím

Další metabolomický projekt naší skupiny byl zaměřen na účinky expozice nanočásticím (NP) při práci. V této studii byly získány vzorky dechového kondenzátu (EBC) a krevní plazmy od pracovníků výzkumné jednotky na zpracování nanočástic na výzkumné univerzitě. Byly zkoumány tři skupiny subjektů: vzorky od pracovníků vystavených nanočásticím odebrané před směnou a po směně a od kontrolních jedinců, kteří NP nebyli vystaveni. Porovnání vzorků před směnou a kontrolních vzorků odráželo subakutní/chronický účinek expozice NP, zatímco srovnávací studie skupin před směnou/po směně a kontrol/po směně byla použita ke zjištění akutního účinku na pracovníky. Vícerozměrná statistická analýza poskytla jednoznačné rozlišení studovaných skupin. Na základě statisticky významných metabolitů, které jsou zodpovědné za rozdělení skupin, byly identifikovány zasažené metabolické dráhy. Akutní účinek expozice NP se projevuje především v drahách souvisejících s produkcí antioxidantů a dalších ochranných látek, zatímco chronický účinek se projevuje především ve změně metabolismu glutaminu a glutamátu a metabolismu purinů.

• Appl. Sci. 2021, 11(14), 6601. DOI: 10.3390/app11146601

Pro interakci s kyslíkatými sloučeninami, jako jsou alkoholy, aldehydy, ketony či karboxylové kyseliny, byly navrženy a syntetizovány receptory využívající axiálně chirální strukturu binaftyldiaminu. V rámci pilotní studie byl potom určen způsob interakce připravených receptorů a chirálních alkoholů. Struktura vznikajícího komplexu byla navržena na základě experimentálních NMR dat a potvrzena DFT výpočty. Následovala studie vlivu jednotlivých substituentů na komplexační vlastnosti připravovaných receptorů. Jako substráty byly použity různé arylpropanové kyseliny známé z medicinální chemie jako profeny. V rámci této studie se mimo jiné stanovovaly detekční limity obou enantiomerů daného substrátu. Připravené močovinové receptory založené na struktuře binafityldiaminu byly úspěšně využity pro určení enantiomeru ethyl 4-chloro-3-hydroxybutyrátu vznikajícího při reakci v mikrofluidním reaktoru. V tuto chvíli se pracuje na kotvení funkčních receptorů na různé struktury nosičů.

Interakce receptorů s alkoholy, Chirality 2018, 30, 798–806. DOI:10.1002/chir.22855
Komplexace profenů, Chirality 2019, 31, 410– 417. DOI:10.1002/chir.23067
4-chloro-3-hydroxybutyrát, J Flow Chem 2019. DOI:10.1007/s41981-019-00043-y

V rámci řešení projektu Nové nanomateriály pro separaci aniontů, podpořeného GAČR, se prováděla studie popisující vlastnosti námi připravených receptorových skupin vhodných pro komplexaci fosfátu. Detailním zkoumáním vlivů substituentů nesených základním skeletem receptoru na kyselost protonů v jednotlivých částech molekuly se podařilo porozumět principům chování těchto látek v přítomnosti fosfátového aniontu. Pro zvýšení efektivity receptoru se jako akceptor elektronů ze systému konjugovaného s močovinovým komplexačním místem používala sulfonamidová skupina. Ukázalo se, že vhodnou chemickou modifikací elektronového okolí této skupiny lze odstranit náchylnost receptoru k nechtěné deprotonaci. Kyselost vodíku sulfonamidové skupiny lze naopak využít k zavěšení celé receptorové skupiny na vhodný nosič.

ChemPlusChem 2020. DOI:10.1002/cplu.202000326

V nedávné době se nám podařilo vyvinout dvě nové pulzní sekvence pro měření interakčních konstant mezi ekvivalentními atomy. Obě metody využívají jednovazebné interakce uhlík-vodík pro vytvoření efektivního rozdílu chemických posunů. První metoda, SYMONA (SYmmetrical MOlecules Natural Abundance double-quantum experiment), pak využívá vodíkové detekce a vyznačuje se dobrou citlivostí. Je vhodná zejména pro měření velkých jednovazebných interakcí uhlík-uhlík v symetrických molekulách. Druhou metodou je STRONG INADEQUATE experiment, který využívá uhlíkovou detekci a je určen především pro detekci malých interakcí mezi ekvivalentními uhlíkovými atomy přes více vazeb. STRONG INADEQUATE funguje nejlépe pro ⁿJ_CC, kde n ≥ 3. Potom je patern v F1 dimenzi redukován na jednoduchý antifázový dublet s ⁿJ_CC separací. Tento patern zůstává zachován, i když je symetrický HC···C’H’ systém kuplován i k dalším vodíkovým atomům. To je hlavní výhoda STRONG INADEQUATE experimentu oproti jiným experimentům pro měření interakčních konstant mezi ekvivalentními uhlíkovými atomy.

SYMONA, Journal of Magnetic Resonance 2019, 298, 107. DOI:10.1016/j.jmr.2018.12.002
STRONG INADEQUATE, Magn Reson Chem. 2019, 57(12), 1107.DOI:10.1002/mrc.4897