Studentská vědecká konference 2019

Methamfetamin je stimulační syntetická droga, jejíž největším producentem v Evropě je Česká republika, kde jsou každoročně odhaleny stovky varen a zabaveny až desítky kilogramů látky. Z tohoto důvodu je nutná rychlá a spolehlivá analýza a identifikace, kterou metody molekulové spektroskopie nabízí. Mezi ty se řadí i chiroptické metody, díky nimž můžeme získat informaci o jejich detailní trojrozměrné struktuře, což může vést k pochopení mechanismu působení drog v organismu. Tato práce se zabývá studiem struktury methamfetaminu v roztoku pomocí metod infračervené a Ramanovy spektroskopie a z důvodu optické aktivity látky i metod elektronového a vibračního cirkulárního dichroismu ve spojení s ab initio výpočty. Pomocí kvantově chemických výpočtů bylo nalezeno celkem šest stabilních konformerů, jejichž geometrie byly optimalizovány na úrovni B3PW91/aug-cc-pVDZ++G(d,p) a podle Boltzmannova rozdělení bylo odhadnuto jejich relativní rovnovážné zastoupení. Velmi dobrá shoda experimentálních spekter se spektry simulovanými umožnila spolehlivě určit absolutní konfiguraci enantiomerů, interpretovat naměřená spektra a detailně popsat molekulární strukturu v roztoku.

Sympatomimetika jsou látky, které působí na vegetativní nervový systém a napodobují účinky podráždění sympatického nervového systému. Vegetativní nervový systém inervuje veškeré vnitřní orgány a ovlivňuje základní životní funkce – srdeční výkon, průtok krve, trávení vylučování apod. Studovaná sympatomimetika (dopamin, efedrin, klonidin a salbutamol) působí na funkci srdce, plic a regulaci krevního tlaku. Pro jejich studium v nízkých koncentracích se nabízí využití povrchem zesílené Ramanovy spektroskopie (SERS). Díky adsorpci analytu na zesilující plasmonický substrát (často užívané jsou Ag, Au, Cu povrchy) dochází k výraznému zesílení spektrální odezvy a posunutí limitu detekce k nižším koncentracím (běžně 10^-6 mol/L). Cílem této práce je ověřit vhodnost SERS spektroskopie pro detekci a identifikaci vybraných sympatomimetik a nalezení optimální kombinace excitační vlnové délky a vhodného zesilujícího substrátu pro získání optimální spektrální odezvy studovaných látek.  

Práce je zaměřena na laserově diferenční spektroskopii v terahertzové oblasti a interpretaci naměřených přechodů amoniaku. Pomocí laserově-diferenční terahertzové techniky bylo v České republice poprvé změřeno rotační spektrum plynného vzorku v této spektrální oblasti. Výhodou měření na laserově-diferenčním terahertzovém spektrometru je dosažení vyššího rozlišení oproti technikám vzdálené infračervené nebo mikrovlnné spektrometrie. Prvním krokem bylo prostudování rotačních přechodů kalibračního plynu (oxidu uhelnatého), jejichž přesné frekvence byly převzaty z databáze rotačních přechodů, která obsahuje predikce frekvencí přechodů klíčových změřených i nezměřených plynných látek. Toto prostudování také sloužilo k rychlejšímu průběhu určování již přesně změřených přechodů kalibračního plynu. Tyto naměřené přechody se následně využily ke kalibraci spektrometru pro zjištění korekce frekvenčních posunů. Výsledná kalibrační funkce byla dále použita ke korekci měřených přechodů amoniaku v základním a excitovaném vibračním stavu. V obou vibračních stavech bylo naměřeno několik rotačních přechodů, přičemž dva přechody z excitovaného vibračního stavu byly naměřeny vůbec poprvé.  

Povrchem zesílená Ramanova spektroskopie (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) umožňuje znásobit optickou odezvu analytů, jež jsou adsorbovány na povrchu plasmonických kovů. Nejčastějšími analyty jsou látky vykazující velkou afinitu ke kovovému povrchu. Tyto látky se snadno adsorbují na kovové povrchy díky tomu, že ve své struktuře obsahují heteroatomy, většinou se jedná o atom dusíku. Mezi tyto látky patří zejména alkaloidy. Berberin, jako jeden ze zástupců alkaloidů, patří do skupiny benzylisochinolinových alkaloidů, které mají potenciální biologickou aktivitu. Jedná se o přírodní alkaloid, který se vyskytuje především v kořenech a kůře dřišťálu a míze vlaštovičníku. Byl znám již ve starověké Číně a v čínské medicíně se objevuje dodnes. V moderní medicíně se jeho veliký potenciál nachází v potlačení růstu nádorových buněk. V této práci byla měřena SERS spektra berberinu deponovaného na Au, Ag a Cu plasmonických substrátech připravených galvanickým vylučováním na hliníkovou podložku. SERS spektra byla zaznamenávána s využitím různých excitačních vlnových délek (532 nm, 780 nm a 1064 nm). Cílem těchto měření bylo zjistit, který plasmonický substrát a excitační vlnová délka jsou vhodné pro detekci a identifikaci berberinu.  

Nové syntetické drogy sa v súčasnosti tešia veľkej obľube medzi užívateľmi drog, za čo vďačia svojmu často legálnemu statusu, účinku podobnému nelegálnym drogám, ale hlavne ich zvyšujúcej sa dostupnosti. Vzhľadom k ich stúpajúcemu počtu na trhu rastie aj potreba ich spoľahlivej identifikácie a analýzy, k čomu môžeme využiť napríklad metód molekulovej spektroskopie. Jednou z nich je aj spektroskopia cirkulárneho dichroizmu, ktorá v kombinácií s ab inito výpočtami umožňuje podrobne študovať 3D štruktúru týchto látok vo vodnom prostredí. Táto štúdia je zameraná na analýzu novej syntetickej drogy 4F‑bufedronu zo skupiny katinónov pomocou vibračného cirkulárneho dichroizmu (VCD) a elektrónového cirkulárneho dichroizmu (ECD), doplnenými konvenčnou IR a UV spektroskopiou v spojení s kvantovo‑chemickými výpočtami. Pomocou týchto výpočtov sme získali 3D štruktúru štyroch najstabilnejších konformérov študovanej látky a následne simulovali ich spektrá VCD, ECD, IR a UV. Tieto spektrá boli ďalej porovnávané so spektrami experimentálnymi s využitím pomocou indexu podobnosti spektier. Jeho vysoká hodnota overila správnosť predikcie, a tak sme mohli spoľahlivo určiť absolútnu konfiguráciu enantiomérov a získať podrobné stereochemické informácie o molekule 4F-bufedronu v roztoku.  

Z hlediska efektivity terapie je v současném vývoji moderních lékových forem trendem uplatnění nanočástic a systémů umožňujících cílený transport a uvolňovaní léčiv. Zajímavým přístupem k dané problematice je idea využití obnovitelného a všudypřítomného biologického materiálu – pylových zrn. Jejich skořápky jsou velikostně homogenní přírodní mikrokapsule chránící genetický materiál rostlin před environmentálními vlivy. Proto se vyznačují dobrou elasticitou, rezistencí vůči kyselým a zásaditým látkám, ochranou obsahu před UV zářením a odolností vůči teplotám do 250 °C, což z nich taky dělá potenciálně vhodné nosiče léčiv. Po vyčištění pylových zrn od alergenních látek může být aktivní farmaceutická látka chemicky nebo fyzikálně navázaná na povrch skořápky, nebo zapouzdřena dovnitř. Pro zlepšení kontroly uvolňování léčiva je možné přidat vhodné ochranné vrstvy na povrch, nebo umístnění vyhovující matrice dovnitř spolu s účinnou látkou. Pro strukturní a chemickou charakterizaci povrchu pylových zrn (např. řepky, pohanky, jetelu) byly využity neinvazivní a nedestruktivní pokročilé analytické techniky. Zejména mikroskopie atomárních sil (AFM), skenovací infračervená mikroskopie blízkého pole (SNIM) a klasické metody vibrační spektroskopie.   

Činnost slinivky břišní může být narušena různými onemocněními, z nichž nejzávažnějším je karcinom pankreatu. Tato choroba je čtvrtou nejčastější příčinou úmrtí na nádorová onemocnění a šance na dožití se pěti let od diagnózy nepřekračuje 5 %. Značně nepříznivá prognóza je způsobena absencí dostatečně specifické a senzitivní metody diagnostiky, která by umožnila odhalení této vysoce agresivní formy rakoviny v raném stádiu.  Průběh karcinomu pankreatu je provázen biochemickými změnami v organizmu odrážejícími se v krvi a krevní plazmě. Nejenže je možné pozorovat odlišnosti v koncentraci proteinů a dalších esenciálních biomolekul, ale dochází i k narušení jejich strukturních motivů. Tyto změny se mohou projevit již v preklinickém stádiu a mohou být vysoce specifické. Toho lze využít a změny analyzovat pomocí citlivých spektroskopických metod. V této práci byla krevní plazma pacientů s karcinomem pankreatu a kontrolních jedinců podrobena analýze elektronovým cirkulárním dichroismem a infračervenou spektroskopií.  Významnou roli pro ověření využitelnosti výše zmíněných technik pro diagnostiku karcinomu pankreatu hraje statistické vyhodnocení. Využitím diskriminační analýzy byl vytvořen statistický model spolehlivě rozdělující vzorky pacientů s karcinomem pankreatu od kontrolní skupiny.