Molekulární otisk - Molecular imprinting

Tento článek je o polymerní chemii. Termín "molekulární otisk" se také používá ve významu genetický otisk.

Molekulární otisk je technika pro vytváření dutin ve tvaru šablony polymer matice s předem stanovenou selektivitou a vysokou afinitou.[1] Tato technika je založena na systému používaném enzymy pro Podklad rozpoznávání, kterému se říká model „zámek a klíč“. Aktivní vazebné místo enzymu má tvar specifický pro substrát. Substráty s doplňkovým tvarem k vazebnému místu se selektivně váží na enzym; alternativní tvary, které se nevejdou na vazebné místo, nejsou rozpoznány.

Molekulárně potištěné materiály se připravují pomocí templátové molekuly a jsou funkční monomery které se shromáždí kolem šablony a následně se navzájem zesíťují. Monomery, které jsou samostatně sestavené kolem molekuly šablony interakcí mezi funkční skupiny na templátu i na monomerech jsou polymerizovány za vzniku potištěné matrice (obecně známé ve vědecké komunitě jako a polymer s molekulárním potiskem (MIP)). Šablona je následně částečně nebo úplně odstraněna,[1] zanechává po sobě dutinu doplňkovou velikostí a tvarem k šabloně. Získaná dutina může fungovat jako selektivní vazebné místo pro templátovanou molekulu.

Příprava materiálu s molekulárním potiskem

V posledních desetiletích byla vyvinuta technika molekulárního otisku pro použití v dodávka léků, separace, biologické a chemické snímání a další. S využitím tvarové selektivity dutiny použijte v katalýza u některých reakcí bylo také usnadněno.

Dějiny

První příklad molekulárního otisku je přičítán M. V. Polyakovovi v roce 1931 studiemi polymerizace křemičitan sodný s uhličitan amonný. Když byl polymerační proces doprovázen přísadou, jako je benzen výsledný oxid křemičitý vykázal vyšší absorpci této přísady.[1] V roce 1949 použil koncept instruktážní teorie molekulárního otisku Dickey; jeho výzkum vysrážel křemičité gely v přítomnosti organických barviv a ukázal, že potištěný oxid křemičitý měl vysokou selektivitu vůči templátovému barvivu.[2]

Na základě Dickeyho pozorování zveřejnil Patrikeev dokument o svém „otisknutém“ oxidu křemičitém s metodou inkubace bakterií s gelovým oxidem křemičitým. Proces sušení a zahřívání oxidu křemičitého podporoval růst bakterií lépe než jiné referenční oxidy křemičité a vykazoval se enantioselektivita.[3] Později použil tuto metodu potištěného oxidu křemičitého v dalších aplikacích, jako je tenkovrstvá chromatografie (TLC) a vysoce účinná kapalinová chromatografie (HPLC). V roce 1972 představili Wulff a Klotz molekulární otisky organických polymerů. Zjistili, že molekulární rozpoznávání je možné kovalentním zavedením funkčních skupin do potištěné dutiny polymerů.[4][5] Skupina Mosbach poté dokázala, že je možné zavést funkční skupiny do otisknutých dutin prostřednictvím nekovalentních interakcí, což vedlo k nekovalentnímu otisku.[6][7] Mnoho přístupů týkajících se molekulárního otisku bylo od té doby rozšířeno na různé účely.[1]

Typ molekulárního otisku

Kovalentní

Při kovalentním potisku je templátová molekula kovalentně navázána na funkční monomery které se potom polymerují společně. Po polymeraci se polymerní matrice odštěpí z templátové molekuly a ponechá se dutina ve tvaru templátu. Po navázání na původní molekulu se vazebná místa bude interagovat s cílovou molekulou a obnoví kovalentní vazby.[8][9] Během tohoto obnovení se získá kinetika spojená s vazbou vazby a rozbitím vazby zpět. Otištěná molekula je poté uvolněna z templátu, ve kterém by se pak znovu spojila s cílovou molekulou a vytvořila stejné kovalentní vazby, které byly vytvořeny před polymerací.[7] Mezi výhody tohoto přístupu patří funkční skupina, která je spojena výhradně s vazebnými místy, [1] vyhýbání se jakékoli nespecifické vazbě. Potištěná molekula také vykazuje homogenní distribuci vazebných míst, což zvyšuje stabilitu komplexu templát-polymer.[7] Existuje však několik typů sloučenin, které lze použít k potisku templátových molekul prostřednictvím kovalentní vazby, jako je například alkoholy, aldehydy a ketony, z nichž všechny mají vysokou kinetiku formování.[10][11] V některých případech může být opětovné navázání polymerní matrice s templátem velmi pomalé, což činí čas tohoto přístupu neúčinným pro aplikace, které vyžadují rychlou kinetiku, jako je například chromatografie.

Nekovalentní

S nekovalentním potiskem jsou interakční síly mezi templátovou molekulou a funkčním monomerem stejné jako interakční síly mezi polymerní matricí a analyt. Síly zapojené do tohoto postupu mohou zahrnovat Vodíkové vazby, interakce dipólu s dipóly, a indukované dipólové síly.[1] Tato metoda je nejpoužívanějším přístupem k vytváření MIP díky snadné přípravě a široké škále funkčních monomerů, které mohou být navázány na templátovou molekulu. Mezi funkčními skupinami kyselina methakrylová je nejčastěji používanou sloučeninou díky své schopnosti interagovat s jinými funkčními skupinami.[12][13] Dalším způsobem, jak střídat nekovalentní interakci mezi templátovou molekulou a polymerem, je technika „návnada a výměna“. V tomto procesu se funkční skupiny nejdříve nekovalentně spojí s vazebným místem, ale během kroku opětného navázání vytvoří polymerní matrice nevratné kovalentní vazby s cílovou molekulou.[14][15]

Iontový / kovový

Iontový otisk, který zahrnuje kov ionty, slouží jako přístup ke zvýšení interakce templátové molekuly a funkčního monomeru ve vodě.[16] Typicky kovové ionty slouží jako a prostředník během procesu potisku. Zesíťování polymery, které jsou v přítomnosti kovového iontu, vytvoří matrici, která je schopná se vázat na kov.[17] Kovové ionty mohou také zprostředkovat molekulární otisk vazbou na řadu funkčních monomerů, kde ligandy darovat elektrony k nejvzdálenějším orbitální kovového iontu.[1] Kromě zprostředkování otisku mohou být při přímém potisku použity ionty kovů. Například kovový iont může sloužit jako šablona pro proces otisku.[18]

Aplikace

Jedna aplikace technologie molekulárního otisku je založena na afinitě separace pro biomedicínskou, environmentální a potravinovou analýzu. Předkoncentraci a zpracování vzorků lze provést odstraněním cílového stopového množství analytů ve vzorcích pomocí MIP. Proveditelnost MIP v roce 2006 extrakce na pevné fázi, mikroextrakce na pevné fázi a extrakce sorpcí míchací tyčí byla studována v několika publikacích.[19] Kromě toho mohou chromatografické techniky, jako je HPLC a TLC, využívat MIP jako obalové materiály a stacionární fáze pro separaci templátových analytů. Bylo pozorováno, že kinetika nekovalentně potištěných materiálů je rychlejší než materiály připravené kovalentním přístupem, takže nekovalentní MIP se běžněji používají v chromatografii.[20]

Další aplikací je použití molekulárně potištěných materiálů jako chemických a biologických senzory. Byly vyvinuty s cílem zaměřit se na herbicidy, cukry, léky, toxiny a páry. Senzory založené na MIP mají nejen vysokou selektivitu a vysokou citlivost, ale mohou také generovat výstupní signály (elektrochemické, optické nebo piezoelektrické) pro detekci. To umožňuje jejich použití při snímání fluorescence, elektrochemickém snímání, snímání chemiluminiscence a snímání UV-Vis.[7][20] Oblastem rostoucího zájmu jsou také forenzní aplikace, které se zabývají odhalováním nelegálních drog, zakázaných sportovních drog, toxinů a chemických bojových látek.[21]

Molekulární otisky se neustále objevovaly v oblastech jako dodávka léků a biotechnologie. Selektivní interakce mezi templátem a polymerní matricí lze využít při přípravě umělých protilátky. Na trhu s biofarmaceutiky lze separaci aminokyselin, chirálních sloučenin, hemoglobinu a hormonů dosáhnout pomocí MIP adsorbenty. Byly prozkoumány metody využití technik molekulárního otisku pro napodobování lineárních a polyaniontových molekul, jako je DNA, proteiny a sacharidy.[22] Oblast výzev je protein potisk. Velké, ve vodě rozpustné biologické makromolekuly představovaly problém pro molekulární otisk, protože jejich konformační integrita nemůže být zajištěna v syntetickém prostředí. Současné způsoby navigace v tomto zahrnují imobilizaci templátových molekul na povrchu pevných substrátů, čímž se minimalizuje agregace a řízení templátových molekul tak, aby byly lokalizovány na povrchu potištěných materiálů.[21] Kritický přehled molekulárního otisku proteinů vědci z Utrechtské univerzity však zjistil, že je nutné další testování.[23]

Farmaceutické aplikace zahrnují selektivní podávání léků a kontrolní systémy uvolňování léků, které využívají stabilní konformace MIP, rychlé rovnovážné uvolňování a odolnost vůči enzymatickému a chemickému stresu.[7] Bylo také prozkoumáno inteligentní uvolňování léčiva, uvolňování terapeutického činidla v důsledku specifických podnětů. Ukázalo se, že molekulárně potištěné materiály inzulínu a jiných léčiv v nanoměřítku vykazují vysokou adsorpční kapacitu pro své příslušné cíle, což ukazuje obrovský potenciál pro nově nalezené systémy pro dodávání léčiv.[24] Ve srovnání s přirozeným receptory „MIP mají také vyšší chemickou a fyzikální stabilitu, snadnější dostupnost a nižší náklady. MIP by mohly být použity zejména ke stabilizaci proteinů, zejména k selektivní ochraně proteinů před denaturací z tepla.[25]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F G Alexander, Cameron; Andersson, Håkan S .; Andersson, Lars I .; Ansell, Richard J .; Kirsch, Nicole; Nicholls, Ian A .; O'Mahony, John; Whitcombe, Michael J. (2006). „Molekulární otisk vědy a technologie: Přehled literatury pro roky do roku 2003 včetně (včetně)“. Journal of Molecular Recognition. 19 (2): 106–180. doi:10,1002 / jmr.760. PMID  16395662. S2CID  37702488.
  2. ^ Dickey, Frank (1955). "Specifická adsorpce". The Journal of Physical Chemistry. 59 (8): 695–707. doi:10.1021 / j150530a006.
  3. ^ Patrikeev, V .; Smirnova, G .; Maksimova (1962). "Některé biologické vlastnosti specificky vytvořeného oxidu křemičitého". Nauk SSSR. 146: 707.
  4. ^ Wulff, G .; Sarhan, A. "Využití polymerů se strukturami analogickými k enzymu pro štěpení racemátů". Angew. Chem. Int. Vyd. (11): 341–346.
  5. ^ Takagishi, Toru; Klotz, Irving (1972). "Interakce makromolekula-malá molekula; Zavedení dalších vazebných míst v polyethyleniminu disulfidovými příčnými vazbami". Biopolymery. 11 (2): 483–491. doi:10.1002 / bip.1972.360110213. PMID  5016558. S2CID  43855200.
  6. ^ Sellergren, B. (1997). "Nekovalentní molekulární otisk: molekulární rozpoznávání podobné protilátkám v polymerních síťových materiálech". Trendy v analytické chemii. 16 (6): 310–320. doi:10.1016 / S0165-9936 (97) 00027-7.
  7. ^ A b C d E Shah, Nasrullah (2012). „Stručný přehled molekulárně otištěných polymerů: od základů po aplikace“. Journal of Pharmacy Research. 5: 3309.
  8. ^ Wulff, G .; Dederichs, R .; Grotstollen, R .; Jupe, C. (1982). „Afinitní chromatografie a související techniky - teoretické aspekty / průmyslové a biomedicínské aplikace“. Sborník ze 4. mezinárodního sympozia. 4: 22–26.
  9. ^ Wulff, G. (1982). "Selektivní vazba na polymery prostřednictvím kovalentních vazeb. Konstrukce chirálních dutin jako specifická receptorová místa". Čistá a aplikovaná chemie. 54 (11): 2093–2102. doi:10.1351 / pac198254112093. S2CID  55884626.
  10. ^ Andersson, Lars (2000). "Molekulární imprinting: Vývoj a aplikace v oblasti analytické chemie". Journal of Chromatography. B, Biomedicínské vědy a aplikace. 745 (1): 3–13. doi:10.1016 / S0378-4347 (00) 00135-3. PMID  10997701.
  11. ^ Hongyuan, Yan; Row, Kyung (2006). "Charakteristický a syntetický přístup molekulárně potištěného polymeru". International Journal of Molecular Sciences. 7.
  12. ^ Andersson, Lars; Sellergren, Borje; Mosbach, Klaus (1984). "Otisk derivátů aminokyselin v makroporézních polymerech". Čtyřstěn dopisy. 25 (45): 5211–5214. doi:10.1016 / S0040-4039 (01) 81566-5.
  13. ^ Kempe, Maria; Mosbach, Klaus (1995). "Separace aminokyselin, peptidů a proteinů na molekulárně potištěných stacionárních fázích". Journal of Chromatography. 691 (1–2): 317–323. doi:10.1016 / 0021-9673 (94) 00820-Y. PMID  7894656.
  14. ^ Subrahmanyam, Sreenath; Piletsky, Sergey; Piletska, Elena; Chen, Beining; Karim, Kal; Turner, Anthony (2001). "'Přístup „Bite-and-Switch“ využívající výpočetně navržené molekulárně potištěné polymery pro snímání kreatininu “. Biosenzory a bioelektronika - BIOSENS BIOELECTRON. 16 (9–12): 631–637. doi:10.1016 / S0956-5663 (01) 00191-9. PMID  11679238.
  15. ^ Piletsky, Sergey; Piletska, Elena; Subrahmanyam, Sreenath; Karim, Kal; Turner, Anthony (2001). „Nový reaktivní polymer vhodný pro kovalentní imobilizaci a monitorování primárních aminů“. Polymer. 42 (8): 3603–3608. doi:10.1016 / S0032-3861 (00) 00739-4. hdl:1826/803.
  16. ^ Yavuz, H .; Řekněme, R .; Denizli, A (2005). "Odstranění železa z lidské plazmy na základě molekulárního rozpoznávání pomocí potištěných kuliček". Věda o materiálech a inženýrství. 25 (4): 521–528. doi:10.1016 / j.msec.2005.04.005.
  17. ^ Xu, L .; Huang, Y .; Zhu, Q .; Ye, C. (2015). „Chitosan v polymerech s molekulárním potiskem: současné a budoucí vyhlídky“. International Journal of Molecular Sciences. 16 (8): 18328–18347. doi:10,3390 / ijms160818328. PMC  4581248. PMID  26262607.
  18. ^ Nishide, H .; Tsuchida, E. (1976). „Selektivní adsorpce kovových iontů na poly (4-vinylpyridinové) pryskyřici, ve kterých je ligandový řetězec imobilizován zesítěním“. Die Makromolekulare Chemie: Makromolekulární chemie a fyzika. 177 (8): 2295–2310. doi:10.1002 / macp.1976.021770807.
  19. ^ Chen, Lingxin; Wang, Xiaoyan; Lu, Wenhui; Wu, Xiaqing; Li, Jinhua (2016). „Molecular imprinting: Perspectives and applications“. Recenze chemické společnosti. 45 (8): 2137–2211. doi:10.1039 / C6CS00061D. PMID  26936282.
  20. ^ A b Haupt, Karsten (2003). „Molekulárně potištěné polymery: nová generace“. Analytická chemie. 75 (17): 376A – 383A. doi:10.1021 / ac031385h. PMID  14632031.
  21. ^ A b Yılmaz, E .; Garipcan, B .; Patra, H .; Uzun, L. (2017). „Aplikace molekulárního otisku ve forenzní vědě“. Senzory. 17 (4): 691. doi:10,3390 / s17040691. PMC  5419804. PMID  28350333.
  22. ^ WO WO196040822A1 „Domb, Abraham,„ Preparation of biologically active addresses by mole-imprinting “, publikováno 1996-12-19 
  23. ^ Verheyen, Ellen; Schillemans, Joris; Wijk, Martin; Demeniex, Marie-Astrid; Hennink, Wim; Nostrum, Cornelus (2011). "Výzvy pro efektivní molekulární otisky proteinů". Biomateriály. 32 (11): 3008–20. doi:10.1016 / j.biomaterials.2011.01.007. PMID  21288565.
  24. ^ Paul, Pijush; Treetong, Alongkot; Suedee, Roongnapa (2017). „Biomimetické polymerní nanočástice s potiskem inzulínu jako potenciální systém pro dodávání léčiv orálně“. Acta Pharmaceutica. 67 (2): 149–168. doi:10.1515 / acph-2017-0020. PMID  28590908.
  25. ^ Liu, Yibin; Zhai, Junqiu; Dong, Jiantong; Zhao, Meiping (2015). „Magnetické povrchové potištěné hydrogelové nanočástice pro specifickou a reverzibilní stabilizaci proteinů“. Molekulární otisk. 3. doi:10,1515 / molim-2015-0006.

Další čtení