Các nhà nghiên cứu tại SLAC đang phát triển một phương pháp kích hoạt bằng ánh sáng mới để tạo ra các phân tử nitrosoxide, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng y sinh trong tương lai. Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã thu được những hiểu biết có giá trị về việc sản xuất oxit nitric, một phân tử có tiềm năng ứng dụng trong y sinh.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật quang phổ tia X tiên tiến tại Nguồn sáng bức xạ Synchrotron Stanford (SSRL) của SLAC để hiểu sâu hơn về các tính chất hóa học của nitroxide. Nguồn: Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Greg Stewart/SLAC

Trong khi oxit nitric (NO) từ lâu đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu vì những tác dụng sinh lý đáng kể của nó, thì người anh em họ ít được biết đến hơn của nó, hyponitrite (HNO), phần lớn vẫn chưa được khám phá.

Nghiên cứu được công bố gần đây trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, là kết quả của nỗ lực chung giữa laser tia X Nguồn sáng kết hợp tuyến tính (LCLS) của SLAC và nhóm Nguồn sáng bức xạ Synchrotron Stanford (SSRL).

Axit nitric có nhiều tác dụng sinh lý tương tự như oxit nitric, chẳng hạn như chống lại vi khuẩn, ngăn ngừa cục máu đông, thư giãn và làm giãn mạch máu, v.v., đồng thời còn có các đặc tính trị liệu bổ sung, chẳng hạn như hiệu quả trong điều trị suy tim, cũng như hoạt động chống oxy hóa mạnh hơn và khả năng chữa lành vết thương. Tuy nhiên, nó không phải là chất tồn tại lâu dài về mặt hóa học, vì vậy các phương pháp có thể phân phối nó theo hướng là chìa khóa cho các ứng dụng y sinh trong tương lai.

Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào một phân tử độc đáo - phức hợp sắt-nitroso (Fe-NO). Nghiên cứu của họ nhằm mục đích tìm hiểu bản chất phức tạp của liên kết Fe-NO trước và sau khi chiếu xạ ánh sáng để hiểu được mức độ phức tạp của quá trình tạo ra nitrosyl. Họ phát hiện ra rằng việc cho phân tử tiếp xúc với ánh sáng quang học có thể phá vỡ liên kết của nó, có khả năng tạo ra nitrosoxide.

"Mặc dù nghiên cứu này là cơ bản nhưng chúng tôi hy vọng rằng các nhà nghiên cứu khác sẽ có thể sử dụng những gì chúng tôi học được từ phân tử này để xây dựng các công nghệ trị liệu bằng cách tối ưu hóa các phân tử dược phẩm tương tự", nhà khoa học và cộng tác viên SLAC Leland Gee cho biết. “Ý tưởng là tạo ra một phân tử giải phóng HNO ở những nơi cần thiết trong cơ thể và chiếu xạ nó để nó giải phóng các đặc tính chữa bệnh của nó.”

Một trong những thách thức mà nhóm nghiên cứu phải đối mặt là sự phân bố không rõ ràng của các electron trong phức hợp sắt-NO giữa nguyên tử sắt và phối tử nitroso (một phân tử hoặc ion liên kết với nguyên tử hoặc ion kim loại trung tâm), điều này làm hạn chế lượng thông tin có thể thu được bằng các phương pháp truyền thống. Các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật quang phổ tia X tiên tiến tại SSRL, cho phép họ nghiên cứu sâu hơn về tính chất hóa học của các phân tử và liên kết của chúng, mang lại sự hiểu biết đầy đủ hơn về hệ thống Fe-NO và phản ứng của nó với ánh sáng.

Trong công việc tiếp theo, các nhà khoa học có kế hoạch khám phá sâu hơn mức độ phức tạp của quá trình phá vỡ liên kết và cách tối ưu hóa quá trình sản xuất oxit nitrat hoặc oxit nitric. Họ cũng đang xem xét việc thay thế sắt bằng các kim loại khác để hiểu rõ hơn về quá trình phát quang.

"Trong nghiên cứu này, chúng tôi hiểu được phân tử ban đầu và sản phẩm cuối cùng của nó sau khi tiếp xúc với ánh sáng", Gee nói. "Vẫn còn nhiều sắc thái cần khám phá trong quá trình thực sự phá vỡ liên kết và giải phóng nitroxide khỏi phân tử. Bước nào trong quy trình quyết định sự giải phóng oxit nitric? Làm cách nào chúng ta có thể điều chỉnh cấu trúc hệ thống để tạo ra một trong hai phân tử?"

Công trình này giúp hiểu rõ những đặc tính nào cần được theo dõi trong các thí nghiệm trong tương lai tại LCLS, nơi các nhà khoa học sẽ có thể chụp ảnh nhanh quá trình quang hóa oxit nitric trong thời gian thực.

Gee cho biết: “Thông tin chúng tôi thu được làm nổi bật sức mạnh của phương pháp này và cung cấp kế hoạch chi tiết cho các nghiên cứu trong tương lai về những phân tử này và các phân tử tương tự tại LCLS”.

Nghiên cứu này mang lại hy vọng cho cộng đồng y tế và bệnh nhân, những người có thể được hưởng lợi từ các ứng dụng trong tương lai.

"Mặc dù chúng ta vẫn còn lâu mới khai thác được ánh sáng của các phân tử này để điều trị bệnh tim mạch nghiêm trọng, nhưng sự hiểu biết cơ bản về các phân tử này sẽ cung cấp nền tảng vững chắc cho nghiên cứu ứng dụng trong tương lai", Gee nói. “Điều này có thể dẫn đến những cách hoàn toàn mới để sử dụng ánh sáng để điều trị bệnh tim mạch, nhiễm trùng do vi khuẩn, ung thư và các vấn đề sức khỏe khác”.