Chemia bioanalityczna i spektroskopia molekularna

Zespół Chemii Bioanalitycznej i Spektroskopii Molekularnej skupia swoje zainteresowania naukowe na biologicznie aktywnych pochodnych kumaryny oraz 1,3,4-tiadiazolu. Substancje te wykazują szeroki zakres aktywności biologicznej, stąd są one interesujące w kontekście możliwości ich zastosowania w charakterze środków terapeutycznych. Zupełną nowością zespołu jest projektowanie i syntezowanie nowatorskich, hybrydowych pochodnych kumaryny i 1,3,4,-tiadiazolu. Efektem połączenia dwóch farmakoforów potencjalnie mogą być związki o podniesionej aktywności charakterystycznej do jednej z jego aktywnych składowych lub o zupełnie nowym spektrum działania.

Oprócz szerokiego zakresu aktywności biologicznej kumaryny i 1,3,4-tiadiazole wykazują także szereg charakterystycznych właściwości fizykochemicznych tj. silną absorpcja promieniowania UV-Vis oraz intensywna emisja fluorescencji. Z tego względu wybrane pochodne kumaryny otrzymywane w naszym zespole przez dr inż. Dariusza Karcza i stanowią materiał badawczy dla dr inż. Karoliny Starzak, której zainteresowania naukowe skupiają się na bioanalityce nowych pochodnych kumarynowych pod kątem ich zastosowania m.in. jako markerów fluorescencyjnych wybranych reaktywnych form tlenu, azotu lub chloru. Reaktywne formy tlenu (ROS), azotu (RNS), lub chloru (RCS) pełnią w organizmie człowieka niezwykle ważne funkcje w procesach regulacji funkcji fizjologicznych, sygnalizacji komórkowej, regulacji proliferacji, różnicowania czy apoptozy komórek. Ponadto ROS, RNS oraz RCS biorą udział w odpowiedzi immunologicznej organizmu przeciwko obcym patogenom, w niektórych reakcjach metabolicznych i enzymatycznych pełnią funkcję substratów oraz uczestniczą w procesach aktywacji niektórych białek transportowych i enzymów. Ze względu na swoją wysoką reaktywność in vivo ich stężenie w komórkach i w płynach fizjologicznych jest ściśle kontrolowane. Zaburzenie kontroli nad wytwarzaniem lub dezaktywowaniem tych poszczególnych indywiduów może prowadzić do stanów patologicznych, a w skrajnych przypadkach do uszkadzania komórek i/lub organelli organizmu gospodarza, np. w wyniku nadprodukcji tych reaktywnych cząsteczek. Sensory nad którymi badania prowadzi dr inż. Karolina Starzak mają za zadanie wykrywać obecność tego typu reaktywnych indywiduów chemicznych in vivo oraz in vitro, a także przyczyniać się do niwelowania ich nadmiaru lub dezaktywowania ich aktywności.

Zainteresowania naukowe dr inż. Dariusza Karcza obejmują otrzymywanie wspomnianych nowych pochodnych kumaryny oraz 1,3,4-tiadiazolu ze szczególnym uwzględnieniem pochodnych wykazujących zdolność do chelatowania jonów metali, w tym jonów Cu(II) oraz Zn(II), których śladowe ilości są niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu ludzkiego. Zainteresowanie projektowaniem nowych ligandów organicznych do kompleksacji jonów metali wynika z faktu iż, niektóre biologicznie aktywne substancje wykazują znaczne podwyższenie aktywności po połączeniu ich w aktywne metalokompleksy. W zależności od centralnego jonu metalu substancje takie mogą wykazywać działanie przeciwnowotworowe, przeciwbakteryjne, przeciwgrzybicze lub anty-neurodegeneracyjne.   W swojej pracy badawczej dr Dariusz Karcz stosuje klasyczne metody syntezy w połączeniu z szeregiem metod spektroskopowych tj. spektroskopia UV-Vis, IR, NMR, fluorescencja (stacjonarna oraz czasowo-rozdzielcza), AAS, a także metody chromatograficzne tj. HPLC i LC-MS.

W Zespole Chemii Bioanalitycznej i Spektroskopii Molekularnej są badania bioaktywności nowo syntezowanych struktur pod kątem ich potencjalnego zastosowania jako środków terapeutycznych, a w szczególności anty-neurodegeneracyjnych. Medycyna i farmakologia nie ma obecnie skutecznego sposobu leczenia wrodzonych lub nabytych chorób układu nerwowego. Zaburzenia funkcji motorycznych czy postępująca demencja są problemami dotykającymi bezpośrednio nie tylko osoby chore ale oddziałowującymi silnie także na wszystkich z ich najbliższego otoczenia. Nauka nie zna aktualnie jednoznacznych przyczyn rozwoju chorób neurodegeneracyjnych, co skutkuje tym, że i poszukiwanie skutecznych farmaceutyków przebiega różnokierunkowo. Zapobieganie powstawaniu złogów β-amyloidowych (inhibicja prekursorów β-amyloidów), badania na otrzymaniem odwracalnych inhibitorów acetylocholinoesterazy (AChE), butyrylocholinoesterazy (BuChE) czy inhibitorów monoaminooksygenazy (MAO) są dominującymi zagadnieniami, nad którymi skupiają się naukowcy poszukując związków aktywnych o potencjale anty-neurodegeneracyjnym. W zespole Chemii Bioanalitycznej i Spektroskopii Molekularnej prowadzone są badania w kontekście zdolności nowo syntezowanych związków do chelatowania jonów Zn²⁺ i Cu²⁺, których zaburzona homeostaza przyczynia się do formowania złogów amyloidowych oraz prowadzone są testy w kierunku potencjalnej inhibicji enzymów AChE, BuChE i MAO.

Istotnym aspektem pracy badawczej zespołu jest także badanie przydatności nowo otrzymanych substancji jako potencjalnych sensorów jonów metali oraz sond fluorescencyjnych zdolnych do wykrywania obecności jonów metali. Substancje takie mogą znaleźć zastosowanie w oznaczaniu i monitorowaniu zanieczyszczeń środowiska naturalnego (wód, gleby itp.), jak również mogą przyczynić się do opracowania nowoczesnych środków terapeutycznych, których mechanizm działania jest związany z regulacją zaburzeń homeostazy jonów metali w organizmie.

Zespół Chemii Bioanalitycznej i Spektroskopii Molekularnej pracuje w ścisłej współpracy z różnymi ośrodkami naukowymi, w tym:

• Uniwersytetem Przyrodniczym w Lublinie
• Politechniką Rzeszowską
• Uniwersytetem Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie
• School of Chemical and Pharmaceutical Sciences, Technological University Dublin
• University of Ljubljana

Prezentacja profilu naukowego Zespołu Chemii Bioanalitycznej i Spektroskopii Molekularnej: TUTAJ 

LISTA NAJWAŻNIEJSZYCH PUBLIKACJI NAUKOWYCH ZESPOŁU:

Dróżdż, A.; Kubera, D.; Sławińska-Brych, A.; Matwijczuk, A.; Ślusarczyk, L.; Czernel, G.; Karcz, D.; Olender, A.; Bogut, A.; Pietrzak, D.; Dąbrowski, W.; Stepulak, A.; Wójcik-Załuska, A.; Gagoś, M.; Synergistic antifungal interactions between antibiotic amphotericin B and selected 1,3,4-thiadiazole derivatives, determined by microbiological, cytochemical, and molecular spectroscopic studies. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, (4).

Dariusz Karcz, Karolina Starzak, Ewa Ciszkowicz, Katarzyna Lecka-Szlachta, Daniel Kamiński, Bernadette Creaven, Anna Miłoś, Hollie Jenkins, Lidia Ślusarczyk, Arkadiusz Matwijczuk; Design, spectroscopy, and assessment of cholinesterase inhibition and antimicrobial activities of novel coumarin– thiadiazole hybrids Int. J. Mol. Sci. 2022, 23 (11)

Dróżdż, Agnieszka; Sławińska-Brych, Adrianna; Kubera, Dominika; Kimsa-Dudek, Magdalena; Gola, Joanna Magdalena; Adamska, Jolanta; Kruszniewska-Rajs, Celina; Matwijczuk, Arkadiusz; Karcz, Dariusz; Dąbrowski, Wojciech; Stepulak, Andrzej; Gagoś, Mariusz, Effect of antibiotic amphotericin B combinations with selected 1,3,4-thiadiazole derivatives on RPTECs in an In Vitro model. Int. J. Mol. Sci., 2022, 23, (23)

Dariusz Karcz, Karolina Starzak, Ewa Ciszkowicz, Katarzyna Lecka-Szlachta, Daniel Kamiński, Bernadette Creaven, Holie Jenkins, Piotr Radomski, Anna Miłoś, Lidia Ślusarczyk, Arkadiusz Matwijczuk; Novel coumarin-thiadiazole hybrids and their Cu(II) and Zn(II) complexes as potential antimicrobial agents and acetylcholinesterase inhibitors Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, (18)

Czernel, G.; Budziak, I.; Oniszczuk, A.; Karcz, D.; Pustuła, K.; Górecki, A.; Matwijczuk, A.; Gładyszewska, B.; Gagoś, M.; Niewiadomy, A.; Matwijczuk, A., ESIPT-related origin of dual fluorescence in the selected model 1,3,4-thiadiazole derivatives. Molecules 2020, 25, (18).

Starzak, K.; Świergosz, T.; Matwijczuk, A.; Creaven, B.; Podleśny, J.; Karcz, D., Anti-hypochlorite, antioxidant, and catalytic activity of three polyphenol-rich super-foods investigated with the use of coumarin-based sensors. Biomolecules 2020, 10, (5). 

Dariusz Karcz, Arkadiusz Matwijczuk, Daniel Kamiński, Bernadette Creaven, Ewa Ciszkowicz, Katarzyna Lecka-Szlachta, Karolina Starzak; Structural features of 1,3,4-thiadiazole-derived ligands and their Zn(II) and Cu(II) complexes which demonstrate synergistic antibacterial effects with kanamycin. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21 (16)

Niemczynowicz, A.; Budziak, I.; Kulesza, S.; Górecki, A.; Makowski, M.; Karcz, D.; Starzak, K.; Gładyszewska, B.; Podleśny, J.; Piotrowicz-Cieślak, A. I.; Matwijczuk, A., Spectroscopic and theoretical studies of fluorescence effects induced by the ESIPT process in a new derivative 2-Hydroxy-N-(2-phenylethyl)benzamide – Study on the effects of pH and medium polarity changes. PLoS ONE 2020, 15, (2).

Starzak, K.; Creaven, B.; Matwijczuk, A.; Matwijczuk, A.; Karcz, D., Anti-hypochlorite and catalytic activity of commercially available Moringa oleifera diet supplement. Molecules 2019, 24, (18).

Iwona Budziak, Dariusz Karcz, Marcin Makowski, Kamila Rachwał, Karolina Starzak, Alicja Matwijczuk, Beata Myśliwa-Kurdziel, Anna Oniszczuk, Maciej Combrzyński, Anna Podleśna, Arkadiusz Matwijczuk; Non-typical fluorescence effects and biological activity in selected 1,3,4-thiadiazole derivatives: Spectroscopic and theoretical studies on substituent, molecular aggregation, and pH effects. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 5494;

MacLean, L.; Karcz, D.; Jenkins, H.; McClean, S.; Devereux, M.; Howe, O.; Pereira, M. D.; May, N. V.; Enyedy, É. A.; Creaven, B. S., Copper(II) complexes of coumarin-derived Schiff base ligands: Pro- or antioxidant activity in MCF-7 cells? J. Inorg. Biochem. 2019, 197.

Starzak, K.; Matwijczuk, A.; Creaven, B.; Matwijczuk, A.; Wybraniec, S.; Karcz, D., Fluorescence quenching-based mechanism for determination of hypochlorite by coumarin-derived sensors. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, (2).

Dariusz Karcz, Karolina Starzak, Arkadiusz Matwijczuk, Ewa Ciszkowicz, Katarzyna Lecka-Szlachta, Alicja Matwijczuk, Anna Ciupak, Bożena Gładyszewska, Andrzej Niewiadomy; Otrzymywanie, spektroskopia i biologiczna aktywność kompleksów Cu(II) i Zn(II) z pochodnymi 1,3,4-tiadiazolu. Przemysł Chemiczny, 2018, 97 (7), 1000-1006

Dariusz Karcz, Karolina Starzak, Arkadiusz Matwijczuk, Bożena Gładyszewska, Alicja Matwijczuk, Andrzej Niewiadomy, Mariusz Gagoś; Otrzymywanie, spektroskopia i właściwości antyoksydacyjne nowych pochodnych 1,3,4-tiadiazolu w postaci hybryd tiadiazolo-kumarynowych. Przemysł Chemiczny, 2017, 96 (10), 2157-2161