Dr. Jekyll und zweimal Mr. Hyde: Triplett- und Singulett-Sauerstoff

Die Erzählung von Dr. Jekyll und Mister Hyde beschäftigt sich mit dem offenkundig Harmlosen und dem dahinter verborgenen Zerstörerischen. Können Moleküle sich auch so ambivalent verhalten? Die Antwort lautet ja: Der molekulare Sauerstoff O2 ist dafür ein besonders markantes Beispiel, insbesondere weil er für das Leben auf unserem Planeten eine außerordentlich wichtige Rolle spielt und jeder Naturwissenschaftler seine eigene Geschichte dazu erzählen kann. Für den Geologen ist die „Große Sauerstoffkatastrophe“, die Zunahme an atmosphärischen Sauerstoff vor ca. 1.5 Milliarden Jahren ein essentieller Einschnitt in der Entwicklung der frühen Erde, für den Biologen spielt Sauerstofftransport und -metabolismus eine zentrale Rolle, für den Chemiker sind katalytische Oxidationsprozesse unter Beteiligung von Sauerstoff wichtig.

Schauen wir uns das ambivalente Verhalten von Sauerstoff näher an. Licht spielt auf den ersten Blick bei den oben genannten Prozessen keine Rolle, O2 erscheint uns ja als ein farbloses Gas und absorbiert somit kein sichtbares Licht. Die niedrigsten elektronisch angeregten Zustände von O2 haben im Gegensatz zum Triplett-Grundzustand (3O2) einen Singulett-Spinzustand und liegen 1.0 bzw. 1.7 eV höher (Abbildung 1). Beide Zustände sind durch direkte Absorption von elektromagnetischer Strahlung eigentlich nicht zugänglich. „Eigentlich“ meint, dass die Wahrscheinlichkeiten für diese Absorptionsprozesse annähernd Null sind. Dies ist für das Leben auf der Erde eine wichtige Tatsache, da insbesondere der erste angeregte Zustand von O2 völlig andere chemische Eigenschaften hat. Diese spielen zum Beispiel bei der photodynamischen Tumortherapie eine wichtige (positive) Rolle (siehe den Beitrag von P. Lehmann aus der Woche 37) und schädigen Zellen durch Zerstörung von biologisch relevanten Zellbestandteilen (z.B. Aminosäuren, ungesättigte Fettsäuren, usw.).

Um diesen Zustand (Mr. Hyde No. 1) zu erzeugen, kann der Prozess der Photosensibilisierung eingesetzt werden, ein beliebter Umweg in der Photochemie. Dabei wird ein Farbstoffmolekül (der Sensibilisator, Sens in Abbildung 2) durch Licht angeregt und erreicht durch Intersystem-Crossing (ISC) einen relativ langlebigen Triplettzustand, der genug Energie besitzt, um durch Energieübertragung und unter Erhalt des Gesamtspins 1Δg-1O2 zu erzeugen.[1] Welche Farbstoffe können diese Energieumwandlung eingehen? Prinzipiell alle, die Triplettzustände erzeugen und nicht sehr schnell und quantitativ durch Fluoreszenz zerfallen. Besonders gut eignen sich dafür Porphyrinfarbstoffe, die uns von der pflanzlichen Photosynthese (Chlorophyll) oder vom roten Blutfarbstoff (Hämoglobin) bekannt sind. Es sind also gerade die Farbstoffe, die möglichst keine destruktiven Eigenschaften zeigen sollten, die besonders gut 1O2 erzeugen können. Neben der Einphotonenanregung (blau) können diese Farbstoffe auch durch Zweiphotonenabsorption angeregt werden und somit auch Infrarot-Photonen (grün) eingesetzt werden, die aufgrund geringerer Wechselwirkungen eine höhere Eindringtiefe in biologisches Material haben.

Die farbstoffsensibilisierte Erzeugung von 1Δg-1O2 kann unter Laborbedingungen sehr leicht realisiert und dieser hochreaktive Zustand für viele chemische Reaktionen eingesetzt werden, z.B. für die Herstellung von Zwischenverbindungen in der Synthese des natürlichen Sesquiterpenlacton-Peroxids Artemisinin. Diese Verbindung ist schon lange als hochaktives Antimalariamittel bekannt, die Strukturaufklärung in den sechziger Jahren wurde 2015 mit dem Nobelpreis für Medizin gewürdigt.[2] In der Laborsynthese von Artemisinin wurde kürzlich ein hocheffizienter Syntheseweg mit Hilfe eines photochemischen Flußreaktors entwickelt.[3] Das breite pharmakologische Potential dieser Verbindung mannigfaltiger Derivate (Abb. 3) wurde kürzlich so beschrieben: „Activity ranges from a wonderful action against a series of parasites, in particular malaria and schistosomiasis, to bacteria, fungi and selected viruses. The latest developments indicate a potential use in adjuvant cancer chemotherapy”.[4]

Um reaktiven 1Δg-1O2 zu erzeugen, der in der photodynamischen Krebstherapie relevant ist, müssen geeignete Sensibilisatoren durch Licht angeregt werden, je nach Tumor in oberflächlichen zellulären Bereichen durch direkte Bestrahlung bzw. durch geeignete Lichtleiter (Hautkrebs oder Speiseröhrenkrebs) oder in tiefen Schichten (solide Tumoren). Die Eindringtiefe von sichtbarem Licht in tiefe Zellstrukturen setzt diesem Ansatz jedoch enge Grenzen, ein „biologisches Fenster“ mit hoher Eindringtiefe besteht lediglich im Bereich zwischen 650 und 900 Nanometer. Um in diesem Fenster mit hoher Selektivität 1Δg-1O2 zu generieren, wurde nun erstmals ein bereits lange bekanntes Phänomen eingesetzt, nämlich dass sich der höher angeregte 1Σg-Sauerstoff extrem schnell und quantitativ in den gewünschten 1Δg-Zustand umwandelt. Dieser zweite angeregte 1Σg-Zustand (Mr. Hyde No. 2) kann durch direkte Anregung mit Licht im Bereich 765 Nanometer erzeugt werden (Abbildung 4).[5]

Die Wahrscheinlichkeit für diesen Übergang ist außerordentlich klein (siehe oben), es wurden Extinktionskoeffizienten um (lediglich) 10-3 M-1cm-1 bestimmt. Viele Farbstoffmoleküle haben Extinktionskoeffizienten zwischen 102 bis 104. Mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls kann jedoch nach relativ kurzer Bestrahlungszeit Zellnekrose festgestellt werden, und eine Reihe von Ausschlussexperimenten lassen keinen Zweifel, dass diese Methode eine wirkliche Alternative zu den bekannten Möglichkeiten darstellt. Der große Vorteil der Singulett-Sauerstoff-Erzeugung über den höher angeregten 1Σg-Zustand ist, dass keine Sensibilisatoren benötigt werden, die Eindringtiefe der Anregungsstrahlung in Gewebe hoch ist und sich auch unmittelbar keine anderen reaktiven Sauerstoffspezies wie Wasserstoff-peroxid oder Superoxid bilden.

Literatur

[1] C. Schweitzer, R. Schmidt: Physical mechanisms of generation and deactivation of singlet oxygen, Chem. Rev. 2003, 103, 1685-1757.

[2] www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2015/tu-facts.html

[3] D. Kopetzki, F. Lévesque, P. H. Seeberger: A continuous-flow process for the synthesis of artemisinin, Chem. Eur. J. 2013, 19, 5450-5456.

[4] F. H. Jansen, S. A. Soomro: Chemical instability determines the biological action of the artemisinins, Curr. Med. Chem. 2007, 14, 3243-3259.

[5] M. Bregnhøj, A. Blázquez-Castro, M. Westberg, T. Breitenbach, O. R. Ogilby: Direct 765 nm optical excitation of molecular oxygen in solution and in single mammalian cells, J. Phys. Chem. B 2015, 119, 5422-5429.

[6] Diese Abbildungen stammen von Peter R. Ogilby (Aarhus University, Center for Oxygen Microscopy and Imaging, Aarhus, Dänemark) und wurden leicht modifiziert. Für weitere Informationen siehe: P. R. Ogilby: Singlet oxygen: there is indeed something new under the sun, Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3181-3209.