Forskere skaber en super antioxidant:Almindelig katalysator ceriumoxid åbner døren til nanokemi for medicin

Forskere ved Rice University forbedrer de naturlige antioxidantegenskaber af et element, der findes i en bils katalysator for at gøre det nyttigt til medicinske anvendelser.

Riskemiker Vicki Colvin ledede et hold, der skabte små, ensartede kugler af ceriumoxid og gav dem en tynd belægning af fedtoliesyre for at gøre dem biokompatible. Forskerne siger, at deres opdagelse har potentiale til at hjælpe med at behandle traumatisk hjerneskade, hjertestop og Alzheimers-patienter og kan beskytte mod strålingsinducerede bivirkninger hos kræftpatienter.

Deres nanopartikler har også potentiale til at beskytte astronauter mod langvarig eksponering for stråling i rummet og måske endda bremse virkningerne af aldring, rapporterede de.

Forskningen vises i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

Ceriumoxid nanokrystaller har evnen til at absorbere og frigive oxygenioner - en kemisk reaktion kendt som reduktionsoxidation, eller redox, for kort. Det er den samme proces, der gør det muligt for katalysatorer i biler at absorbere og fjerne forurenende stoffer.

Partiklerne fra Rice er små nok til at blive sprøjtet ind i blodbanen, når organer har brug for beskyttelse mod oxidation, især efter traumatiske skader, når skadelige reaktive oxygenarter (ROS) øges dramatisk.

Ceriumpartiklerne går på arbejde med det samme, absorberer ROS frie radikaler, og de fortsætter med at arbejde over tid, efterhånden som partiklerne vender tilbage til deres oprindelige tilstand, en proces, der forbliver et mysterium, hun sagde. Oxygenarterne frigivet i processen "vil ikke være superreaktive, " hun sagde.

Colvin sagde ceriumoxid, en form for det sjældne jordmetal cerium, forbliver relativt stabil, da den cykler mellem ceriumoxid III og IV. I den første stat, nanopartiklerne har huller i deres overflade, der absorberer iltioner som en svamp. Når ceriumoxid III blandes med frie radikaler, det katalyserer en reaktion, der effektivt affanger ROS ved at fange oxygenatomer og omdanne til ceriumoxid IV. Hun sagde, at ceriumoxid IV-partikler langsomt frigiver deres opfangede ilt og vender tilbage til ceriumoxid III, og kan nedbryde frie radikaler igen og igen.

Colvin sagde, at nanopartiklernes lille størrelse gør dem til effektive iltfangere.

"Jo mindre partiklerne er, jo mere overfladeareal de har til rådighed til at fange frie radikaler, " sagde Colvin. "Et gram af disse nanopartikler kan have overfladearealet af en fodboldbane, og det giver en masse plads til at optage ilt."

Ingen af ​​de ceriumoxidpartikler, der blev fremstillet før Rice tacklede problemet, var stabile nok til at blive brugt i biologiske omgivelser, hun sagde. "Vi skabte ensartede partikler, hvis overflader er virkelig veldefinerede, og vi fandt en vandfri produktionsmetode til at maksimere de overfladespalter, der er tilgængelige til iltopfangning."

Colvin sagde, at det er relativt nemt at tilføje en polymerbelægning til 3,8 nanometer kuglerne. Belægningen er tynd nok til at lade ilt passere igennem til partiklen, men robust nok til at beskytte den gennem mange cyklusser af ROS-absorption.

Ved test med hydrogenperoxid, et stærkt oxidationsmiddel, forskerne fandt, at deres mest effektive ceriumoxid III nanopartikler klarede sig ni gange bedre end en almindelig antioxidant, Trolox, ved første eksponering, og holdt godt op gennem 20 redoxcyklusser.

"Det næste logiske skridt for os er at lave noget passiv målretning, " sagde Colvin. "For det, vi planlægger at binde antistoffer til overfladen af ​​nanopartiklerne, så de vil blive tiltrukket af bestemte celletyper, og vi vil evaluere disse modificerede partikler i mere realistiske biologiske omgivelser."

Colvin er mest begejstret over potentialet for at hjælpe kræftpatienter, der gennemgår strålebehandling.

"Eksisterende strålebeskyttelsesmidler skal gives i utrolig høje doser, " sagde hun. "De har deres egne bivirkninger, og der er ikke mange gode muligheder."

Hun sagde, at en selvfornyende antioxidant, der kan forblive på plads for at beskytte organer, ville have klare fordele i forhold til giftige strålebeskyttende midler, som skal fjernes fra kroppen, før de beskadiger godt væv.

"Det mest pæne ved dette er nok, at så meget af nanomedicin har handlet om at udnytte nanomaterialers magnetiske og optiske egenskaber, og det har vi gode eksempler på hos Rice, " sagde Colvin. "Men de særlige egenskaber ved nanopartikler er sjældent blevet udnyttet i medicinske applikationer.

"Det, jeg godt kan lide ved dette arbejde, er, at det åbner en del af nanokemien – nemlig katalyse – for den medicinske verden. Cerium III og IV er elektron-shuttle, der har brede anvendelser, hvis vi kan gøre kemien tilgængelig i biologiske omgivelser.

"Og af alle ting, dette ydmyge materiale kommer fra en katalysator, " hun sagde.