Antioxidantforbindelser efterligner effektive grafenmidler, vise potentiale for terapier

Behandlede partikler af grafen afledt af kulstofnanorør har vist et bemærkelsesværdigt potentiale som livreddende antioxidanter, men så små de er, noget endnu mindre skulle skabes for at finde ud af, hvorfor de fungerer så godt.

Forskere ved Rice University, McGovern Medical School ved University of Texas Health Science Center i Houston (UTHealth) og Baylor College of Medicine skabte enkeltmolekylære forbindelser, der også slukker skadelige reaktive oxygenarter (ROS), men er langt lettere at analysere ved hjælp af standard videnskabelige værktøjer. Molekylerne kan blive grundlaget for nye antioxidantterapier i sig selv.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

De originale forbindelser er hydrofile carbonklynger funktionaliseret med polyethylenglycol, kendt som PEG-HCC'er og skabt af Rice og Baylor-forskere for fem år siden. Partiklerne hjælper med at neutralisere ROS-molekyler, der er overudtrykt af kroppens celler som reaktion på en skade, før de beskadiger celler eller forårsager mutationer.

PEG-HCC'er viser løfte om behandling af kræft, genstarte blodgennemstrømningen i hjernen efter traumatisk skade og kontrollere kroniske sygdomme.

De nye partikler, kaldet PEG-PDI, består af polyethylenglycol og perylendiimid, en forbindelse, der anvendes som farvestof, farven i rød billak og i solceller for dens lysabsorberende egenskaber. Deres evne til at acceptere elektroner fra andre molekyler gør dem funktionelt magen til PEG-HCC'er. De er tæt nok til at tjene som en analog til eksperimenter, ifølge Rice kemiker James Tour, der ledede undersøgelsen med University of Texas biokemiker Ah-Lim Tsai.

Forskerne skrev, at molekylet ikke kun er det første eksempel på en lille molekylær analog af PEG-HCC'er, men repræsenterer også den første vellykkede isolering af en PDI radikal anion som en enkelt krystal, som gør det muligt at fange dens struktur med røntgenkrystallografi.

"Dette giver os mulighed for at se strukturen af ​​disse aktive partikler, " sagde Tour. "Vi kan få et overblik over hvert atom og afstandene mellem dem, og få en masse information om, hvordan disse molekyler slukker destruktive oxidanter i biologisk væv.

"Mange mennesker får krystalstrukturer til stabile forbindelser, men dette er et forbigående mellemprodukt under en katalytisk reaktion, " sagde han. "At være i stand til at krystallisere et reaktivt mellemprodukt som det er fantastisk."

PEG-HCC'er er omkring 3 nanometer brede og 30 til 40 nanometer lange. Til sammenligning, meget enklere PEG-PDI-molekyler er mindre end en nanometer i bredde og længde.

PEG-PDI-molekyler er sande efterligninger af superoxiddismutase-enzymer, beskyttende antioxidanter, der nedbryder giftige superoxidradikaler til uskadeligt molekylært oxygen og hydrogenperoxid. Molekylerne trækker elektroner fra ustabil ROS og katalyserer deres transformation til mindre reaktive arter.

Test af PEG-PDI-molekylerne kan være lige så simpelt som at lægge dem i en opløsning, der indeholder reaktive iltartsmolekyler som kaliumsuperoxid og se opløsningen skifte farve. Yderligere karakterisering med elektron paramagnetisk resonansspektroskopi var mere kompliceret, men det faktum, at det endda er muligt, gør dem til kraftfulde værktøjer til at løse mekanistiske detaljer, sagde forskerne.

Tour sagde, at tilføjelse af polyethylenglycol gør molekylerne opløselige og øger også den tid, de forbliver i blodbanen. "Uden PEG, de går bare lige ud af systemet gennem nyrerne, " sagde han. Når PEG-grupperne tilføjes, molekylerne cirkulerer længere og fortsætter med at katalysere reaktioner.

Han sagde, at PEG-PDI er lige så effektiv som PEG-HCC'er, hvis de måles efter vægt. "Fordi de har så meget mere overflade, PEG-HCC-partikler katalyserer sandsynligvis flere parallelle reaktioner pr. Partikel, " sagde Tour. "Men hvis du sammenligner dem med PEG-PDI efter vægt, de er ret ens i total katalytisk aktivitet."

Forståelse af strukturen af ​​PEG-PDI bør give forskere mulighed for at tilpasse molekylet til applikationer. "Vi burde have en enorm evne til at ændre molekylets struktur, " sagde han. "Vi kan tilføje alt, hvad vi vil, præcis hvor vi vil, til specifikke terapier."

Forskerne sagde, at PEG-PDI også kan være effektive metal- og proteinfrie katalysatorer til iltreduktionsreaktioner, der anvendes i industrien og er afgørende for brændselsceller. De er i sig selv mere stabile end enzymer og kan fungere i et meget bredere pH-område, sagde Tsai.

Medforfatter Thomas Kent, en professor i neurologi ved Baylor, der har arbejdet på projektet fra starten, bemærkede små molekyler har en bedre chance for at komme på hurtig vej til godkendelse til behandling af Food and Drug Administration end nanorørbaserede midler. "Et lille molekyle, der ikke er afledt af større nanomateriale, kan have en bedre chance for at blive godkendt til brug hos mennesker, forudsat at det er sikkert og effektivt, " han sagde.

Tour sagde, at PEG-PDI fungerer som en præcis model for andre grafenderivater som grafenoxid og tillader en mere detaljeret undersøgelse af grafenbaserede nanomaterialer. "Gør nanomaterialer mindre, fra veldefinerede molekyler, tillader 150 års syntetisk kemi metoder til at løse de mekanistiske spørgsmål inden for nanoteknologi, " han sagde.