Kobberhydroxidnanopartikler giver beskyttelse mod giftige iltradikaler i cigaretrøg

Kemikere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har udviklet en teknik, der reducerer de toksiske virkninger af kommercielt tilgængelige cigaretter. På trods af at Verdenssundhedsorganisationen (WHO) anslår, at omkring 6 millioner mennesker dør hvert år som følge af tobaksforbrug, antallet af rygere verden over er stigende. Antallet af tobaksrelaterede dødsfald svarer til den dødelighed, der ville opstå, hvis et passagerfly styrtede ned hver time. Ifølge tal offentliggjort af det tyske forbundsstatistiske kontor, tobaksindustrien omsatte i 2016 for omkring 20,5 milliarder euro alene gennem salg af cigaretter i Tyskland.

Tobaksrøg indeholder næsten 12, 000 forskellige bestanddele. Blandt disse er narkotoksiske stoffer som nikotin, blodtoksiner som cyanid og kulilte, for ikke at tale om de forskellige kræftfremkaldende stoffer. Blandt disse er frie iltradikaler, også kendt som reaktive oxygenarter. Mere end 10 quadrillioner (1016) af disse molekyler inhaleres med hvert sug på en cigaret. Det Mainz-baserede team ledet af professor Wolfgang Tremel har opdaget, hvordan man sænker niveauet af disse frie iltradikaler markant og dermed markant reducerer toksiciteten af ​​cigaretrøg. Denne udvikling kan ikke blot bidrage til at gøre forbruget af tobaksbaserede produkter noget mindre farligt, men den kan også udvides til andre områder, hvor reaktive iltradikaler er et problem.

Forskere tog den bagvedliggende idé bag konceptet fra naturlige enzymer. I nærvær af en øget koncentration af reaktive oxygenarter som følge af, for eksempel, enzymatisk dysfunktion, UV-stråling eller indånding af tobaksrøg, ukontrolleret celledeling og oxidativ celleskade kan forekomme. Naturen regulerer koncentrationen af ​​radikaler ved hjælp af antioxidantenzymer som superoxiddismutase (SOD), som spiller en central rolle i forebyggelsen af ​​patologiske processer, herunder tumor- og kræftvækst, inflammatoriske sygdomme, og slagtilfælde. Det naturligt forekommende enzym anvender metaller såsom kobber-zink, nikkel, jern, og mangan som reaktive centre, der får iltradikaler til at nedbrydes, så organismen er beskyttet mod deres aggressive reaktive adfærd.

I dag er det muligt at producere eller isolere enzymer som SOD, men processen er ledsaget af høje omkostninger. Imidlertid, deres dårlige stabilitet ved udsættelse for høje temperaturer og ikke-fysiologiske pH-værdier komplicerer sager. Med naturlige enzymer i tankerne, forskere inden for biomimetik søger måder at efterligne naturlige biologiske reaktioner ved hjælp af syntetiske forbindelser. Kemiker Karsten Korschelt og fødevarekemiker Dr. Carmen Metzger undersøgte aminosyrefunktionaliserede kobberhydroxidnanopartikler som potentielle syntetiske analoger af kobberholdig SOD. De fandt, at partiklerne var forbundet med en højere hastighed af katalytisk aktivitet med hensyn til nedbrydning af iltradikaler end selve enzymet. "Dette er i princippet ikke så overraskende, da alle kobberatomer på partikeloverfladen kan have en katalytisk virkning, alligevel har enzymet kun et aktivt center, " sagde professor Wolfgang Tremel. I modsætning til naturlige enzymer, funktionaliserede kobberhydroxid-nanopartikler er meget stabile og billige at fremstille.

Fra laboratorie til hverdag

Selvom naturlige enzymatiske reaktioner kan efterlignes ved hjælp af nanopartikler, der er endnu kun få ansøgninger baseret på princippet. Nanopartikler selv bruges i kosmetik, for eksempel, og som nano fugemasse i maling og tekstiler. Vi er så omfattende udsat for frie radikaler i det daglige, at deres tilstedeværelse ofte ignoreres helt. Men i udstødningsgasser og cigaretrøg udgør de en stor sundhedstrussel. Holdet af kemikere i Mainz samarbejder således med gruppen ledet af professor Jürgen Brieger fra Mainz University Medical Center for at afgøre, om det er muligt at integrere funktionaliserede kobberhydroxid-nanopartikler i cigaretfiltre og dermed reducere niveauet af frie radikaler i røg, giver rygere større beskyttelse mod deres giftige potentiale.

Cytotoksicitetstests har vist, at cigaretrøgekstrakterne i de undersøgte koncentrationer ikke længere har en toksisk effekt på menneskeceller efter passage gennem cigaretfiltre indeholdende nanopartikler. mens der var øget toksicitet i tilfælde af kontroller, hvor ubehandlede filtre blev anvendt. "Dette demonstrerer den positive effekt af partiklerne, når de bruges i cigaretfiltre og deres stabilitet under rygeprocessen, "understregede Karsten Korschelt. Forskerne i Mainz har således kunnet demonstrere, at det er muligt at efterligne naturlige forsvarsmekanismer ved hjælp af nanopartikler, og at der kan opnås en reduktion i toksiske virkninger af forskellige typer af røg.

De anvendte metoder og analyser blev udviklet og implementeret i samarbejde med University Medical Center ved Johannes Gutenberg University Mainz. Rapporten om deres arbejde er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nanoskala .