Wetenschappers van Rice University verbeteren de natuurlijke antioxiderende eigenschappen van een element in de katalysator van een auto om het bruikbaar te maken voor medische toepassingen.

Rijstchemicus Vicki Colvin leidde een team dat kleine, uniforme bolletjes ceriumoxide en gaf ze een dunne laag vetoliezuur om ze biocompatibel te maken. De onderzoekers zeggen dat hun ontdekking het potentieel heeft om traumatisch hersenletsel te helpen behandelen, hartstilstand en Alzheimerpatiënten en kan beschermen tegen stralingsgeïnduceerde bijwerkingen van kankerpatiënten.

Hun nanodeeltjes hebben ook het potentieel om astronauten te beschermen tegen langdurige blootstelling aan straling in de ruimte en misschien zelfs de effecten van veroudering te vertragen, meldden ze.

Het onderzoek verschijnt deze maand in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Ceriumoxide-nanokristallen hebben het vermogen om zuurstofionen te absorberen en af ​​te geven - een chemische reactie die bekend staat als reductie-oxidatie, of redox, in het kort. Het is hetzelfde proces waarmee katalysatoren in auto's verontreinigende stoffen kunnen absorberen en verwijderen.

De deeltjes die bij Rice worden gemaakt, zijn klein genoeg om in de bloedbaan te worden geïnjecteerd wanneer organen moeten worden beschermd tegen oxidatie. vooral na traumatische verwondingen, wanneer schadelijke reactieve zuurstofsoorten (ROS) dramatisch toenemen.

De ceriumdeeltjes gaan direct aan het werk, het absorberen van ROS vrije radicalen, en ze blijven werken in de tijd als de deeltjes terugkeren naar hun oorspronkelijke staat, een proces dat een mysterie blijft, ze zei. De zuurstofspecies die vrijkomen bij het proces "zullen niet superreactief zijn, " ze zei.

Colvin zei ceriumoxide, een vorm van het zeldzame aardmetaal cerium, blijft relatief stabiel omdat het tussen ceriumoxide III en IV wisselt. In de eerste staat, de nanodeeltjes hebben gaten in hun oppervlak die zuurstofionen absorberen als een spons. Wanneer ceriumoxide III wordt gemengd met vrije radicalen, het katalyseert een reactie die de ROS effectief defangs door zuurstofatomen te vangen en te veranderen in ceriumoxide IV. Ze zei dat ceriumoxide IV-deeltjes langzaam hun gevangen zuurstof afgeven en terugkeren naar ceriumoxide III, en kan steeds weer vrije radicalen afbreken.

Colvin zei dat de kleine afmetingen van de nanodeeltjes ze effectieve aaseters van zuurstof maken.

"Hoe kleiner de deeltjes, hoe meer oppervlakte ze beschikbaar hebben om vrije radicalen op te vangen, Colvin zei. "Een gram van deze nanodeeltjes kan de oppervlakte hebben van een voetbalveld, en dat geeft veel ruimte om zuurstof op te nemen."

Geen van de ceriumoxidedeeltjes die zijn gemaakt voordat Rice het probleem aanpakte, was stabiel genoeg om in biologische omgevingen te worden gebruikt. ze zei. "We hebben uniforme deeltjes gemaakt waarvan de oppervlakken echt goed gedefinieerd zijn, en we hebben een watervrije productiemethode gevonden om de beschikbare ruimte voor zuurstofopvang te maximaliseren."

Colvin zei dat het relatief eenvoudig is om een ​​polymeercoating aan de bollen van 3,8 nanometer toe te voegen. De coating is dun genoeg om zuurstof door te laten naar het deeltje, maar robuust genoeg om het te beschermen door vele cycli van ROS-absorptie.

Bij het testen met waterstofperoxide, een sterk oxidatiemiddel, de onderzoekers ontdekten dat hun meest effectieve ceriumoxide III-nanodeeltjes negen keer beter presteerden dan een gewone antioxidant, Trolox, bij de eerste blootstelling, en hield goed stand gedurende 20 redoxcycli.

"De volgende logische stap voor ons is om wat passieve targeting te doen, ' zei Colvin. 'Daarvoor, we zijn van plan om antilichamen aan het oppervlak van de nanodeeltjes te hechten, zodat ze worden aangetrokken door bepaalde celtypen, en we zullen deze gemodificeerde deeltjes evalueren in meer realistische biologische instellingen."

Colvin is het meest enthousiast over het potentieel om kankerpatiënten te helpen die bestralingstherapie ondergaan.

"Bestaande stralingsbeschermingsmiddelen moeten in ongelooflijk hoge doses worden gegeven, "zei ze. "Ze hebben hun eigen bijwerkingen, en er zijn niet veel geweldige opties."

Ze zei dat een zelfvernieuwende antioxidant die op zijn plaats kan blijven om organen te beschermen duidelijke voordelen zou hebben ten opzichte van giftige radioprotectanten die uit het lichaam moeten worden verwijderd voordat ze goed weefsel beschadigen.

"Waarschijnlijk het leukste hieraan is dat zoveel nanogeneeskunde ging over het exploiteren van de magnetische en optische eigenschappen van nanomaterialen, en daar hebben we geweldige voorbeelden van bij Rice, " zei Colvin. "Maar de speciale eigenschappen van nanodeeltjes zijn zelden gebruikt in medische toepassingen.

"Wat ik leuk vind aan dit werk is dat het een deel van de nanochemie - namelijk katalyse - opent voor de medische wereld. Cerium III en IV zijn elektronenshuttles die brede toepassingen hebben als we de chemie toegankelijk kunnen maken in een biologische setting.

"En van alle dingen, dit bescheiden materiaal komt uit een katalysator, " ze zei.