Injecteerbare nanodeeltjes die een gewonde zouden kunnen beschermen tegen verdere schade als gevolg van oxidatieve stress, zijn verbazingwekkend effectief gebleken in tests om hun mechanisme te bestuderen.

Wetenschappers aan de Rice University, Baylor College of Medicine en het Health Science Center van de University of Texas in Houston (UTHealth) Medical School hebben methoden ontwikkeld om hun ontdekking uit 2012 te valideren dat gecombineerde polyethyleenglycol-hydrofiele koolstofclusters - bekend als PEG-HCC's - het proces van overoxidatie dat kan schade veroorzaken in de minuten en uren na een blessure.

De tests onthulden dat een enkel nanodeeltje snel de neutralisatie kan katalyseren van duizenden schadelijke moleculen van reactieve zuurstofsoorten die tot overexpressie worden gebracht door de lichaamscellen als reactie op een verwonding en de moleculen in zuurstof veranderen. Deze reactieve soorten kunnen cellen beschadigen en mutaties veroorzaken, maar PEG-HCC's blijken een enorm vermogen te hebben om ze om te zetten in minder reactieve stoffen.

De onderzoekers hopen zo snel mogelijk een injectie met PEG-HCC's na een blessure, zoals traumatisch hersenletsel of beroerte, kan verdere hersenbeschadiging verminderen door normale zuurstofniveaus in de gevoelige bloedsomloop van de hersenen te herstellen.

De resultaten werden vandaag gerapporteerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Effectief, ze brengen het niveau van reactieve zuurstofsoorten vrijwel onmiddellijk weer normaal, "Zei Rice-chemicus James Tour. "Dit kan een handig hulpmiddel zijn voor hulpverleners die een slachtoffer van een ongeval of hartaanval snel moeten stabiliseren of om soldaten op het slagveld te behandelen." Tour leidde het nieuwe onderzoek met neuroloog Thomas Kent van Baylor College of Medicine en biochemicus Ah-Lim Tsai van UTHealth.

PEG-HCC's zijn ongeveer 3 nanometer breed en 30 tot 40 nanometer lang en bevatten 2, 000 tot 5, 000 koolstofatomen. Bij testen, een individueel PEG-HCC-nanodeeltje kan de omzetting van 20, 000 tot een miljoen reactieve zuurstofspecies moleculen per seconde in moleculaire zuurstof, die beschadigde weefsels nodig hebben, en waterstofperoxide terwijl reactieve tussenproducten worden afgeschrikt.

Tour en Kent leidden het eerdere onderzoek dat aantoonde dat een infusie van niet-toxische PEG-HCC's de bloedstroom in de hersenen snel kan stabiliseren en kan beschermen tegen reactieve moleculen van zuurstofspecies die tot overexpressie worden gebracht door cellen tijdens een medisch trauma, vooral wanneer het gepaard gaat met massaal bloedverlies.

Hun onderzoek was gericht op traumatisch hersenletsel, waarna cellen een overmatige hoeveelheid van de reactieve zuurstofspecies, bekend als een superoxide, in het bloed afgeven. Deze giftige vrije radicalen zijn moleculen met één ongepaard elektron dat het immuunsysteem gebruikt om binnendringende micro-organismen te doden. In kleine concentraties, ze dragen bij aan de normale energieregulatie van een cel. Over het algemeen, ze worden onder controle gehouden door superoxide-dismutase, een enzym dat superoxiden neutraliseert.

Maar zelfs milde trauma's kunnen genoeg superoxiden vrijgeven om de natuurlijke afweer van de hersenen te overweldigen. Beurtelings, superoxiden kunnen andere reactieve zuurstofsoorten vormen zoals peroxynitriet die verdere schade veroorzaken.

"Het huidige onderzoek toont aan dat PEG-HCC's katalytisch werken, extreem snel en met een enorme capaciteit om duizenden en duizenden van de schadelijke moleculen te neutraliseren, met name superoxide- en hydroxylradicalen die normaal weefsel vernietigen wanneer ze niet worden gereguleerd, ' zei Tour.

"Dit zal niet alleen belangrijk zijn bij de behandeling van traumatisch hersenletsel en beroerte, maar voor veel acute verwondingen van welk orgaan of weefsel dan ook en bij medische procedures zoals orgaantransplantatie, " zei hij. "Elke keer dat weefsel gestrest is en daardoor zuurstofgebrek heeft, superoxide kan vormen om het omringende goede weefsel verder aan te vallen."

De onderzoekers gebruikten een elektronenparamagnetische resonantiespectroscopietechniek die directe structuur- en snelheidsinformatie voor superoxideradicalen krijgt door ongepaarde elektronen te tellen in de aanwezigheid of afwezigheid van PEG-HCC-antioxidanten. Nog een test met een zuurstofgevoelige elektrode, peroxidase en een rode kleurstof bevestigden het vermogen van de deeltjes om superoxide-omzetting te katalyseren.

"In scherp contrast met het bekende superoxide dismutase, PEG-HCC is geen eiwit en heeft geen metaal om de katalytische rol te vervullen, Tsai zei. "De efficiënte katalytische omzet kan te wijten zijn aan zijn meer 'vlakke, ' sterk geconjugeerde koolstofkern."

De tests toonden aan dat het aantal verbruikte superoxiden het aantal mogelijke PEG-HCC-bindingsplaatsen ver overtrof. De onderzoekers ontdekten dat de deeltjes geen effect hebben op belangrijke stikstofoxiden die de bloedvaten verwijden en neurotransmissie en celbescherming bevorderen. noch was de efficiëntie gevoelig voor pH-veranderingen.

"PEG-HCC's hebben een enorm vermogen om superoxide om te zetten in zuurstof en het vermogen om reactieve tussenproducten te blussen zonder de stikstofoxidemoleculen te beïnvloeden die in normale hoeveelheden gunstig zijn, " Zei Kent. "Dus ze hebben een unieke plaats in ons potentiële wapentuig tegen een reeks ziekten die gepaard gaan met zuurstofverlies en schadelijke niveaus van vrije radicalen."

De studie stelde ook vast dat PEG-HCC's stabiel blijven, aangezien batches tot 3 maanden oud zo goed als nieuw presteerden.