Behandelde deeltjes grafeen afgeleid van koolstofnanobuisjes hebben een opmerkelijk potentieel aangetoond als levensreddende antioxidanten, maar hoe klein ze ook zijn, er moest iets nog kleiners worden gemaakt om erachter te komen waarom ze zo goed werken.

Onderzoekers van de Rice University, de McGovern Medical School van het Health Science Center van de Universiteit van Texas in Houston (UTHealth) en het Baylor College of Medicine creëerden verbindingen met één molecuul die ook schadelijke reactieve zuurstofsoorten (ROS) doven, maar die veel gemakkelijker te analyseren zijn met behulp van standaard wetenschappelijke hulpmiddelen. De moleculen kunnen op zichzelf de basis worden voor nieuwe antioxidanttherapieën.

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

De oorspronkelijke verbindingen zijn hydrofiele koolstofclusters die zijn gefunctionaliseerd met polyethyleenglycol, bekend als PEG-HCC's en vijf jaar geleden gecreëerd door wetenschappers van Rice en Baylor. De deeltjes helpen bij het neutraliseren van ROS-moleculen die tot overexpressie worden gebracht door de lichaamscellen als reactie op een verwonding voordat ze cellen beschadigen of mutaties veroorzaken.

PEG-HCC's zijn veelbelovend voor de behandeling van kanker, het opnieuw opstarten van de bloedstroom in de hersenen na traumatisch letsel en het beheersen van chronische ziekten.

De nieuwe deeltjes, genaamd PEG-PDI, bestaan ​​uit polyethyleenglycol en peryleendiimide, een verbinding die als kleurstof wordt gebruikt, de kleur in rode autolak en in zonnecellen vanwege zijn lichtabsorberende eigenschappen. Hun vermogen om elektronen van andere moleculen te accepteren, maakt ze functioneel vergelijkbaar met PEG-HCC's. Ze zijn dichtbij genoeg om als analoog te dienen voor experimenten, volgens Rice scheikundige James Tour, die de studie leidde met de biochemicus Ah-Lim Tsai van de Universiteit van Texas.

De onderzoekers schreven dat het molecuul niet alleen het eerste voorbeeld is van een klein moleculair analoog van PEG-HCC's, maar vertegenwoordigt ook de eerste succesvolle isolatie van een PDI-radicaal anion als een eenkristal, waardoor de structuur kan worden vastgelegd met röntgenkristallografie.

"Hierdoor kunnen we de structuur van deze actieve deeltjes zien, " zei Tour. "We kunnen elk atoom bekijken en de afstanden ertussen, en krijg veel informatie over hoe deze moleculen destructieve oxidanten in biologisch weefsel afschrikken.

"Veel mensen krijgen kristalstructuren voor stabiele verbindingen, maar dit is een tijdelijk tussenproduct tijdens een katalytische reactie, " zei hij. "Het is verbazingwekkend om zo'n reactief tussenproduct te kunnen kristalliseren."

PEG-HCC's zijn ongeveer 3 nanometer breed en 30 tot 40 nanometer lang. Ter vergelijking, veel eenvoudiger PEG-PDI-moleculen zijn minder dan een nanometer breed en lang.

PEG-PDI-moleculen zijn echte nabootsers van superoxide-dismutase-enzymen, beschermende antioxidanten die giftige superoxideradicalen afbreken tot onschadelijke moleculaire zuurstof en waterstofperoxide. De moleculen trekken elektronen uit onstabiele ROS en katalyseren hun transformatie in minder reactieve soorten.

Het testen van de PEG-PDI-moleculen kan zo eenvoudig zijn als ze in een oplossing te doen die reactieve zuurstofspeciesmoleculen zoals kaliumsuperoxide bevat en de oplossing van kleur te zien veranderen. Verdere karakterisering met elektronenparamagnetische resonantiespectroscopie was ingewikkelder, maar het feit dat het zelfs mogelijk is, maakt ze tot krachtige hulpmiddelen bij het oplossen van mechanistische details, aldus de onderzoekers.

Tour zei dat het toevoegen van polyethyleenglycol de moleculen oplosbaar maakt en ook de hoeveelheid tijd dat ze in de bloedbaan blijven, verlengt. "Zonder PEG, ze gaan gewoon het systeem uit via de nieren, " zei hij. Wanneer de PEG-groepen worden toegevoegd, de moleculen circuleren langer en blijven reacties katalyseren.

Hij zei dat PEG-PDI net zo effectief is als PEG-HCC's, gemeten naar gewicht. "Omdat ze zoveel meer oppervlakte hebben, PEG-HCC-deeltjes katalyseren waarschijnlijk meer parallelle reacties per deeltje, " zei Tour. "Maar als je ze vergelijkt met PEG-PDI in gewicht, ze zijn vrij gelijkaardig in totale katalytische activiteit."

Het begrijpen van de structuur van PEG-PDI zou onderzoekers in staat moeten stellen het molecuul aan te passen voor toepassingen. "We zouden een enorm vermogen moeten hebben om de structuur van het molecuul te wijzigen, "zei hij. "We kunnen alles toevoegen wat we willen, precies waar we willen, voor specifieke therapieën."

De onderzoekers zeiden dat PEG-PDI ook efficiënte metaal- en eiwitvrije katalysatoren kan zijn voor zuurstofreductiereacties die in de industrie worden gebruikt en essentieel zijn voor brandstofcellen. Ze zijn intrinsiek stabieler dan enzymen en kunnen functioneren in een veel breder pH-bereik, zei Tsai.

Co-auteur Thomas Kent, een professor neurologie bij Baylor die vanaf het begin aan het project heeft gewerkt, opgemerkt dat kleine moleculen een betere kans hebben om snel goedgekeurd te worden voor therapie door de Food and Drug Administration dan op nanobuisjes gebaseerde middelen. "Een klein molecuul dat niet is afgeleid van groter nanomateriaal, heeft mogelijk een betere kans op goedkeuring voor gebruik bij mensen, ervan uitgaande dat het veilig en effectief is, " hij zei.

Tour zei dat PEG-PDI dient als een nauwkeurig model voor andere grafeenderivaten zoals grafeenoxide en een meer gedetailleerde studie van op grafeen gebaseerde nanomaterialen mogelijk maakt. "Nanomaterialen kleiner maken, van goed gedefinieerde moleculen, maakt 150 jaar synthetische chemische methoden mogelijk om de mechanistische vragen binnen nanotechnologie aan te pakken, " hij zei.