Chemici van de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) hebben een techniek ontwikkeld die de toxische effecten van in de handel verkrijgbare sigaretten vermindert. Ondanks het feit dat de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) schat dat er jaarlijks zo'n 6 miljoen mensen sterven als gevolg van tabaksgebruik, het aantal rokers over de hele wereld neemt toe. Het aantal aan tabak gerelateerde sterfgevallen is gelijk aan het sterftecijfer dat zou optreden als elk uur een passagiersvliegtuig zou neerstorten. Volgens cijfers gepubliceerd door het Duitse Federale Bureau voor de Statistiek, de tabaksindustrie realiseerde in 2016 alleen al in Duitsland een omzet van ongeveer 20,5 miljard euro door de verkoop van sigaretten.

Tabaksrook bevat bijna 12, 000 verschillende bestanddelen. Hiertoe behoren narcotoxische stoffen zoals nicotine, bloedgifstoffen zoals cyanide en koolmonoxide, om nog maar te zwijgen over de verschillende kankerverwekkende stoffen. Hieronder vallen vrije zuurstofradicalen, ook bekend als reactieve zuurstofsoorten. Bij elk trekje van een sigaret worden meer dan 10 quadriljoen (1016) van deze moleculen ingeademd. Het in Mainz gevestigde team onder leiding van professor Wolfgang Tremel heeft ontdekt hoe de niveaus van deze vrije zuurstofradicalen aanzienlijk kunnen worden verlaagd en zo de toxiciteit van sigarettenrook aanzienlijk kan worden verminderd. Deze ontwikkeling zou niet alleen kunnen helpen om de consumptie van tabaksproducten wat minder gevaarlijk te maken, maar zou ook kunnen worden uitgebreid naar andere gebieden waar reactieve zuurstofradicalen een probleem vormen.

Onderzoekers hebben het onderliggende idee achter het concept overgenomen van natuurlijke enzymen. In aanwezigheid van een verhoogde concentratie van reactieve zuurstofsoorten als gevolg van, bijvoorbeeld, enzymatische disfunctie, UV-straling of het inademen van tabaksrook, ongecontroleerde celdeling en oxidatieve celbeschadiging kunnen optreden. De natuur reguleert de concentratie van radicalen door middel van antioxidante enzymen zoals superoxide dismutase (SOD), die een centrale rol speelt bij het voorkomen van pathologische processen, inclusief tumor- en kankergroei, ontstekingsziekten, en beroerte. Het natuurlijk voorkomende enzym maakt gebruik van metalen zoals koper-zink, nikkel, ijzer, en mangaan als reactieve centra die ervoor zorgen dat zuurstofradicalen ontleden, zodat het organisme wordt beschermd tegen hun agressieve reactieve gedrag.

Tegenwoordig is het mogelijk om enzymen zoals SOD te produceren of te isoleren, maar het proces gaat gepaard met hoge kosten. Echter, hun slechte stabiliteit bij blootstelling aan hoge temperaturen en niet-fysiologische pH-waarden compliceert de zaken. Met natuurlijke enzymen in gedachten, onderzoekers op het gebied van biomimetica zoeken naar manieren om natuurlijke biologische reacties na te bootsen met behulp van synthetische verbindingen. Chemicus Karsten Korschelt en voedselchemicus Dr. Carmen Metzger onderzochten aminozuur-gefunctionaliseerde koperhydroxide-nanodeeltjes als potentiële synthetische analogen van koperhoudend SOD. Ze ontdekten dat de deeltjes geassocieerd waren met een hogere snelheid van katalytische activiteit in termen van de ontleding van zuurstofradicalen dan het enzym zelf. "Dit is in principe niet zo'n verrassing, aangezien alle koperatomen op het deeltjesoppervlak een katalytisch effect kunnen hebben, toch heeft het enzym maar één actief centrum, " zei professor Wolfgang Tremel. In tegenstelling tot natuurlijke enzymen, gefunctionaliseerde koperhydroxide nanodeeltjes zijn zeer stabiel en goedkoop te produceren.

Van laboratorium tot het dagelijks leven

Hoewel natuurlijke enzymatische reacties kunnen worden nagebootst met behulp van nanodeeltjes, er zijn nog maar weinig toepassingen gebaseerd op het principe. Nanodeeltjes zelf worden gebruikt in cosmetica, bijvoorbeeld, en als nanokitten in verven en textiel. We worden dagelijks zo uitgebreid blootgesteld aan vrije radicalen dat hun aanwezigheid vaak helemaal wordt genegeerd. Maar in uitlaatgassen en sigarettenrook vormen ze een grote bedreiging voor de gezondheid. Het team van chemici in Mainz werkt daarom samen met de groep onder leiding van professor Jürgen Brieger van het Universitair Medisch Centrum Mainz om te bepalen of het mogelijk is om gefunctionaliseerde koperhydroxide-nanodeeltjes in sigarettenfilters te integreren en zo de hoeveelheid vrije radicalen in rook te verminderen, vandaar dat rokers meer bescherming krijgen tegen hun toxische potentieel.

Cytotoxiciteitstesten hebben aangetoond dat de sigarettenrookextracten in de onderzochte concentraties geen toxisch effect meer hebben op menselijke cellen nadat ze door sigarettenfilters met nanodeeltjes zijn gegaan, terwijl er een verhoogde toxiciteit was in het geval van controles waarbij onbehandelde filters werden gebruikt. "Dit demonstreert het positieve effect van de deeltjes bij gebruik in sigarettenfilters en hun stabiliteit tijdens het rookproces, " benadrukt Karsten Korschelt. De onderzoekers in Mainz hebben zo kunnen aantonen dat het nabootsen van natuurlijke afweermechanismen met behulp van nanodeeltjes mogelijk is en dat een vermindering van de toxische effecten van verschillende soorten rook kan worden bereikt.

De gebruikte methoden en analyses zijn ontwikkeld en geïmplementeerd in samenwerking met het Universitair Medisch Centrum van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz. Het rapport over hun werk is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift nanoschaal .