Ученые создали супер-антиоксидант: обычный катализатор оксид церия открывает путь нанохимии в медицине

Ученые Университета Райса усилили естественные антиоксидантные свойства элемента, используемого в автомобильных каталитических нейтрализаторах, чтобы сделать его пригодным для медицинского применения.

Химик Вики Колвин возглавила команду, которая создала маленькие однородные сферы оксида церия и покрыла их тонким слоем олеиновой кислоты для биосовместимости. Исследователи заявляют, что их открытие потенциально может помочь в лечении черепно-мозговой травмы, остановки сердца, болезни Альцгеймера, а также защитить пациентов с онкологией от побочных эффектов, вызванных облучением.

Наночастицы также могут защитить астронавтов от долгосрочного воздействия радиации в космосе и, возможно, даже замедлить эффекты старения.

Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.

Нанокристаллы оксида церия обладают способностью поглощать и высвобождать ионы кислорода — химическая реакция, известная как окислительно-восстановительная (редокс). Это тот же процесс, который позволяет каталитическим нейтрализаторам в автомобилях поглощать и устранять загрязняющие вещества.

Частицы, созданные в Райсе, достаточно малы (3.8 нанометра), чтобы их можно было вводить в кровоток, когда органам нужна защита от окисления, особенно после травм, когда количество повреждающих активных форм кислорода (АФК) резко возрастает.

Частицы церия начинают работать немедленно, поглощая свободные радикалы АФК, и продолжают работать с течением времени, поскольку частицы возвращаются в исходное состояние (процесс, который остается загадкой). Высвобождаемые при этом формы кислорода "не будут сверхреактивными".

Оксид церия, форма редкоземельного металла церия, остается относительно стабильным при циклировании между состояниями оксида церия(III) и (IV). В первом состоянии наночастицы имеют щели на поверхности, которые поглощают ионы кислорода, как губка. При смешивании оксида церия(III) со свободными радикалами он катализирует реакцию, которая обезвреживает АФК, захватывая атомы кислорода и превращаясь в оксид церия(IV). Частицы оксида церия(IV) медленно высвобождают захваченный кислород и возвращаются к оксиду церия(III), и могут снова и снова расщеплять свободные радикалы.

Маленький размер наночастиц делает их эффективными поглотителями кислорода. "Чем меньше частицы, тем больше площадь поверхности, доступная для захвата свободных радикалов. Грамм этих наночастиц может иметь площадь поверхности футбольного поля, и это обеспечивает много пространства для поглощения кислорода".

Ни одна из частиц оксида церия, созданных ранее, не была достаточно стабильной для использования в биологических условиях. "Мы создали однородные частицы с хорошо определенной поверхностью и нашли безводный метод производства, чтобы максимизировать поверхностные щели, доступные для поглощения кислорода".

Добавить полимерное покрытие к сферам относительно просто. Покрытие достаточно тонкое, чтобы пропускать кислород к частице, но достаточно прочное, чтобы защищать ее в течение многих циклов поглощения АФК.

В тестах с пероксидом водорода, сильным окислителем, исследователи обнаружили, что их наиболее эффективные наночастицы оксида церия(III) в 9 раз превосходили распространенный антиоксидант Trolox при первом воздействии и хорошо выдерживали до 20 редокс-циклов.

"Следующий логический шаг для нас — пассивное таргетирование. Для этого мы планируем прикрепить антитела к поверхности наночастиц, чтобы они притягивались к определенным типам клеток, и оценим эти модифицированные частицы в более реалистичных биологических условиях".

Особые перспективы видятся в помощи онкологическим пациентам, проходящим лучевую терапию. "Существующие радиопротекторы приходится вводить в невероятно высоких дозах. У них есть свои побочные эффекты, и вариантов не так много".

Самовосстанавливающийся антиоксидант, который может оставаться на месте для защиты органов, имел бы явные преимущества перед токсичными радиопротекторами, которые необходимо выводить из организма, прежде чем они повредят здоровые ткани.

"Самое замечательное в этом то, что большая часть наномедицины была связана с использованием магнитных и оптических свойств наноматериалов. Но особые свойства наночастиц редко использовались в медицинских приложениях. Эта работа открывает часть нанохимии — а именно катализ — для медицинского мира. Церий(III) и (IV) являются переносчиками электронов с широкими областями применения, если мы сможем сделать эту химию доступной в биологической среде. И, как ни удивительно, этот скромный материал происходит из каталитического нейтрализатора".