Neurodegenerativa sjukdomar, inklusive Alzheimers, Parkinsons och Huntingtons, påverkar miljontals människor i USA, och kostnaderna för att ta hand om människor som lever med dessa tillstånd uppgår till hundratals miljarder dollar varje år.
Nu kan forskare från University of Texas i El Paso potentiellt ha hittat en lösning i använd kaffesump – ett material som slängs från hem och företag runt om i världen varje dag.
Ett team ledd av Jyotish Kumar, doktorand vid institutionen för kemi och biokemi, och under överinseende av Mahesh Narayan, Ph.D., professor och stipendiat vid Royal Society of Chemistry på samma institution, fann att koffeinsyrabaserade Carbon Quantum Dots (CACQDs), som kan härröra från förbrukat kaffesump, har potential att skydda hjärnceller från skador orsakade av flera neurodegenerativa sjukdomar - om tillståndet utlöses av faktorer som fetma, ålder och exponering för bekämpningsmedel och andra giftiga miljökemikalier.
Deras arbete beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften Environmental Research .
"Kaffesyrabaserade Carbon Quantum Dots har potential att vara transformativa vid behandling av neurodegenerativa störningar," sa Kumar. "Detta beror på att ingen av de nuvarande behandlingarna löser sjukdomarna, de hjälper bara till att hantera symptomen. Vårt mål är att hitta ett botemedel genom att ta itu med de atomära och molekylära grunderna som driver dessa tillstånd."
Neurodegenerativa sjukdomar kännetecknas främst av förlust av neuroner eller hjärnceller. De hämmar en persons förmåga att utföra grundläggande funktioner som rörelse och tal, såväl som mer komplicerade uppgifter inklusive urinblåsa och tarmfunktioner, och kognitiva förmågor.
Störningarna, när de är i ett tidigt skede och orsakas av livsstils- eller miljöfaktorer, delar flera egenskaper. Dessa inkluderar förhöjda nivåer av fria radikaler – skadliga molekyler som är kända för att bidra till andra sjukdomar som cancer, hjärtsjukdomar och synförlust – i hjärnan och aggregering av fragment av amyloidbildande proteiner som kan leda till plack eller fibriller i hjärnan.
Kumar och hans kollegor fann att CACQDs var neuroprotektiva över provrörsexperiment, cellinjer och andra modeller av Parkinsons sjukdom när sjukdomen orsakades av ett bekämpningsmedel som kallas paraquat. CACQDs, observerade teamet, kunde ta bort fria radikaler eller förhindra dem från att orsaka skada och hämmade aggregationen av amyloidproteinfragment utan att orsaka några betydande biverkningar.
Teamet antar att en behandling baserad på CACQD kan vara effektiv för att förebygga fullständig sjukdom hos människor, i ett mycket tidigt skede av ett tillstånd som Alzheimers eller Parkinsons.
"Det är viktigt att ta itu med dessa störningar innan de når det kliniska stadiet," sa Narayan. "Vid den punkten är det sannolikt för sent. Alla nuvarande behandlingar som kan behandla avancerade symtom på neurodegenerativ sjukdom är helt enkelt bortom möjligheterna för de flesta människor. Vårt mål är att komma med en lösning som kan förhindra de flesta fall av dessa tillstånd vid en kostnad som är hanterbar för så många patienter som möjligt."
Koffeinsyra tillhör en familj av föreningar som kallas polyfenoler, som är växtbaserade föreningar som är kända för sina antioxidanter eller fria radikaler. Koffeinsyra är unik eftersom den kan penetrera blod-hjärnbarriären och därmed kan utöva sina effekter på cellerna inuti hjärnan, sa Narayan.
Processen som teamet använder för att extrahera CACQD från använd kaffesump anses vara "grön kemi", vilket betyder att den är miljövänlig. I sitt labb "lagar" teamet prover av kaffesump vid 200° i fyra timmar för att omorientera koffeinsyrans kolstruktur och bilda CACQDs. Det stora överflödet av kaffesump är det som gör processen både ekonomisk och hållbar, sa Narayan.
Förutom Kumar har dussintals doktorander och UTEP-studenter arbetat med detta projekt med Narayan, inklusive Sofia Delgado, en före detta UTEP-student som nu tar sin doktorsexamen. vid Yale University.
Narayan och Kumar sa båda att de vet att mållinjen fortfarande är långt borta. Men för tillfället går de framåt på en resa som i slutändan kan leda till en medicin – ett piller kanske – som kan förhindra de allra flesta neurodegenerativa sjukdomar som orsakas av andra faktorer än genetik.
Mer information: Jyotish Kumar et al, Kaffeinsyrarekarbonisering:En grön kemi, hållbar kolnanomaterialplattform för att ingripa i neurodegeneration inducerad av nya föroreningar, Environmental Research (2023). DOI:10.1016/j.envres.2023.116932
Journalinformation: Miljöforskning
Tillhandahålls av University of Texas i El Paso
