Forskare vid Rice University förbättrar de naturliga antioxidantegenskaperna hos ett element som finns i en bils katalysator för att göra det användbart för medicinska tillämpningar.

Riskemist Vicki Colvin ledde ett team som skapade små, enhetliga sfärer av ceriumoxid och gav dem en tunn beläggning av fettoljesyra för att göra dem biokompatibla. Forskarna säger att deras upptäckt har potential att hjälpa till att behandla traumatisk hjärnskada, hjärtstillestånd och Alzheimers patienter och kan skydda mot strålningsinducerade biverkningar som drabbas av cancerpatienter.

Deras nanopartiklar har också potential att skydda astronauter från långvarig exponering för strålning i rymden och kanske till och med bromsa effekterna av åldrande, rapporterade de.

Forskningen visas denna månad i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .

Ceriumoxidnanokristaller har förmågan att absorbera och frigöra syrejoner - en kemisk reaktion som kallas reduktionsoxidation, eller redox, för korta. Det är samma process som gör att katalysatorer i bilar kan absorbera och eliminera föroreningar.

Partiklarna i Rice är små nog att injiceras i blodomloppet när organ behöver skydd mot oxidation, särskilt efter traumatiska skador, när skadliga reaktiva syrearter (ROS) ökar dramatiskt.

Ceriumpartiklarna börjar arbeta omedelbart, absorberar ROS fria radikaler, och de fortsätter att arbeta över tiden när partiklarna återgår till sitt ursprungliga tillstånd, en process som förblir ett mysterium, Hon sa. De syreämnen som frigörs i processen "kommer inte att vara superreaktiva, " Hon sa.

Colvin sa ceriumoxid, en form av den sällsynta jordartsmetallen cerium, förblir relativt stabil när den cirkulerar mellan ceriumoxid III och IV. I den första staten, nanopartiklarna har luckor i ytan som absorberar syrejoner som en svamp. När ceriumoxid III blandas med fria radikaler, det katalyserar en reaktion som effektivt avfangar ROS genom att fånga syreatomer och förvandlas till ceriumoxid IV. Hon sa att ceriumoxid IV-partiklar sakta släpper sitt infångade syre och återgår till ceriumoxid III, och kan bryta ner fria radikaler om och om igen.

Colvin sa att nanopartiklarnas lilla storlek gör dem till effektiva syrerensare.

"Ju mindre partiklarna är, ju mer yta de har tillgänglig för att fånga fria radikaler, "Colvin sa." Ett gram av dessa nanopartiklar kan ha ytan på en fotbollsplan, och det ger mycket utrymme att absorbera syre."

Ingen av ceriumoxidpartiklarna som tillverkades innan Rice tog itu med problemet var tillräckligt stabila för att användas i biologiska miljöer, Hon sa. "Vi skapade enhetliga partiklar vars ytor är riktigt väldefinierade, och vi hittade en vattenfri produktionsmetod för att maximera ytspalterna för syrerening."

Colvin sa att det är relativt enkelt att lägga till en polymerbeläggning till 3,8-nanometersfärerna. Beläggningen är tillräckligt tunn för att låta syre passera till partikeln, men robust nog att skydda den genom många cykler av ROS-absorption.

Vid testning med väteperoxid, ett starkt oxidationsmedel, forskarna fann att deras mest effektiva ceriumoxid III nanopartiklar presterade nio gånger bättre än en vanlig antioxidant, Trolox, vid första exponeringen, och höll sig bra genom 20 redoxcykler.

"Nästa logiska steg för oss är att göra lite passiv inriktning, " sa Colvin. "För det, vi planerar att fästa antikroppar till ytan av nanopartiklarna så att de kommer att attraheras av särskilda celltyper, och vi kommer att utvärdera dessa modifierade partiklar i mer realistiska biologiska miljöer."

Colvin är mest upphetsad över potentialen att hjälpa cancerpatienter som genomgår strålbehandling.

"Befintliga strålskyddsmedel måste ges i otroligt höga doser, "sa hon." De har sina egna biverkningar, och det finns inte många bra alternativ."

Hon sa att en självförnyande antioxidant som kan stanna på plats för att skydda organ skulle ha klara fördelar jämfört med giftiga strålskyddsmedel som måste elimineras från kroppen innan de skadar bra vävnad.

"Förmodligen det snyggaste med detta är att så mycket av nanomedicin har handlat om att utnyttja nanomaterialens magnetiska och optiska egenskaper, och vi har bra exempel på det på Rice, ", sade Colvin. "Men de speciella egenskaperna hos nanopartiklar har sällan utnyttjats i medicinska tillämpningar.

"Vad jag gillar med det här arbetet är att det öppnar en del av nanokemin - nämligen katalys - för den medicinska världen. Cerium III och IV är elektronskyttlar som har breda tillämpningar om vi kan göra kemin tillgänglig i en biologisk miljö.

"Och av allt, detta ödmjuka material kommer från en katalysator, " Hon sa.