Injicerbara nanopartiklar som kan skydda en skadad person från ytterligare skador på grund av oxidativ stress har visat sig vara otroligt effektiva i tester för att studera deras mekanism.

Forskare vid Rice University, Baylor College of Medicine och University of Texas Health Science Center i Houston (UTHealth) Medical School utformade metoder för att validera deras upptäckt 2012 som kombinerade polyetylenglykol-hydrofila kolkluster-kända som PEG-HCC-snabbt kunde stoppa processen med överoxidation som kan orsaka skada i minuter och timmar efter en skada.

Testerna avslöjade att en enda nanopartikel snabbt kan katalysera neutraliseringen av tusentals skadliga reaktiva syreartsmolekyler som överuttrycks av kroppens celler som svar på en skada och förvandlar molekylerna till syre. Dessa reaktiva arter kan skada celler och orsaka mutationer, men PEG-HCC verkar ha en enorm förmåga att göra dem till mindre reaktiva ämnen.

Forskarna hoppas en injektion av PEG-HCC så snart som möjligt efter en skada, såsom traumatisk hjärnskada eller stroke, kan mildra ytterligare hjärnskada genom att återställa normala syrenivåer till hjärnans känsliga cirkulationssystem.

Resultaten rapporterades idag i Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Effektivt, de återställer nivån av reaktiva syrearter till det normala nästan omedelbart, "sa Rice -kemisten James Tour." Detta kan vara ett användbart verktyg för räddningspersonal som snabbt behöver stabilisera en olycka eller ett hjärtattackoffer eller för att behandla soldater inom stridsområdet. "Tour ledde den nya studien med neurolog Thomas Kent från Baylor. College of Medicine och biokemisten Ah-Lim Tsai från UTHealth.

PEG-HCC är cirka 3 nanometer breda och 30 till 40 nanometer långa och innehåller från 2, 000 till 5, 000 kolatomer. I tester, en individuell PEG-HCC-nanopartikel kan katalysera omvandlingen av 20, 000 till en miljon reaktiva syreartmolekyler per sekund till molekylärt syre, vilka skadade vävnader behöver, och väteperoxid medan reaktiva mellanprodukter släcktes.

Tour och Kent ledde den tidigare forskningen som bestämde att en infusion av icke-toxiska PEG-HCC kan snabbt stabilisera blodflödet i hjärnan och skydda mot reaktiva syreartmolekyler som överuttrycks av celler under ett medicinskt trauma, särskilt när det åtföljs av massiv blodförlust.

Deras forskning riktade sig mot traumatiska hjärnskador, varefter celler släpper ut en överdriven mängd av de reaktiva syrearter som kallas superoxid i blodet. Dessa giftiga fria radikaler är molekyler med en oparad elektron som immunsystemet använder för att döda invaderande mikroorganismer. I små koncentrationer, de bidrar till en cells normala energireglering. Rent generellt, de hålls i schack av superoxiddismutas, ett enzym som neutraliserar superoxider.

Men även milda trauman kan släppa ut tillräckligt med superoxider för att överväldiga hjärnans naturliga försvar. I tur och ordning, superoxider kan bilda sådana andra reaktiva syrearter som peroxynitrit som orsakar ytterligare skada.

"Den aktuella forskningen visar att PEG-HCC fungerar katalytiskt, extremt snabbt och med en enorm förmåga att neutralisera tusentals på tusentals av de skadliga molekylerna, särskilt superoxid- och hydroxylradikaler som förstör normal vävnad när de lämnas oreglerade, "Sa Tour.

"Detta kommer att vara viktigt inte bara vid traumatisk hjärnskada och strokebehandling, men för många akuta skador på alla organ eller vävnader och vid medicinska ingrepp såsom organtransplantation, "sa han." När som helst vävnad är stressad och därmed syrehungad, superoxid kan bildas för att ytterligare attackera den omgivande goda vävnaden. "

Forskarna använde en elektronparamagnetisk resonansspektroskopiteknik som får direkt struktur och hastighetsinformation för superoxidradikaler genom att räkna oparade elektroner i närvaro eller frånvaro av PEG-HCC-antioxidanter. Ännu ett test med en syrekänslig elektrod, peroxidas och ett rött färgämne bekräftade partiklarnas förmåga att katalysera superoxidomvandling.

"I skarp kontrast till det välkända superoxiddismutaset, PEG-HCC är inte ett protein och har ingen metall för att tjäna den katalytiska rollen, "Sa Tsai." Den effektiva katalytiska omsättningen kan bero på dess mer "plana" "starkt konjugerad kolkärna."

Testerna visade att antalet förbrukade superoxider översteg långt antalet möjliga PEG-HCC-bindningsställen. Forskarna fann att partiklarna inte har någon effekt på viktiga kväveoxider som håller blodkärlen vidgade och hjälper neurotransmission och cellskydd, effektiviteten var inte heller känslig för pH -förändringar.

"PEG-HCC har en enorm förmåga att omvandla superoxid till syre och förmågan att släcka reaktiva mellanprodukter utan att påverka kväveoxidmolekyler som är fördelaktiga i normala mängder, "Kent sa." Så de har en unik plats i vårt potentiella armamentarium mot en rad sjukdomar som innebär förlust av syre och skadliga nivåer av fria radikaler. "

Studien bestämde också att PEG-HCC förblir stabila, som satser upp till 3 månader gamla fungerade så bra som nya.