Kemister vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har utvecklat en teknik som minskar de toxiska effekterna av kommersiellt tillgängliga cigaretter. Trots att Världshälsoorganisationen (WHO) uppskattar att cirka 6 miljoner människor dör varje år till följd av tobakskonsumtion, antalet rökare runt om i världen ökar. Antalet tobaksrelaterade dödsfall motsvarar antalet dödsfall som skulle inträffa om ett passagerarplan skulle krascha varje timme. Enligt siffror publicerade av det tyska federala statistikkontoret, tobaksindustrin genererade en omsättning på cirka 20,5 miljarder euro 2016 genom försäljning av cigaretter enbart i Tyskland.

Tobaksrök innehåller nästan 12, 000 olika beståndsdelar. Bland dessa finns narkotoxiska ämnen som nikotin, blodgifter som cyanid och kolmonoxid, för att inte tala om de olika cancerframkallande ämnena. Bland dessa finns fria syreradikaler, även känd som reaktiva syrearter. Mer än 10 kvadrillioner (1016) av dessa molekyler andas in med varje bloss på en cigarett. Det Mainz-baserade teamet under ledning av professor Wolfgang Tremel har upptäckt hur man avsevärt kan sänka nivåerna av dessa fria syreradikaler och därmed markant minska toxiciteten av cigarettrök. Denna utveckling skulle kunna bidra till att inte bara göra konsumtionen av tobaksbaserade produkter något mindre riskabel utan den skulle också kunna utvidgas till andra områden där reaktiva syreradikaler är ett problem.

Forskare tog den bakomliggande idén bakom konceptet från naturliga enzymer. I närvaro av en ökad koncentration av reaktiva syreämnen som ett resultat av, till exempel, enzymatisk dysfunktion, UV-strålning eller inandning av tobaksrök, okontrollerad celldelning och oxidativ cellskada kan uppstå. Naturen reglerar koncentrationen av radikaler med hjälp av antioxidantenzymer som superoxiddismutas (SOD), som spelar en central roll i förebyggandet av patologiska processer, inklusive tumör- och cancertillväxt, inflammatoriska sjukdomar, och stroke. Det naturligt förekommande enzymet använder metaller som koppar-zink, nickel, järn, och mangan som reaktiva centra som gör att syreradikaler bryts ned så att organismen skyddas från deras aggressiva reaktiva beteende.

Idag är det möjligt att producera eller isolera enzymer som SOD, men processen åtföljs av höga kostnader. Dock, deras dåliga stabilitet vid exponering för höga temperaturer och icke-fysiologiska pH-värden komplicerar saken. Med naturliga enzymer i åtanke, forskare inom området biomimetik letar efter sätt att imitera naturliga biologiska reaktioner med hjälp av syntetiska föreningar. Kemisten Karsten Korschelt och livsmedelskemisten Dr. Carmen Metzger undersökte aminosyrafunktionaliserade kopparhydroxidnanopartiklar som potentiella syntetiska analoger av kopparhaltig SOD. De fann att partiklarna var förknippade med en högre hastighet av katalytisk aktivitet när det gäller nedbrytningen av syreradikaler än själva enzymet. "Detta är i princip inte en sådan överraskning eftersom alla kopparatomer på partikelytan kan ha en katalytisk effekt, ändå har enzymet bara ett aktivt centrum, " sa professor Wolfgang Tremel. I motsats till naturliga enzymer, funktionaliserade kopparhydroxidnanopartiklar är mycket stabila och billiga att producera.

Från laboratorium till vardag

Även om naturliga enzymatiska reaktioner kan efterliknas med hjälp av nanopartiklar, Det finns ännu bara ett fåtal ansökningar baserade på principen. Nanopartiklar själva används i kosmetika, till exempel, och som nanofogmassa i färger och textilier. Vi är så omfattande exponerade för fria radikaler på en daglig basis att deras närvaro ofta ignoreras helt och hållet. Men i avgaser och cigarettrök utgör de ett stort hot mot hälsan. Teamet av kemister i Mainz samarbetar alltså med gruppen som leds av professor Jürgen Brieger från Mainz University Medical Center för att avgöra om det är möjligt att integrera funktionaliserade kopparhydroxidnanopartiklar i cigarettfilter och därmed minska nivåerna av fria radikaler i rök, vilket ger rökare ett bättre skydd mot deras giftiga potential.

Cytotoxicitetstester har visat att cigarettröksextrakten i de undersökta koncentrationerna inte längre har en toxisk effekt på mänskliga celler efter att ha passerat genom cigarettfilter som innehåller nanopartiklar, medan det förelåg ökad toxicitet i fallet med kontroller där obehandlade filter användes. "Detta visar partiklarnas positiva effekt när de används i cigarettfilter och deras stabilitet under rökprocessen, " betonade Karsten Korschelt. Forskarna i Mainz har därmed kunnat visa att det är möjligt att imitera naturliga försvarsmekanismer med hjälp av nanopartiklar och att en minskning av de toxiska effekterna av olika typer av rök kan uppnås.

De använda metoderna och analyserna har utvecklats och implementerats i samarbete med University Medical Center vid Johannes Gutenberg University Mainz. Rapporten om deras arbete har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nanoskala .