Schematisk illustration av mycket katalytiska CeO2/Mn3O4 nanokristaller som förhindrar akut strålningssyndrom. Kredit:IBS
Trots den breda tillämpningen av strålning i diagnostik och behandlingar, det finns fortfarande inget magiskt material som skyddar människor från strålningsexponering. Även om Amifostin utvecklas som ett strålskyddsmedel, FDA godkände sin ansökan endast för skydd av spottkörtlar. Det kräver också upprepade injektioner för att vara effektivt och det kan utgöra allvarliga hälsohot av systemisk toxicitet och komplikationer när det appliceras på personer under strålningsförhållanden för hela kroppen.
Forskare vid Centrum för nanopartikelforskning, inom Institutet för grundvetenskap (IBS, Sydkorea) i samarbete med sina kollegor vid Seoul National University, School of Dentistry and Dental Research Institute, har rapporterat en mycket effektiv och säker nanokristall för att bekämpa farliga doser av strålning. Genom att odla manganoxid (Mn 3 O 4 ) nanokristaller ovanpå ceriumoxid (CeO 2 ) nanokristaller, forskargruppen ökade den katalytiska aktiviteten hos vd:n 2 /Mn 3 O 4 nanokristaller i deras förmåga att avvärja biverkningar av dödlig strålning.
"Excessive reactive oxygen species (ROS) finns i ett antal stora sjukdomar inklusive sepsis, cancer, hjärt-kärlsjukdom, och Parkinsons sjukdom, bara för att nämna några, " säger Hyeon Taeghwan, chef för IBS Center for Nanopartikelforskning (Seoul National University Distinguished Professor). "En kraftfull antioxidant som bara kan fungera i låga doser kan säkerställa hållbara tillämpningar av strålning inom medicinska, industriella och militära miljöer och mer. Dessa nya vd 2 /Mn 3 O 4 heterostrukturerade nanokristaller är fem gånger starkare än när CeO 2 eller Mn 3 O 4 gör jobbet ensam, " konstaterar regissören Hyeon.
a) 3D-illustration (vänster), TEM- och STEM-bilder (mitten och uppe till höger), och motsvarande FFT-mönster (nedre till höger) av CeO2/Mn3O4 nanokristaller. b) Atomupplösning STEM-bilder av CeO2/Mn3O4 nanokristaller. Kredit:IBS
När vår kropp utsätts för höga nivåer av strålning, en enorm mängd ROS genereras inom millisekunder på grund av nedbrytningen av vattenmolekyler. Dessa ROS skadar cellerna allvarligt, så småningom leder till deras död. Forskargruppen tittade på vd 2 och Mn 3 O 4 nanopartiklar för deras enastående ROS-rensande förmåga. Utmaningen var hur man applicerar dessa antioxidanta nanomaterial på ett säkert och ekonomiskt sätt. Även om det är effektivt, Vd 2 och Mn 3 O 4 nanopartiklar kan ta bort ROS endast i höga doser. De är också sällsynta material och svåra att få tag på.
Forskarna utgick från det tillvägagångssätt som vanligtvis används inom katalysområdet:stapling av nanopartiklar med olika gitterparametrar resulterar i ytspänning och ökar syrevakansen på ytan av nanokristallen. "Den synergistiska effekten av stammen som genereras på Mn 3 O 4 och den ökade syrevakansen på vd 2 ytan förbättrade ytbindningsaffiniteten hos ROS, öka den katalytiska aktiviteten hos nanokristallerna, "Han Sang Ihn, studiens första författare, förklarar.
"Strain engineering av nanokristaller, huvudsakligen studerade inom området katalysatorer, har nu utvidgats till det medicinska området för att skydda celler från ROS-relaterade sjukdomar, " säger Cho Min Gee, studiens första författare.
a) H&E-färgade lårbenssektioner 3 dagar efter bestrålning. b) H&E-färgning av longitudinellt sektionerad duodena 5 dagar efter bestrålning. c) Överlevnad under 30 dagar efter 13 Gy total kroppsstrålning. Kredit:IBS
Forskargruppen kontrollerade säkerheten, samt effektiviteten hos dessa nya antioxidant nanokristaller. Molekylär dynamik analyseras med hjälp av akut strålningsmodell av mänskliga tarmorganoider. "Organoider förbehandlade med vd 2 /Mn 3 O 4 nanokristaller uttryckte fler gener som var relaterade till proliferation och underhåll av intestinala stamceller och färre celldödsgener, jämfört med gruppen utan förbehandling, " förklarar Sang-woo Lee, den första medförfattaren till studien. I en musstudie, vd 2 /Mn 3 O 4 nanokristaller ökade signifikant djurens överlevnadsgrad till 67% med endast en mycket liten dos (1/360 av Amifostin injektionsdos) och minskade den oxidativa stressen till inre organ, omlopp, och benmärgsceller, utan några signifikanta tecken på toxicitet
"För att säkerställa en säker och bred användning av ett strålskyddsmedel på kliniken, nyckeln är att bibehålla hög katalytisk effekt i låga doser. Dessa vd 2 /Mn 3 O 4 nanokristaller bevisar sina kraftfulla antioxidanteffekter för att effektivt skydda hela vår kropp bara i små doser, " säger Park Kyungpyo, professor vid institutionen för odontologi, Seouls nationella universitet.
