Gli scienziati della Rice University stanno migliorando le proprietà antiossidanti naturali di un elemento presente nel convertitore catalitico di un'auto per renderlo utile per applicazioni mediche.

La chimica del riso Vicki Colvin ha guidato un team che ha creato piccoli, sfere uniformi di ossido di cerio e ha conferito loro un sottile rivestimento di acido grasso oleico per renderle biocompatibili. I ricercatori affermano che la loro scoperta ha il potenziale per aiutare a curare le lesioni cerebrali traumatiche, arresto cardiaco e malati di Alzheimer e può proteggere dagli effetti collaterali indotti dalle radiazioni subiti dai malati di cancro.

Le loro nanoparticelle hanno anche il potenziale per proteggere gli astronauti dall'esposizione a lungo termine alle radiazioni nello spazio e forse anche per rallentare gli effetti dell'invecchiamento, hanno riferito.

La ricerca appare questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .

I nanocristalli di ossido di cerio hanno la capacità di assorbire e rilasciare ioni di ossigeno, una reazione chimica nota come ossidazione di riduzione, o redox, in breve. È lo stesso processo che consente ai convertitori catalitici delle auto di assorbire ed eliminare gli inquinanti.

Le particelle prodotte da Rice sono abbastanza piccole da essere iniettate nel flusso sanguigno quando gli organi hanno bisogno di protezione dall'ossidazione, soprattutto dopo lesioni traumatiche, quando le specie reattive dell'ossigeno dannose (ROS) aumentano drasticamente.

Le particelle di cerio entrano subito in azione, assorbendo i radicali liberi ROS, e continuano a funzionare nel tempo mentre le particelle ritornano al loro stato iniziale, un processo che rimane un mistero, lei disse. Le specie di ossigeno rilasciate nel processo "non saranno super reattive, " lei disse.

Colvin ha detto che l'ossido di cerio, una forma del cerio, un metallo delle terre rare, rimane relativamente stabile in quanto ciclicamente tra ossido di cerio III e IV. Nel primo stato, le nanoparticelle hanno spazi vuoti nella loro superficie che assorbono gli ioni di ossigeno come una spugna. Quando l'ossido di cerio III viene miscelato con i radicali liberi, catalizza una reazione che defanga efficacemente i ROS catturando atomi di ossigeno e trasformandosi in ossido di cerio IV. Ha detto che le particelle di ossido di cerio IV rilasciano lentamente l'ossigeno catturato e ritornano all'ossido di cerio III, e può abbattere i radicali liberi ancora e ancora.

Colvin ha affermato che le minuscole dimensioni delle nanoparticelle le rendono efficaci spazzini di ossigeno.

"Più piccole sono le particelle, più superficie hanno a disposizione per catturare i radicali liberi, " ha detto Colvin. "Un grammo di queste nanoparticelle può avere la superficie di un campo da calcio, e questo fornisce molto spazio per assorbire l'ossigeno."

Nessuna delle particelle di ossido di cerio prodotte prima che la Rice affrontasse il problema era abbastanza stabile da poter essere utilizzata in ambienti biologici, lei disse. "Abbiamo creato particelle uniformi le cui superfici sono davvero ben definite, e abbiamo trovato un metodo di produzione senza acqua per massimizzare le lacune superficiali disponibili per l'eliminazione dell'ossigeno".

Colvin ha affermato che è relativamente semplice aggiungere un rivestimento polimerico alle sfere da 3,8 nanometri. Il rivestimento è abbastanza sottile da consentire il passaggio dell'ossigeno alla particella, ma abbastanza robusto da proteggerlo attraverso molti cicli di assorbimento dei ROS.

Nei test con perossido di idrogeno, un forte agente ossidante, i ricercatori hanno scoperto che le loro nanoparticelle di ossido di cerio III più efficaci hanno prestazioni nove volte migliori di un comune antiossidante, Trolox, alla prima esposizione, e ha resistito bene per 20 cicli redox.

"Il prossimo passo logico per noi è fare del targeting passivo, "Colvin ha detto. "Per questo, abbiamo in programma di attaccare gli anticorpi alla superficie delle nanoparticelle in modo che siano attratte da particolari tipi di cellule, e valuteremo queste particelle modificate in contesti biologici più realistici".

Colvin è molto eccitato dal potenziale per aiutare i malati di cancro sottoposti a radioterapia.

"I radioprotettori esistenti devono essere somministrati in dosi incredibilmente elevate, " ha detto. "Hanno i loro effetti collaterali, e non ci sono molte grandi opzioni."

Ha detto che un antiossidante auto-rinnovante che può rimanere in posizione per proteggere gli organi avrebbe chiari benefici rispetto ai radioprotettori tossici che devono essere eliminati dal corpo prima che danneggino i tessuti sani.

"Probabilmente la cosa più bella di questo è che gran parte della nanomedicina ha riguardato lo sfruttamento delle proprietà magnetiche e ottiche dei nanomateriali, e ne abbiamo grandi esempi a Rice, "Colvin ha detto. "Ma le proprietà speciali delle nanoparticelle sono state raramente sfruttate nelle applicazioni mediche.

"Quello che mi piace di questo lavoro è che apre una parte della nanochimica, vale a dire la catalisi, al mondo medico. Il cerio III e IV sono navette di elettroni che hanno ampie applicazioni se possiamo rendere accessibile la chimica in un ambiente biologico.

"E di tutte le cose, questo umile materiale proviene da un convertitore catalitico, " lei disse.