Le particelle trattate di grafene derivate da nanotubi di carbonio hanno dimostrato un notevole potenziale come antiossidanti salvavita, ma per quanto piccoli siano, è stato necessario creare qualcosa di ancora più piccolo per capire perché funzionano così bene.

Ricercatori della Rice University, la McGovern Medical School presso l'Università del Texas Health Science Center di Houston (UTHealth) e il Baylor College of Medicine hanno creato composti a molecola singola che estinguono anche le specie reattive dell'ossigeno (ROS) dannose, ma sono molto più facili da analizzare utilizzando strumenti scientifici standard. Le molecole possono diventare esse stesse la base per nuove terapie antiossidanti.

La ricerca appare sulla rivista American Chemical Society ACS Nano .

I composti originali sono cluster idrofili di carbonio funzionalizzati con glicole polietilenico, noto come PEG-HCC e creato dagli scienziati di Rice e Baylor cinque anni fa. Le particelle aiutano a neutralizzare le molecole di ROS sovraespresse dalle cellule del corpo in risposta a una lesione prima che danneggino le cellule o causino mutazioni.

I PEG-HCC si mostrano promettenti per il trattamento del cancro, riavviare il flusso sanguigno nel cervello dopo un trauma e controllare le malattie croniche.

Le nuove particelle, chiamato PEG-PDI, sono costituiti da polietilenglicole e perilene diimmide, un composto usato come colorante, il colore nella vernice rossa per auto e nelle celle solari per le sue proprietà di assorbimento della luce. La loro capacità di accettare elettroni da altre molecole li rende funzionalmente simili ai PEG-HCC. Sono abbastanza vicini da fungere da analogo per gli esperimenti, secondo il chimico della Rice James Tour, che ha condotto lo studio con il biochimico dell'Università del Texas Ah-Lim Tsai.

I ricercatori hanno scritto che la molecola non è solo il primo esempio di un piccolo analogo molecolare dei PEG-HCC, ma rappresenta anche il primo isolamento riuscito di un anione radicale PDI come singolo cristallo, che consente di catturare la sua struttura con la cristallografia a raggi X.

"Questo ci permette di vedere la struttura di queste particelle attive, " disse Tour. "Possiamo avere una visione di ogni atomo e le distanze tra loro, e ottenere molte informazioni su come queste molecole estinguono gli ossidanti distruttivi nei tessuti biologici.

"Molte persone ottengono strutture cristalline per composti stabili, ma questo è un intermedio transitorio durante una reazione catalitica, " ha detto. "Essere in grado di cristallizzare un intermedio reattivo come quello è sorprendente."

I PEG-HCC sono larghi circa 3 nanometri e lunghi da 30 a 40 nanometri. A confronto, molecole PEG-PDI molto più semplici sono meno di un nanometro in larghezza e lunghezza.

Le molecole PEG-PDI sono vere imitazioni degli enzimi superossido dismutasi, antiossidanti protettivi che scompongono i radicali tossici superossido in ossigeno molecolare innocuo e perossido di idrogeno. Le molecole estraggono elettroni da ROS instabili e catalizzano la loro trasformazione in specie meno reattive.

Testare le molecole PEG-PDI può essere semplice come metterle in una soluzione che contiene molecole di specie reattive dell'ossigeno come il superossido di potassio e osservare la soluzione cambiare colore. L'ulteriore caratterizzazione con la spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica è stata più complicata, ma il fatto che sia anche possibile li rende strumenti potenti nella risoluzione di dettagli meccanicistici, hanno detto i ricercatori.

Tour ha detto che l'aggiunta di glicole polietilenico rende le molecole solubili e aumenta anche la quantità di tempo in cui rimangono nel flusso sanguigno. "Senza PEG, escono dal sistema attraverso i reni, " ha detto. Quando si aggiungono i gruppi PEG, le molecole circolano più a lungo e continuano a catalizzare le reazioni.

Ha detto che il PEG-PDI è altrettanto efficace dei PEG-HCC se misurato in base al peso. "Poiché hanno una superficie molto più ampia, Le particelle PEG-HCC probabilmente catalizzano più reazioni parallele per particella, " ha detto Tour. "Ma se li confronti con PEG-PDI in base al peso, sono abbastanza simili nell'attività catalitica totale."

La comprensione della struttura di PEG-PDI dovrebbe consentire ai ricercatori di personalizzare la molecola per le applicazioni. "Dovremmo avere una straordinaria capacità di modificare la struttura della molecola, " ha detto. "Possiamo aggiungere tutto ciò che vogliamo, esattamente dove vogliamo, per terapie specifiche”.

I ricercatori hanno affermato che il PEG-PDI può anche essere un efficiente catalizzatore privo di metalli e proteine ​​per le reazioni di riduzione dell'ossigeno utilizzate nell'industria ed essenziali per le celle a combustibile. Sono intrinsecamente più stabili degli enzimi e possono funzionare in un intervallo di pH molto più ampio, disse Tsai.

Co-autore Thomas Kent, un professore di neurologia al Baylor che ha lavorato al progetto fin dall'inizio, le piccole molecole note hanno maggiori possibilità di ottenere l'approvazione per la terapia da parte della Food and Drug Administration rispetto agli agenti a base di nanotubi. "Una piccola molecola che non è derivata da un nanomateriale più grande può avere maggiori possibilità di approvazione per l'uso nell'uomo, supponendo che sia sicuro ed efficace, " Egli ha detto.

Tour ha affermato che il PEG-PDI funge da modello preciso per altri derivati ​​del grafene come l'ossido di grafene e consente uno studio più dettagliato dei nanomateriali a base di grafene. "Rendere i nanomateriali più piccoli, da molecole ben definite, permette 150 anni di metodi di chimica sintetica per affrontare le questioni meccanicistiche all'interno delle nanotecnologie, " Egli ha detto.