I chimici della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) hanno sviluppato una tecnica che riduce gli effetti tossici delle sigarette disponibili in commercio. Nonostante l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) stimi che circa 6 milioni di persone muoiono ogni anno a causa del consumo di tabacco, il numero di fumatori nel mondo è in aumento. Il numero di decessi correlati al tabacco è equivalente al tasso di mortalità che si verificherebbe se un aereo passeggeri dovesse precipitare ogni ora. Secondo i dati pubblicati dall'Ufficio federale di statistica tedesco, l'industria del tabacco ha generato un fatturato di circa 20,5 miliardi di euro nel 2016 attraverso la vendita di sigarette nella sola Germania.

Il fumo di tabacco ne contiene quasi 12, 000 diversi costituenti. Tra queste vi sono sostanze narcotossiche come la nicotina, tossine del sangue come cianuro e monossido di carbonio, per non parlare dei vari agenti cancerogeni. Tra questi ci sono i radicali liberi dell'ossigeno, noto anche come specie reattive dell'ossigeno. Più di 10 quadrilioni (1016) di queste molecole vengono inalate ad ogni boccata di sigaretta. Il team di Mainz guidato dal professor Wolfgang Tremel ha scoperto come abbassare significativamente i livelli di questi radicali liberi dell'ossigeno e quindi ridurre notevolmente la tossicità del fumo di sigaretta. Questo sviluppo potrebbe aiutare non solo a rendere il consumo di prodotti a base di tabacco un po' meno pericoloso, ma potrebbe anche essere esteso ad altre aree in cui i radicali reattivi dell'ossigeno sono un problema.

I ricercatori hanno preso l'idea alla base del concetto dagli enzimi naturali. In presenza di una maggiore concentrazione di specie reattive dell'ossigeno a causa di, ad esempio, disfunzione enzimatica, radiazioni UV o inalazione di fumo di tabacco, possono verificarsi divisione cellulare incontrollata e danno cellulare ossidativo. La natura regola la concentrazione dei radicali mediante enzimi antiossidanti come la superossido dismutasi (SOD), che svolge un ruolo centrale nella prevenzione dei processi patologici, compreso il tumore e la crescita del cancro, malattie infiammatorie, e ictus. L'enzima naturale utilizza metalli come rame-zinco, nichel, ferro da stiro, e manganese come centri reattivi che provocano la decomposizione dei radicali dell'ossigeno in modo che l'organismo sia protetto dal loro comportamento reattivo aggressivo.

Oggi è possibile produrre o isolare enzimi come SOD, ma il processo è accompagnato da costi elevati. Però, la loro scarsa stabilità all'esposizione ad alte temperature e valori di pH non fisiologici complica le cose. Con gli enzimi naturali in mente, i ricercatori nel campo della biomimetica stanno cercando modi per imitare le reazioni biologiche naturali con l'aiuto di composti sintetici. Il chimico Karsten Korschelt e il chimico alimentare Dr. Carmen Metzger hanno studiato nanoparticelle di idrossido di rame funzionalizzate con aminoacidi come potenziali analoghi sintetici della SOD cuprifera. Hanno scoperto che le particelle erano associate a un più alto tasso di attività catalitica in termini di decomposizione dei radicali dell'ossigeno rispetto all'enzima stesso. "In linea di principio non è una sorpresa, poiché tutti gli atomi di rame sulla superficie delle particelle possono avere un effetto catalitico, tuttavia l'enzima ha un solo centro attivo, " ha affermato il professor Wolfgang Tremel. A differenza degli enzimi naturali, le nanoparticelle di idrossido di rame funzionalizzate sono molto stabili e poco costose da produrre.

Dal laboratorio alla quotidianità

Sebbene le reazioni enzimatiche naturali possano essere imitate con l'aiuto di nanoparticelle, ci sono ancora solo poche applicazioni basate sul principio. Le stesse nanoparticelle sono utilizzate nei cosmetici, ad esempio, e come nano sigillanti in vernici e tessuti. Siamo così ampiamente esposti ai radicali liberi su base quotidiana che la loro presenza viene spesso ignorata del tutto. Ma nei gas di scarico e nel fumo di sigaretta rappresentano una grave minaccia per la salute. Il team di chimici di Mainz sta quindi collaborando con il gruppo guidato dal professor Jürgen Brieger del Mainz University Medical Center al fine di determinare se è possibile integrare nanoparticelle di idrossido di rame funzionalizzate nei filtri delle sigarette e ridurre così i livelli di radicali liberi nel fumo, fornendo quindi ai fumatori una maggiore protezione contro il loro potenziale tossico.

I test di citotossicità hanno dimostrato che gli estratti di fumo di sigaretta nelle concentrazioni esaminate non hanno più un effetto tossico sulle cellule umane dopo essere passati attraverso filtri di sigaretta contenenti nanoparticelle, mentre si è verificata una maggiore tossicità nel caso di controlli in cui sono stati impiegati filtri non trattati. "Ciò dimostra l'effetto positivo delle particelle quando utilizzate nei filtri delle sigarette e la loro stabilità durante il processo di fumo, " ha sottolineato Karsten Korschelt. I ricercatori di Magonza hanno così potuto dimostrare che è possibile imitare i meccanismi di difesa naturali con l'aiuto delle nanoparticelle e che si può ottenere una riduzione degli effetti tossici di vari tipi di fumo.

I metodi e le analisi utilizzati sono stati sviluppati e implementati in collaborazione con il Centro medico universitario dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza. Il rapporto sul loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista scientifica Nanoscala .