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纳米抗氧化剂迅速中和超氧化物

发布时间:2018-05-16 点击量:4

一项以Rice为首的新研究揭示了纳米颗粒如何快速中和体内细胞过度表达以响应损伤的超氧化物。 /

可以保护受伤的人免受氧化应激导致的进一步损伤的可注射纳米颗粒已被证明在用于研究其机制的测试中非常有效。

莱斯大学,贝勒医学院和德克萨斯大学休斯顿健康科学中心(UTHealth)医学院的科学家们设计了一些方法来验证他们2012年发现的将聚乙二醇亲水碳簇(称为PEG-HCC)结合起来的方法,过度过氧化过程会在伤害后的几分钟和几小时内造成伤害。

测试表明,单个纳米粒子可以快速催化中和数以千计的损伤活性氧分子,这些分子由身体的细胞响应受伤而过度表达,并将分子转化为氧气。这些反应性物质可以破坏细胞并引起突变,但是PEG-HCC似乎具有将它们变成反应性较低的物质的巨大能力。

研究人员希望在受伤后尽快注射PEG-HCC,例如创伤性脑损伤或中风,可以通过恢复大脑敏感的循环系统的正常氧气水平来减轻进一步的脑损伤。

结果报道于美国国家科学院院刊。

“有效地,他们几乎立即使活性氧的水平恢复正常,”赖斯化学家James Tour说。 “这对需要迅速稳定事故或心脏病发作的受害者或在战场上治疗士兵的紧急救援人员来说可能是一个有用的工具。”巡回活动带领贝勒医学院的神经学家托马斯肯特和生物化学家Ah- UTHealth的Lim Tsai。

PEG-HCC的长度约为3纳米,长度为30至40纳米,并且含有2,000至5,000个碳原子。在测试中,单独的PEG-HCC纳米颗粒可以催化每秒20000到100万个活性氧分子转化成损害组织需要的分子氧和过氧化氢,同时猝灭活性中间体。

Tour和Kent领导了早期的研究,确定输注无毒PEG-HCC可以快速稳定大脑血流量,并防止在医学创伤过程中由细胞过度表达的活性氧分子,特别是伴随着大量失血时。

他们的研究针对的是创伤性脑损伤,之后细胞释放出过量的称为超氧化物的活性氧进入血液。这些有毒的自由基是免疫系统用来杀死入侵微生物的一种不成对电子的分子。它们浓度较低,有助于细胞正常的能量调节。一般来说,它们被超氧化物歧化酶控制,这是一种中和超氧化物的酶。

但即使是轻微的创伤也能释放足够的超氧化物来压倒大脑的自然防御。反过来,超氧化物可以形成导致进一步损害的其他活性氧物种,如过亚硝酸盐。

“目前的研究表明,PEG-HCCs催化作用极其迅速,具有巨大的能力来中和成千上万的有害分子,特别是超氧化物和羟基自由基,当不受管制时破坏正常组织。”Tour说。

“这不仅对于创伤性脑损伤和中风治疗很重要,而且对任何器官或组织的许多急性损伤以及器官移植等医疗手术都很重要。”他说。 “任何时候组织受到压力,因此缺氧,超氧化物会形成,进一步攻击周围的良好组织。”

研究人员使用了一种电子顺磁共振波谱技术,通过在存在或不存在PEG-HCC抗氧化剂的情况下计算未配对电子,获得超氧自由基的直接结构和速率信息。使用氧气感应电极,过氧化物酶和红色染料的另一项测试证实了这些颗粒催化超氧化物转化的能力。

“与众所周知的超氧化物歧化酶形成鲜明对比的是,PEG-HCC不是一种蛋白质,并且没有金属起催化作用,”Tsai说。 “有效的催化更新可能是由于它更”平面“,高度共轭的碳核心。”

测试显示超氧化物的消耗数量远远超过可能的PEG-HCC结合位点的数量。研究人员发现,这些颗粒对重要的一氧化氮没有影响,这些一氧化氮能够保持血管扩张并有助于神经传递和细胞保护,对pH值变化的效率也不敏感。

“PEG-HCC具有将超氧化物转化为氧气的巨大能力,并能够猝灭反应中间体,同时不会影响正常量有益的一氧化氮分子,”肯特说。 “因此,他们在我们潜在的军事设施中拥有一个独特的地方,能够抵抗一系列涉及氧气损失和破坏性自由基水平的疾病。”

该研究还确定,PEG-HCCs保持稳定,因为3个月大的批次表现和新的一样好。

UTHealth高级研究科学家,研究生Errol Samuel和校友Daniela Marcano,以及Vladimir Berka是该研究的主要作者。合着者是Rice校友Austin Potter;贝勒医学院的校友Brittany Bitner和副教授Robia Pautler; UTHealth的吴刚教练和贝勒医学院的Roderic Fabian以及Michael E. DeBakey退伍军人事务医疗中心。

Kent是Baylor医学院神经学教授,中风研究与教育主任,神经病学主任以及DeBakey中心炎症性疾病转化研究中心的成员。 Tour是T.T.和W.F. Chao化学讲座教授,材料科学与纳米工程教授,计算机科学教授,Rice的理查德E.斯马利纳米科学与技术研究所会员。 Tsai是UTHealth血液学教授,Rice的生物化学和细胞生物学兼职教授。

国防部和美国国立卫生研究院,纳米健康和UTHealth联盟的特派团连接轻度创伤性脑损伤联盟支持了这项研究。

出版物:Errol L. G. Samuel等人,“使用亲水性碳簇高效率地将超氧化物转化为氧气”,PNAS,2015; doi:10.1073 / pnas.1417047112

来源:莱斯大学Mike Williams

图片:Errol Samuel