Le particelle trattate di grafene derivato dai nanotubi di carbonio hanno dimostrato un notevole potenziale come antiossidanti salvavita, ma per quanto piccole siano, è stato necessario creare qualcosa di ancora più piccolo per capire perché funzionano così bene. I ricercatori della Rice University, della McGovern Medical School del Health Science Center dell’Università di Houston (UTHealth) e del Baylor College of Medicine hanno creato composti monomolecolari che neutralizzano anche le specie reattive dell’ossigeno (ROS), ma sono molto più facili da analizzare usando lo standard strumenti scientifici. Le molecole possono diventare la base per nuove terapie antiossidanti a pieno titolo. La ricerca appare nella rivista American Chemical Society (ACS) Nano. I composti originali sono cluster di carbonio idrofilici funzionalizzati con glicole polietilenico, noti come PEG-HCC e creati da scienziati Rice e Baylor cinque anni fa. Le particelle aiutano a neutralizzare le molecole i radicali liberi sovra-espressi dalle cellule del corpo in risposta a una lesione prima che danneggino le cellule o causino mutazioni. I PEG-HCC mostrano la promessa per il trattamento del cancro, il riavvio del flusso sanguigno nel cervello dopo una lesione traumatica e il controllo delle malattie croniche.
Le nuove particelle, chiamate PEG-PDI, sono costituite da polietilenglicole e perilen-immide, 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 servire da analogico per gli esperimenti, secondo il chimico Rice James Tour, che ha condotto lo studio con il biochimico Ah-Lim Tsai dell’Università del Texas. I ricercatori hanno scritto che la molecola non è solo il primo esempio di un piccolo analogo molecolare di PEG-HCC, ma rappresenta anche il primo isolamento riuscito di un anione radicale PDI come un singolo cristallo, che consente alla sua struttura di essere catturata con raggi X. “Questo ci permette di vedere la struttura di queste particelle attive”, ha detto Tour. “Possiamo ottenere una visione di ogni atomo e delle distanze tra di loro e ottenere molte informazioni su come queste molecole neutralizzano gli ossidanti distruttivi nel tessuto biologico. Un sacco di persone ottiene strutture cristalline per composti stabili, ma questo è un intermedio transitorio durante un reazione catalitica. Essere in grado di cristallizzare un intermedio reattivo come quello è fantastico”.
I PEG-HCC hanno una larghezza di circa 3 nanometri e una lunghezza da 30 a 40 nanometri. Per confronto, le molecole PEG-PDI molto più semplici sono meno di un nanometro in larghezza e lunghezza. Le molecole PEG-PDI sono veri e propri imiti degli enzimi della superossido dismutasi, antiossidanti protettivi che abbattono i radicali tossici del 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 di 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 era più complicata, ma il fatto che sia persino possibile li rende strumenti potenti nella risoluzione dei dettagli meccanici. L’aggiunta di coda di polietilenglicole (PEG) rende le molecole solubili e aumenta anche la quantità di tempo che rimangono nel flusso sanguigno. Senza PEG, vanno semplicemente fuori dal sistema attraverso i reni; quando i gruppi PEG vengono aggiunti, le molecole circolano più a lungo e continuano a catalizzare reazioni.
Poiché hanno una superficie molto più grande, le particelle di PEG-HCC probabilmente catalizzano più reazioni parallele per particella. Comprendere la struttura del PEG-PDI dovrebbe consentire ai ricercatori di personalizzare la molecola per le applicazioni. I ricercatori hanno affermato che il PEG-PDI può anche essere un catalizzatore efficiente privo di metallo e proteine per le reazioni di riduzione dell’ossigeno utilizzate nell’industria e essenziali per le celle a combustibile. Sono intrinsecamente più stabili degli enzimi e possono funzionare in un intervallo di pH molto più ampio. Il coautore Thomas Kent, professore di Neurologia alla Baylor, che ha lavorato al progetto sin dall’inizio, ha osservato che le piccole molecole hanno una migliore possibilità di andare sulla strada giusta all’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 nanomateriali più grandi può avere una migliore possibilità di approvazione da utilizzare negli esseri umani, supponendo che sia sicura ed efficace. Il PEG-PDI serve come modello preciso per altri derivati del grafene come l’ossido di grafene e consente un studio dettagliato delle nanotecnologie“.
- a cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.
Pubblicazioni scientifiche
Sano D et al. Tour JM. ACS Nano. 2012 Mar 27; 6(3):2497-505.
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