Nanopartikel zur Verhinderung von Zellschäden erkundet

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Sudipta Dichtung ist begeistert von Nanopartikeln, insbesondere ein Metall der seltenen Erden Cerium genannt. Die Partikel zeigen Potenzial für ein breites Anwendungsspektrum, von der Medizin bis Energie.

Dichtung ist Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der University of Central Florida (UCF), und vor einigen Jahren, er und seine Kollegen konstruiert Nanopartikel aus Cerium-Oxid (CeO2), ein Material, das lange in Keramik, Katalysatoren und Brennstoffzellen verwendet. Die neuartige nanokristallinen Form ist ungiftig und biologisch verträglich – ideal für medizinische Anwendungen.

Seitdem die Forscher fanden heraus, dass Cerium-Oxid-Nanopartikel zwei zusätzliche medizinische Leistungen haben: sie Verhalten sich wie ein Antioxidans, schützt die Zellen vor oxidativem Stress, und sie können fein abgestimmt, um potenziell medizinische Behandlungen direkt in Zellen liefern.

Oxidativer Stress = großes Kopfzerbrechen

Oxidativer Stress hat als eine Ursache für Arthritis, Herz-Kreislauferkrankungen und auch Alterung verwickelt. Es spielt auch eine Rolle in mehrere unheilbar Verblindung Erkrankungen wie diabetische Retinopathie, altersabhängige Makula-Degeneration und Degeneration der Netzhaut.

Oxidativer Stress tritt auf, wenn zu viele reaktive Sauerstoffspezies (ROS) vorhanden sind. Diese leistungsstarke Moleküle entstehen durch die Einwirkung von ionisierender Strahlung und alltäglich Reduktion – Oxidation Reaktionen in den Zellen. (Wasserstoffperoxid und freie Radikale sind zwei Beispiele für ROS.)

In der Regel Enzyme, sogenannte Antioxidantien Zellen vor oxidativem Stress schützen, von ROS zu entwaffnen und ihre toxische Wirkung zu minimieren. Aber manchmal, die Anzahl der ROS überwältigt ein biologisches System, was zu Schäden an Proteinen, DNA und andere zellulare Werkstoffe.

Engineering-Nanopartikel mit antioxidativen Kräfte

Dichtung und seine Kollegen – James McGinnis, ein Vision-Wissenschaftler an der University of Oklahoma Health Sciences Center, Artem Masunov, theoretische Chemiker an UCF und William Self, eine molekulare und Mikro-Biologen im UCF – spezielle Cerium Oxid-Nanopartikel, die sie "Nanoceria" nennen, für maßgeschneiderte biomedizinische Anwendungen entwickelt.

In einem Formular nanokristallinen ist Cerium-Oxid hat ein starkes Antioxidans weil seine Gitterwerk Kristallstruktur hat viele freie Stellen, die Sauerstoff und das Material erfassen können eine große Fläche.
Selbst zeigten, dass Nanoceria imitieren die Aktivität der Superoxid-Dismutases, ein Antioxidans, das die tödlichen Kettenreaktionen durch ROS verursacht stoppen kann.

Nanoceria sind auch in der Lage, ihre antioxidativen Fähigkeiten zu regenerieren. "Durch diese katalytische Eigenschaft" erklärt Siegel, "wiederholter Gabe mit Nanoceria möglicherweise nicht benötigt, da es mit bestimmten antioxidativen Vitaminen ist,."

In einer biologischen Paradox sind ROS tatsächlich für einige vorteilhaften zellulären Reaktionen erforderlich. Nanoceria deaktivieren alle ROS glücklicherweise nicht. Vielmehr sagt Siegel, "sie reduzieren die Menge von ROS zu einem bestimmten niedrigen Niveau, damit eine perfekte Balance."

Schädigungen des Auges zu stoppen

Denn sie durch Licht bombardiert werden und eine sehr hohe Rate des Metabolismus von Sauerstoff haben, begegnen Zellen in der Netzhaut relativ hohe Anzahl von ROS. Dichtung und seine Kollegen vermutet, dass ROS eine "Achillesferse" des blendenden Krankheiten, die gezielt werden können verwenden Cerium-Oxid-Nanopartikel darstellen können.

Um ihre Hypothese zu testen, verwendeten die Forscher Mäuse, deren Augen retinalen Defekte ähnlich denen bei Patienten mit altersbedingter Makuladegeneration haben. Sie behandelt einige der Mäuse mit Nanoceria und dann verglichen die Anzahl der Läsionen, die in ihrer Netzhaut aufgetreten. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Nanotechnology, zeigen, dass die Nanoceria etwa 85 Prozent der Schäden an der Netzhaut verhindert.

Durch eine neu eingeführte Firma McGinnis verfolgt die Entwicklung der Nanoceria medizinischen Behandlungen für mehrere Ursachen des Anblickverlustes: genetische Auge Krankheit Retinopathia Pigmentosa, altersbedingte Makuladegeneration und diabetischer Retinopathie.

Special delivery

Dichtung – und Kollegen Masunov, selbst Sanku Mallik der North Dakota State University und Christopher Reilly der Virginia Tech – untersuchen auch die Verwendung von Cerium-Oxid bei der Medikamentenabgabe.

Unter Anleitung von Masunovs theoretischen Berechnungen optimieren die Forscher Nanoceria Oberflächeneigenschaften, wie z. B. für größere Adsorption von bioaktiven Moleküle und Aufnahme durch die Zellen.

"Dieser Nanomaterialien sehr einzigartig ist", erklärt Siegel. "Seine biologischen Eigenschaften hängen davon ab, wie Sie sie zubereiten, und es gibt viele, viele Möglichkeiten, dies zu tun."

Wie in der Zeitschrift ACS Nano berichtet, fanden sie, dass Nanoceria mit mehr Positive Oberflächenladung konnten sich besser an die Liganden Protein Transferrin gebunden. Transferrin Krebszellen, over entsteht durch die daher zusätzliche Transferrin-Rezeptoren haben. Die Forscher herausgefunden, dass die Transferrin-beschichtete Nanoceria selektiv Krebszellen, eingehen, das Potenzial des Nanoceria in gezielte Behandlungen.

Während die Nanoceria sich möglicherweise einige therapeutische Qualitäten, die Forscher glauben, es ist möglich ein Medikament an die Nanoceria anhängen und behandeln nur kranke Zellen, im Gegensatz zu vielen Krebstherapien, die gefährliche Nebenwirkungen haben, die gesundes Gewebe als auch Krebszellen schädigen.

Nächste Schritte

Dichtung und seine Kollegen weiter zu untersuchen, die chemischen Eigenschaften der Cerium-Oxid und andere seltene Erden und Metalle und Oxide, Identifizierung und Untersuchung von verschiedenen Formen mit Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin und Energie.

Zum Beispiel Cerium-Oxid kann gesunde Zellen schützen Sie vor den schädlichen Auswirkungen der Strahlung als Krebs-Behandlungen gegeben, und es zeigt Versprechen für die Behandlung von Arthritis, Wundheilung, Verletzungen des Rückenmarks und neurodegenerativen Erkrankungen. In Zusammenarbeit mit Forschern am Imperial College London sind Seal und seine Kollegen auch diese Nanostrukturen in Bio-Gerüste für Tissue Engineering und Stammzell-Differenzierung einfließen.

Wegen seiner katalytische Natur können Cerium-Oxid-Nanopartikel und ihre Hybriden effizient bei Methanol, Ethanol Umwandlung, bei der Herstellung von Wasserstoff aus Zuckerrohr, werden für Luftreinhaltung und als Elektrolyt in Brennstoffzellen verwendet. Siegel freut sich über eine Verlängerung seiner Nanoceria Forschung in diesen energetischen Bereichen.

"Wir gerade haben die Oberfläche zerkratzt was Nanoceria tun kann," sagt er. "Es gibt unendlich viele Möglichkeiten."

Zusammen mit der National Science Foundation Award trugen die National Institutes of Health Finanzierung gegenüber dieser Forschung.

• Video: Nanopartikel gemacht zu schwimmen
• Silber-Nanopartikel könnten Blutgerinnseln verhindern.
• Alles über Nanotechnologie

Anmerkung der Redaktion: Diese Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur für angeklagt Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.