Nanocristalele protejează împotriva radiațiilor mortale la nivel celular

oamenii

Radiațiile rămân dăunătoare pentru oameni, deși radiațiile sunt utilizate pe scară largă în medicină. O nouă dezvoltare a oamenilor de știință din Coreea de Sud reduce efectul radiațiilor și previne deteriorarea țesuturilor.

Cercetătorii de la Centrul pentru Studiul Nanoparticulelor de la Institutul de Științe de Bază (IBS, Coreea de Sud), în colaborare cu colegii de la Universitatea Națională din Seul și alte instituții științifice, au dezvoltat un nanocristal care combate dozele periculoase de radiații.

În doze mici, noile nanocristale au un puternic efect antioxidant asupra organismului și previn efectele secundare ale radiațiilor.

Rezultatele studiului sunt publicate în revista Advanced Materials.

Oamenii de știință coreeni au obținut nanoparticule de dioxid de ceriu cu un strat de suprafață de oxid de mangan mixt, care asigură o activitate catalitică crescută împotriva speciilor reactive de oxigen - unul dintre mecanismele indirecte ale efectelor radiațiilor asupra organismelor vii. Nanoparticulele rezultate sunt biocompatibile și cresc supraviețuirea șoarecilor după o doză mare de radiații de până la 67%.

Una dintre consecințele radiațiilor pentru organismele vii este radioliza apei, în timpul căreia se formează particule reactive de oxigen - de exemplu radicalii O2 -, H2 O2 și OH. Aceste particule pot oxida moleculele organice, distrugând țesutul viu. Cu o doză ascuțită de radiații peste 6 Gy (gri), cele mai multe cazuri se încheie cu moartea pacientului în termen de trei săptămâni. Medicamentele antiradiație existente nu sunt suficient de eficiente și au efecte secundare negative. De aceea oamenii de știință încearcă să găsească noi medicamente netoxice cu acțiune îndelungată și acțiune antioxidantă puternică.

În ultimii ani, oamenii de știință au acordat o mare atenție nanomaterialelor anorganice cu proprietăți antioxidante - oxizi de ceriu, mangan și vanadiu. S-a demonstrat deja că pot fi utilizate împotriva speciilor reactive de oxigen.

Schema nanoparticulelor. Credit: Sang Ihn Han și colab./Materiale avansate, 2020

Pentru a obține nanoparticule, cercetătorii au folosit cristale de semințe de dioxid de ceriu, care au fost scufundate într-o soluție de clorură de mangan. O reacție de substituție oxidativă a început la suprafață. Ceriul este parțial redus la o stare de oxidare de +3, iar manganul se oxidează la +3, ceea ce duce la formarea unui strat de oxid de mangan pe suprafața nanocristalelor. Pentru a utiliza astfel de particule în organism, oamenii de știință acoperiți cu fosfolipid-polietilen glicol (PL-PEG).

Studiind conținutul de mangan de pe suprafața nanoparticulelor folosind spectroscopia de emisie atomică, oamenii de știință au ajuns la concluzia că ionii Ce 4+ și Mn 2+ sunt concentrați la suprafață, deoarece sunt cei mai mari și datorită discrepanței parametrului rețelei cristaline, manganului. apar straturi de oxid, apar solicitări mecanice, ducând la defecte ale rețelei cristaline. Principalul tip de defecte în astfel de structuri sunt locurile libere de oxigen, cu ajutorul cărora are loc suprimarea particulelor reactive de oxigen.

Micrografia electronică a nanoparticulelor obținute. Credit: Sang Ihn Han și colab./Materiale avansate, 2020

Înainte de a testa proprietățile radioprotectoare ale nanoparticulelor la șoareci, cercetătorii le-au testat pe celule stem intestinale umane și de șoarece. În primul rând, în timpul iradierii, este necesar să se protejeze proteina LGR5 +, care este responsabilă pentru repararea celulelor după expunerea la radiații. Înainte de iradiere în grupul de control al celulelor șoareci, au existat 14% celule LGR5-pozitive, după expunerea la radiații, aproape toate au fost distruse (0,17%), dar atunci când au fost introduse în celule nanoparticulele CeO2-Mn3O4 rămân 9,78% din celulele LGR5 în viaţă. Atunci când iradiază celulele stem intestinale umane, când nanoparticulele sunt introduse în celule, oamenii de știință au confirmat că concentrația speciilor reactive de oxigen a fost semnificativ redusă. Și la 24 de ore după iradiere în celulele protejate, apoptoza apare doar în periferie, spre deosebire de celulele neprotejate.

Ilustrație schematică a nanocristalelor CeO2/Mn3O4 extrem de catalitice care previn sindromul de radiații acute. Credit: IBS

Pentru a stabili relația dintre speciile reactive de oxigen și procesele de apoptoză, biologii au analizat ARN mitocondrial la 12 ore după iradiere. În celulele protejate cu nanoparticule, modificările exprimării genelor sunt mult mai mici. În primul rând, expresia genelor responsabile de stresul celular, distrugerea ADN-ului și apoptoza este crescută, în timp ce expresia genelor responsabile de mitoză și calea de semnalizare Wnt este scăzută. În orice caz, nanoparticulele din celule reduc numărul de gene cu expresie modificată.

Pentru a testa biocompatibilitatea nanoparticulelor, cercetătorii le-au injectat în țesuturile intestinelor, rinichilor, splinei, ficatului, inimii, plămânilor și vezicii urinare și nu au găsit anomalii histologice. Și, de asemenea, după introducerea unei doze mari de nanoparticule (50 miligrame pe kilogram de greutate corporală), nu a fost detectată nicio pierdere în greutate în decurs de 30 de zile. În acest fel, oamenii de știință demonstrează lipsa de toxicitate sistematică a nanoparticulelor.

Fotografii ale celulelor stem intestinale umane cu microscop confocal. Deasupra - vizualizarea particulelor de oxigen (verde deschis), dedesubt - vizualizarea proceselor de apoptoză (violet). Credit: Sang Ihn Han și colab./Materiale avansate, 2020

Comparația aspectului țesuturilor șoarecilor cu aplicarea nanoparticulelor și controlul: (de la stânga la dreapta) intestinele, rinichii, splina, ficatul, inima, plămânii și vezica urinară. Credit: Sang Ihn Han și colab./Materiale avansate, 2020

După ce au verificat toxicitatea și protecția împotriva radiațiilor celulelor, cercetătorii au testat nanoparticulele pe șoareci vii. Aceștia injectează nanoparticule la o concentrație de 0,55 miligrame pe kilogram de greutate intraperitoneal într-un grup, nanoparticule din oxid de ceriu singur în alt grup și nanoparticule din oxid de mangan într-un al treilea grup. Pentru a-și compara medicamentul cu amifostina utilizată până acum, cercetătorii au adăugat încă două grupuri de șoareci cărora li s-au administrat doze mari și mici de amifostină (Trebuie remarcat faptul că șase șoareci cu doze mari de amifostină au murit chiar înainte de expunerea la efectele secundare ale amifostinei). . Al șaselea grup este un grup de control căruia nu i se dă nimic.

Rata de supraviețuire a șoarecilor în diferite metode de protecție împotriva radiațiilor. Credit: Sang Ihn Han și colab./Materiale avansate, 2020

Șoarecii au fost iradiați cu o doză de 13 Gy. După iradiere, toți șoarecii neprotejați mor în decurs de 13 zile, la șoarecii protejați numai cu nanoparticule de ceriu sau mangan, rata de supraviețuire este de 20-30 la sută, la șoarecii cu o doză mică de amifostină - 10 la sută, cu mare - doi din patru șoareci supraviețui. În același timp, șase dintre cei nouă șoareci tratați cu nanoparticule mixte au supraviețuit. În plus, după 150 de zile, starea țesuturilor lor nu a diferit de grupul de control al șoarecilor care nu au fost iradiați. În acest fel, oamenii de știință demonstrează că nanoparticulele antioxidante, datorită capacității lor catalitice crescute de a reține speciile reactive de oxigen, protejează împotriva efectelor nocive ale radiațiilor.

Compararea aspectului țesuturilor șoarecilor după 150 de zile din ziua iradierii șoarecilor protejați cu nanoparticule. Nu s-a observat nicio modificare. Credit: Sang Ihn Han și colab./Materiale avansate, 2020

Creșterea celulelor stem intestinale în cazul radiațiilor neprotejate este aproape complet suprimată și, atunci când este protejată de nanoparticule, este aproape indistinctă de control.

Deocamdată, cercetătorii nu intenționează să testeze noul regim de tratament pentru oameni, dar oamenii de știință speră că rezultatele experimentelor vor sprijini continuarea cercetărilor în această direcție.

Radiațiile sunt adesea prezente în diagnosticul și tratamentul medical, iar unul dintre obstacolele pentru umanitate în calea stăpânirii spațiului este radiația. Din această perspectivă, rezultatele experimentelor oamenilor de știință coreeni devin deosebit de importante.

Referinţă: Sang Ihn Han și colab., Nanocristale CeO2/Mn3 O4 cu tensiune epitaxială ca un antioxidant îmbunătățit pentru radioprotecție, Materiale avansate (2020). DOI: 10.1002/adma.202001566