Des scientifiques de l'Université Rice améliorent les propriétés antioxydantes naturelles d'un élément présent dans le convertisseur catalytique d'une voiture pour le rendre utile pour des applications médicales.

La chimiste du riz Vicki Colvin a dirigé une équipe qui a créé de petits, sphères uniformes d'oxyde de cérium et leur a donné une fine couche d'acide oléique gras pour les rendre biocompatibles. Les chercheurs disent que leur découverte a le potentiel d'aider à traiter les lésions cérébrales traumatiques, les arrêts cardiaques et les patients atteints de la maladie d'Alzheimer et peut se prémunir contre les effets secondaires radio-induits subis par les patients atteints de cancer.

Leurs nanoparticules ont également le potentiel de protéger les astronautes d'une exposition à long terme aux rayonnements dans l'espace et peut-être même de ralentir les effets du vieillissement, ils ont rapporté.

La recherche paraît ce mois-ci dans la revue American Chemical Society ACS Nano .

Les nanocristaux d'oxyde de cérium ont la capacité d'absorber et de libérer des ions d'oxygène, une réaction chimique connue sous le nom d'oxydation par réduction, ou redox, pour faire court. C'est le même processus qui permet aux convertisseurs catalytiques des voitures d'absorber et d'éliminer les polluants.

Les particules fabriquées chez Rice sont suffisamment petites pour être injectées dans la circulation sanguine lorsque les organes ont besoin de protection contre l'oxydation, en particulier après des blessures traumatiques, lors de l'endommagement des espèces réactives de l'oxygène (ROS) augmentent considérablement.

Les particules de cérium se mettent immédiatement au travail, absorbant les radicaux libres ROS, et ils continuent à travailler au fil du temps à mesure que les particules reviennent à leur état initial, un processus qui reste un mystère, elle a dit. Les espèces d'oxygène libérées dans le processus "ne seront pas super réactives, " elle a dit.

Colvin a dit oxyde de cérium, une forme du cérium, un métal des terres rares, reste relativement stable car il oscille entre l'oxyde de cérium III et IV. Dans le premier état, les nanoparticules ont des lacunes dans leur surface qui absorbent les ions d'oxygène comme une éponge. Lorsque l'oxyde de cérium III est mélangé à des radicaux libres, il catalyse une réaction qui défange efficacement les ROS en capturant des atomes d'oxygène et en se transformant en oxyde de cérium IV. Elle a déclaré que les particules d'oxyde de cérium IV libèrent lentement leur oxygène capturé et redeviennent de l'oxyde de cérium III, et peut décomposer les radicaux libres encore et encore.

Colvin a déclaré que la petite taille des nanoparticules en fait des capteurs d'oxygène efficaces.

"Plus les particules sont petites, plus ils ont de surface disponible pour capturer les radicaux libres, " a déclaré Colvin. " Un gramme de ces nanoparticules peut avoir la surface d'un terrain de football, et cela offre beaucoup d'espace pour absorber l'oxygène."

Aucune des particules d'oxyde de cérium fabriquées avant que Rice ne s'attaque au problème n'était suffisamment stable pour être utilisée en milieu biologique, elle a dit. "Nous avons créé des particules uniformes dont les surfaces sont vraiment bien définies, et nous avons trouvé une méthode de production sans eau pour maximiser les espaces de surface disponibles pour le piégeage de l'oxygène."

Colvin a déclaré qu'il était relativement simple d'ajouter un revêtement polymère aux sphères de 3,8 nanomètres. Le revêtement est suffisamment fin pour laisser passer l'oxygène jusqu'à la particule, mais suffisamment robuste pour le protéger à travers de nombreux cycles d'absorption des ROS.

En testant avec du peroxyde d'hydrogène, un agent oxydant fort, les chercheurs ont découvert que leurs nanoparticules d'oxyde de cérium III les plus efficaces fonctionnaient neuf fois mieux qu'un antioxydant commun, Trolox, à la première exposition, et a bien résisté à 20 cycles redox.

"La prochaine étape logique pour nous est de faire du ciblage passif, " a déclaré Colvin. " Pour cela, nous prévoyons d'attacher des anticorps à la surface des nanoparticules afin qu'elles soient attirées par des types cellulaires particuliers, et nous évaluerons ces particules modifiées dans des contextes biologiques plus réalistes."

Colvin est très enthousiasmé par le potentiel d'aider les patients cancéreux subissant une radiothérapie.

« Les radioprotecteurs existants doivent être administrés à des doses incroyablement élevées, " dit-elle. " Ils ont leurs propres effets secondaires, et il n'y a pas beaucoup de bonnes options."

Elle a déclaré qu'un antioxydant auto-renouvelable qui peut rester en place pour protéger les organes aurait des avantages évidents par rapport aux radioprotecteurs toxiques qui doivent être éliminés du corps avant qu'ils n'endommagent les bons tissus.

"La chose la plus intéressante à ce sujet est probablement qu'une grande partie de la nanomédecine a consisté à exploiter les propriétés magnétiques et optiques des nanomatériaux, et nous en avons d'excellents exemples chez Rice, " a déclaré Colvin. "Mais les propriétés spéciales des nanoparticules ont rarement été exploitées dans des applications médicales.

« Ce que j'aime dans ce travail, c'est qu'il ouvre une partie de la nanochimie - à savoir la catalyse - au monde médical. Le cérium III et IV sont des navettes électroniques qui ont de larges applications si l'on peut rendre la chimie accessible dans un cadre biologique.

"Et de toutes choses, cet humble matériau provient d'un pot catalytique, " elle a dit.