PEG-PDI, qui incorpore un composé longtemps utilisé comme colorant rouge, passe au bleu verdâtre avec l'ajout de superoxyde de potassium car il convertit le superoxyde en dioxygène. L'ajout de plus éteint davantage le superoxyde d'espèces réactives de l'oxygène, tournant la solution pourpre. L'ajout de peroxyde d'hydrogène dans la dernière étape clarifie le liquide, montrant qu'une accumulation de peroxyde d'hydrogène en excès peut désactiver la structure. PEG-PDI, créé à l'Université Rice, montre un potentiel en tant qu'antioxydant biologique. Crédit :Tour Group/Rice University
Les particules traitées de graphène dérivé de nanotubes de carbone ont démontré un potentiel remarquable en tant qu'antioxydants vitaux, mais aussi petits soient-ils, quelque chose d'encore plus petit a dû être créé pour comprendre pourquoi ils fonctionnent si bien.
Chercheurs de l'Université Rice, la McGovern Medical School du University of Texas Health Science Center à Houston (UTHealth) et le Baylor College of Medicine ont créé des composés à molécule unique qui éteignent également les espèces réactives de l'oxygène (ROS) dommageables, mais sont beaucoup plus faciles à analyser à l'aide d'outils scientifiques standard. Les molécules pourraient devenir à elles seules la base de nouvelles thérapies antioxydantes.
La recherche apparaît dans la revue American Chemical Society ACS Nano .
Les composés originaux sont des amas de carbone hydrophiles fonctionnalisés avec du polyéthylène glycol, connu sous le nom de PEG-HCC et créé par les scientifiques de Rice et Baylor il y a cinq ans. Les particules aident à neutraliser les molécules ROS surexprimées par les cellules du corps en réponse à une blessure avant qu'elles n'endommagent les cellules ou provoquent des mutations.
Les PEG-HCC sont prometteurs pour le traitement du cancer, redémarrer le flux sanguin dans le cerveau après une blessure traumatique et contrôler les maladies chroniques.
Les nouvelles particules, appelé PEG-PDI, se composent de polyéthylène glycol et de diimide de pérylène, un composé utilisé comme colorant, la couleur de la peinture automobile rouge et des cellules solaires pour ses propriétés d'absorption de la lumière. Leur capacité à accepter les électrons d'autres molécules les rend fonctionnellement similaires aux PEG-HCC. Ils sont assez proches pour servir d'analogue pour les expériences, selon le chimiste de Rice James Tour, qui a dirigé l'étude avec le biochimiste de l'Université du Texas Ah-Lim Tsai.
Les chercheurs ont écrit que la molécule n'est pas seulement le premier exemple d'un petit analogue moléculaire de PEG-HCC, mais représente également le premier isolement réussi d'un anion radical PDI sous la forme d'un monocristal, ce qui permet de capturer sa structure par cristallographie aux rayons X.
"Cela nous permet de voir la structure de ces particules actives, " a déclaré Tour. " Nous pouvons avoir une vue de chaque atome et les distances entre eux, et obtenez beaucoup d'informations sur la façon dont ces molécules éteignent les oxydants destructeurs dans les tissus biologiques.
"Beaucoup de gens obtiennent des structures cristallines pour des composés stables, mais c'est un intermédiaire transitoire lors d'une réaction catalytique, " a-t-il dit. " Pouvoir cristalliser un intermédiaire réactif comme celui-ci est incroyable. "
La structure cristalline du PEG-PDI est obtenue en utilisant du cobaltocène comme agent réducteur et en omettant les solvants et les atomes d'hydrogène pour plus de clarté. Les atomes de carbone sont gris, les azotes sont bleus, les oxygènes rouges et les cobalts violets. Les molécules créées par les scientifiques de l'Université Rice, la McGovern Medical School du Centre des sciences de la santé de l'Université du Texas à Houston et le Baylor College of Medicine sont des antioxydants efficaces et aident les scientifiques à comprendre comment les nanoparticules plus grosses neutralisent les espèces réactives de l'oxygène dans le corps. Crédit :Groupe de touristes
Les PEG-HCC mesurent environ 3 nanomètres de large et 30 à 40 nanomètres de long. Par comparaison, des molécules de PEG-PDI beaucoup plus simples ont une largeur et une longueur inférieures à un nanomètre.
Les molécules de PEG-PDI sont de véritables imitateurs des enzymes superoxyde dismutase, antioxydants protecteurs qui décomposent les radicaux superoxydes toxiques en oxygène moléculaire inoffensif et en peroxyde d'hydrogène. Les molécules tirent des électrons des ROS instables et catalysent leur transformation en espèces moins réactives.
Tester les molécules de PEG-PDI peut être aussi simple que de les mettre dans une solution contenant des molécules d'espèces réactives de l'oxygène comme le superoxyde de potassium et de regarder la solution changer de couleur. Une caractérisation plus poussée avec la spectroscopie de résonance paramagnétique électronique était plus compliquée, mais le fait que cela soit même possible en fait des outils puissants pour résoudre les détails mécanistes, les chercheurs ont dit.
Tour a déclaré que l'ajout de polyéthylène glycol rend les molécules solubles et augmente également le temps qu'elles restent dans la circulation sanguine. "Sans PEG, ils sortent juste du système par les reins, " dit-il. Lorsque les groupes PEG sont ajoutés, les molécules circulent plus longtemps et continuent à catalyser les réactions.
Il a déclaré que le PEG-PDI est tout aussi efficace que le PEG-HCC s'il est mesuré en poids. "Parce qu'ils ont tellement plus de surface, Les particules de PEG-HCC catalysent probablement plus de réactions parallèles par particule, " Tour a dit. " Mais si vous les comparez avec PEG-PDI en poids, ils sont assez similaires en termes d'activité catalytique totale."
Comprendre la structure du PEG-PDI devrait permettre aux chercheurs de personnaliser la molécule pour les applications. "Nous devrions avoir une énorme capacité à modifier la structure de la molécule, " dit-il. " Nous pouvons ajouter tout ce que nous voulons, exactement où nous voulons, pour des thérapies spécifiques.
Les chercheurs ont déclaré que le PEG-PDI pourrait également être un catalyseur efficace sans métal ni protéine pour les réactions de réduction de l'oxygène utilisées dans l'industrie et essentielles aux piles à combustible. Ils sont intrinsèquement plus stables que les enzymes et peuvent fonctionner dans une gamme de pH beaucoup plus large, dit Tsaï.
Co-auteur Thomas Kent, un professeur de neurologie à Baylor qui travaille sur le projet depuis le début, les petites molécules notées ont une meilleure chance d'obtenir l'approbation rapide de la thérapie par la Food and Drug Administration que les agents à base de nanotubes. "Une petite molécule qui n'est pas dérivée d'un plus gros nanomatériau peut avoir une meilleure chance d'être approuvée pour être utilisée chez l'homme, en supposant qu'il est sûr et efficace, " il a dit.
Tour a déclaré que le PEG-PDI sert de modèle précis pour d'autres dérivés du graphène comme l'oxyde de graphène et permet une étude plus détaillée des nanomatériaux à base de graphène. « Rendre les nanomatériaux plus petits, à partir de molécules bien définies, permet 150 ans de méthodes de chimie de synthèse pour répondre aux questions mécanistiques au sein de la nanotechnologie, " il a dit.
