Des chimistes de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ont mis au point une technique qui réduit les effets toxiques des cigarettes disponibles dans le commerce. Bien que l'Organisation mondiale de la santé (OMS) estime que quelque 6 millions de personnes meurent chaque année des suites de la consommation de tabac, le nombre de fumeurs dans le monde est en augmentation. Le nombre de décès liés au tabac équivaut au taux de mortalité qui se produirait si un avion de ligne s'écrasait toutes les heures. Selon les chiffres publiés par l'Office fédéral allemand de la statistique, l'industrie du tabac a généré un chiffre d'affaires d'environ 20,5 milliards d'euros en 2016 grâce à la vente de cigarettes rien qu'en Allemagne.

La fumée de tabac en contient près de 12, 000 constituants différents. Parmi celles-ci figurent des substances narcotoxiques telles que la nicotine, toxines sanguines comme le cyanure et le monoxyde de carbone, sans parler des divers cancérigènes. Parmi ceux-ci se trouvent les radicaux libres d'oxygène, également connu sous le nom d'espèces réactives de l'oxygène. Plus de 10 quadrillions (1016) de ces molécules sont inhalés à chaque bouffée de cigarette. L'équipe basée à Mayence dirigée par le professeur Wolfgang Tremel a découvert comment réduire considérablement les niveaux de ces radicaux libres d'oxygène et ainsi réduire sensiblement la toxicité de la fumée de cigarette. Cette évolution pourrait contribuer non seulement à rendre la consommation de produits à base de tabac un peu moins dangereuse, mais elle pourrait également être étendue à d'autres domaines dans lesquels les radicaux oxygénés réactifs posent problème.

Les chercheurs ont pris l'idée sous-jacente du concept à partir d'enzymes naturelles. En présence d'une concentration accrue d'espèces réactives de l'oxygène en raison de, par exemple, dysfonctionnement enzymatique, Rayonnement UV ou inhalation de fumée de tabac, une division cellulaire incontrôlée et des dommages cellulaires oxydatifs peuvent se produire. La nature régule la concentration des radicaux au moyen d'enzymes antioxydantes telles que la superoxyde dismutase (SOD), qui joue un rôle central dans la prévention des processus pathologiques, y compris la croissance tumorale et cancéreuse, maladies inflammatoires, et accident vasculaire cérébral. L'enzyme naturelle utilise des métaux tels que le cuivre-zinc, nickel, fer à repasser, et le manganèse en tant que centres réactifs qui provoquent la décomposition des radicaux oxygène afin que l'organisme soit protégé de leur comportement réactif agressif.

Aujourd'hui, il est possible de produire ou d'isoler des enzymes comme la SOD, mais le processus s'accompagne de coûts élevés. Cependant, leur faible stabilité à l'exposition à des températures élevées et à des valeurs de pH non physiologiques complique les choses. En pensant aux enzymes naturelles, les chercheurs dans le domaine de la biomimétisme cherchent des moyens d'imiter les réactions biologiques naturelles à l'aide de composés synthétiques. Le chimiste Karsten Korschelt et la chimiste alimentaire Dr Carmen Metzger ont étudié les nanoparticules d'hydroxyde de cuivre fonctionnalisées par des acides aminés comme analogues synthétiques potentiels de la SOD cuprifère. Ils ont découvert que les particules étaient associées à un taux d'activité catalytique plus élevé en termes de décomposition des radicaux oxygène que l'enzyme elle-même. "Ce n'est en principe pas une surprise car tous les atomes de cuivre à la surface des particules peuvent avoir un effet catalytique, pourtant l'enzyme n'a qu'un seul centre actif, " a déclaré le professeur Wolfgang Tremel. Contrairement aux enzymes naturelles, les nanoparticules d'hydroxyde de cuivre fonctionnalisées sont très stables et peu coûteuses à produire.

Du laboratoire à la vie quotidienne

Bien que les réactions enzymatiques naturelles puissent être imitées à l'aide de nanoparticules, il n'y a encore que peu d'applications basées sur le principe. Les nanoparticules elles-mêmes sont utilisées en cosmétique, par exemple, et en tant que nano-scellants dans les peintures et les textiles. Nous sommes si largement exposés aux radicaux libres au quotidien que leur présence est souvent complètement ignorée. Mais dans les gaz d'échappement et la fumée de cigarette, ils représentent une menace majeure pour la santé. L'équipe de chimistes de Mayence collabore ainsi avec le groupe dirigé par le professeur Jürgen Brieger du Centre médical universitaire de Mayence afin de déterminer s'il est possible d'intégrer des nanoparticules d'hydroxyde de cuivre fonctionnalisées dans des filtres de cigarettes et ainsi réduire les niveaux de radicaux libres dans la fumée, offrant ainsi aux fumeurs une meilleure protection contre leur potentiel toxique.

Des tests de cytotoxicité ont montré que les extraits de fumée de cigarette aux concentrations examinées n'ont plus d'effet toxique sur les cellules humaines après passage à travers des filtres de cigarette contenant des nanoparticules, alors qu'il y avait une toxicité accrue dans le cas des témoins dans lesquels des filtres non traités ont été utilisés. "Cela démontre l'effet positif des particules lorsqu'elles sont utilisées dans les filtres à cigarettes et leur stabilité pendant le processus de fumage, " a souligné Karsten Korschelt. Les chercheurs de Mayence ont ainsi pu démontrer qu'il était possible d'imiter les mécanismes de défense naturels à l'aide de nanoparticules et qu'il était possible de réduire les effets toxiques de divers types de fumée.

Les méthodes et analyses employées ont été développées et mises en œuvre en coopération avec le Centre médical universitaire de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence. Le rapport de leurs travaux a été publié dans la revue scientifique Nanoéchelle .