Novel Nanozyme beskytter knogler mod strålingsskader

Novel Nanozyme beskytter knogler mod strålingsskader

Melanie Coathup og Sudipta Seal, materialeforskere ved University of Central Florida, har udviklet en nanopartikel af ceriumoxid -; et kunstigt enzym -; som beskytter knoglerne mod strålingsskader. Nanopartiklerne har også vist evner til at forbedre knogleregenerering, reducere tab af blodceller og dræbe kræftceller.

Deres undersøgelse, et samarbejde med Oakland University, North Carolina A&T University, University of Sheffield og University of Huddersfield i Storbritannien, blev offentliggjort i Bioactive Materials.

Omkring 50% af alle kræftpatienter modtager strålebehandling -; en behandling, der bruger elektrisk ladede partikler til at dræbe kræftceller. Omkring 40 % af patienterne bliver helbredt med denne terapi. Knogleskader er dog en bivirkning, der rammer cirka 75 % af de patienter, der får stråling.

"På grund af dets høje calciumindhold absorberer knogler 30-40% mere stråling end andre væv, hvilket gør det til et almindeligt skadested," siger Coathup, direktør for UCF's Biionix Faculty Cluster. "Stråling gør knoglerne skøre og brækker let. Og på grund af skaderne forårsaget af stråling, er mange mennesker så ude af stand til at reparere deres brækkede knogle. For nogle mennesker fører dette til amputation for at rette op på komplikationen."

Mens strålerne fra strålebehandling er rettet direkte mod tumoren, er omgivende sundt væv også beskadiget og kan forårsage mange yderligere sundhedsproblemer for patienter.

I øjeblikket er der ingen reel medicin eller terapi til at beskytte sundt væv mod strålingsskader. Dette er ikke kun et problem for kræftpatienter, der gennemgår strålebehandling, men udgør også problemer for astronauter og fremtidig udforskning af rummet."

Melanie Coathup, University of Central Florida

Kroppens naturlige forsvar mod stråling er en gruppe enzymer kaldet antioxidanter -; Dette forsvarssystem bliver dog let overvældet af stråling og kan ikke alene beskytte kroppen mod skader. Seal, en førende nanoteknolog, designede nanopartikel ceriumoxid -; eller nanoceria -; som efterligner aktiviteten af ​​disse antioxidanter og har en stærkere forsvarsmekanisme til at beskytte celler mod DNA-skader.

"Nanoceria'en opererer ved hjælp af en specielt designet regenerativ gitterstruktur, der er ansvarlig for at ødelægge skadelige reaktive oxygenarter, et biprodukt af strålebehandling," siger Seal.

I samarbejde med postdoc-forsker Fei Wei testede Coathup nanozymet i levende modeller, der modtog strålebehandling.

"Vores undersøgelse viste, at udsættelse af rotter for stråling ved niveauer svarende til dem hos kræftpatienter resulterede i svage og beskadigede knogler," siger Coathup. "Men da vi behandlede dyrene med nanozymet før og under tre doser stråling over tre dage, fandt vi ud af, at knoglen ikke var beskadiget og havde samme styrke som en sund knogle."

Undersøgelsen viste også, at Nanozyme-behandling hjalp med at dræbe kræftceller, muligvis på grund af en stigning i surhedsgraden, og beskyttede mod tab af hvide og røde blodlegemer, som normalt forekommer hos kræftpatienter. Lavt antal hvide og røde blodlegemer betyder, at patienten er mere modtagelig for opportunistiske infektioner, mindre i stand til at bekæmpe kræft og mere træt. Et andet interessant fund er, at nanopartiklerne også forbedrede sunde cellers evne til at producere flere antioxidanter, reducerede inflammation (som også fører til knogletab) og fremmede knogledannelse.

Fremtidig forskning vil forsøge at bestemme den passende dosering og administration af Nanozyme og yderligere undersøge, hvordan Nanozyme hjælper med at dræbe kræftceller. Forskerne vil også fokusere deres undersøgelser i forbindelse med brystkræft, da kvinder er mere modtagelige for knogleskader end mænd.

"Kræftpatienter kæmper allerede for at bekæmpe sygdom," siger Coathup. "De skal ikke bekymre sig om brækkede knogler og vævsskader. Så vi håber, at dette gennembrud vil hjælpe overlevende med at vende tilbage til et normalt og sundt liv."

Coathup afsluttede sine bachelorstudier i medicinsk cellebiologi og opnåede en ph.d. i ortopædisk implantatfiksering fra University College London i Storbritannien. I 2017 sluttede hun sig til College of Medicine og blev direktør for UCF's Biionix Faculty Cluster -; et tværfagligt team af forskere, der arbejder på at udvikle innovative materialer, processer og grænseflader til avancerede medicinske implantater, vævsregenerering, proteser og andre fremtidige højteknologiske produkter.

Seal kom til UCF's Institut for Materialevidenskab og Teknik i 1997. Han har en ansættelse ved College of Medicine og er medlem af UCF's Biionix-proteseklynge. Han er tidligere direktør for NanoScience Technology Center og Advanced Materials Processing Analysis Center ved UCF. Han modtog sin ph.d. i materialeteknik med et bifag i biokemi fra University of Wisconsin og var postdoc ved Lawrence Berkeley National Laboratory ved University of California Berkeley.

Kilde:

University of Central Florida

Reference:

Wei, F., et al. (2022) En ny tilgang til at forhindre ioniserende stråling-induceret knogletab ved hjælp af et multifunktionelt designer ceria nanozyme. Bioaktive materialer. doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.09.011.

.