Neuartiges Nanozyme schützt Knochen vor Schäden durch Strahlung

Melanie Coathup und Sudipta Seal, Materialwissenschaftler der University of Central Florida, haben ein Ceroxid-Nanopartikel entwickelt -; ein künstliches Enzym -; das die Knochen vor Strahlenschäden schützt. Das Nanopartikel hat auch Fähigkeiten gezeigt, die Knochenregeneration zu verbessern, den Verlust von Blutzellen zu reduzieren und Krebszellen abzutöten.

Ihre Studie, eine Zusammenarbeit mit der Oakland University, der North Carolina A&T University, der University of Sheffield und der University of Huddersfield im Vereinigten Königreich, wurde in Bioactive Materials veröffentlicht.

Etwa 50 % aller Krebspatienten erhalten eine Strahlentherapie -; eine Behandlung, bei der elektrisch geladene Partikel verwendet werden, um Krebszellen abzutöten. Etwa 40 % der Patienten werden mit dieser Therapie geheilt. Knochenschäden sind jedoch eine Nebenwirkung, von der etwa 75 % der Patienten betroffen sind, die eine Bestrahlung erhalten.

„Aufgrund seines hohen Kalziumgehalts absorbiert Knochen 30-40 % mehr Strahlung als andere Gewebe und ist daher eine häufige Verletzungsstelle“, sagt Coathup, Direktor des Biionix-Fakultätsclusters der UCF. „Strahlung macht den Knochen spröde und bricht leicht. Und aufgrund der durch die Strahlung verursachten Schäden sind viele Menschen dann nicht in der Lage, ihren Knochenbruch zu reparieren. Bei manchen Menschen führt dies zu einer Amputation, um die Komplikation zu beheben.“

Während die Strahlen der Strahlentherapie direkt auf den Tumor gerichtet sind, wird auch umliegendes gesundes Gewebe geschädigt und kann viele zusätzliche gesundheitliche Probleme für Patienten verursachen.

Derzeit gibt es kein wirkliches Medikament oder keine Therapie, um gesundes Gewebe vor Schäden durch Strahlung zu schützen. Dies ist nicht nur ein Problem für Krebspatienten, die sich einer Strahlentherapie unterziehen, sondern stellt auch Astronauten und die zukünftige Erforschung des Weltraums vor Probleme.“

Melanie Coathup, Universität von Zentralflorida

Die natürliche Abwehr des Körpers gegen Strahlung ist eine Gruppe von Enzymen, die Antioxidantien genannt werden -; Dieses Abwehrsystem wird jedoch leicht von Strahlung überwältigt und kann den Körper allein nicht vor Schäden schützen. Seal, ein führender Nanotechnologe, entwarf das Ceroxid-Nanopartikel -; oder nanoceria -; das die Aktivität dieser Antioxidantien nachahmt und einen stärkeren Abwehrmechanismus zum Schutz der Zellen vor DNA-Schäden hat.

„Das Nanoceria arbeitet mit einer speziell entwickelten regenerativen Gitterstruktur, die für die Zerstörung schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies verantwortlich ist, einem Nebenprodukt der Strahlenbehandlung“, sagt Seal.

In Zusammenarbeit mit dem Postdoktoranden Fei Wei testete Coathup das Nanozym in lebenden Modellen, die eine Strahlentherapie erhielten.

„Unsere Studie zeigte, dass die Exposition von Ratten gegenüber Strahlung in ähnlicher Höhe wie bei Krebspatienten zu schwachen und beschädigten Knochen führte“, sagt Coathup. „Als wir die Tiere jedoch vor und während dreier Bestrahlungsdosen über drei Tage mit dem Nanozym behandelten, stellten wir fest, dass der Knochen nicht geschädigt war und eine ähnliche Festigkeit wie gesunder Knochen aufwies.“

Die Studie zeigte auch, dass die Nanozyme-Behandlung dazu beitrug, Krebszellen abzutöten, möglicherweise aufgrund einer Erhöhung des Säuregehalts, und vor dem Verlust von weißen und roten Blutkörperchen schützte, der normalerweise bei Krebspatienten auftritt. Eine niedrige Anzahl weißer und roter Blutkörperchen bedeutet, dass der Patient anfälliger für opportunistische Infektionen ist, weniger in der Lage ist, Krebs zu bekämpfen, und ermüdeter ist. Ein weiterer interessanter Befund ist, dass das Nanopartikel auch die Fähigkeit gesunder Zellen verbesserte, mehr Antioxidantien zu produzieren, Entzündungen reduzierte (die auch zu Knochenschwund führen) und die Knochenbildung förderte.

Zukünftige Forschung wird versuchen, die geeignete Dosierung und Verabreichung des Nanozyms zu bestimmen und weiter zu untersuchen, wie Nanozym hilft, Krebszellen abzutöten. Die Forscher werden ihre Studien auch im Zusammenhang mit Brustkrebs fokussieren, da Frauen anfälliger für Knochenschäden sind als Männer.

„Krebspatienten kämpfen bereits mit der Bekämpfung einer Krankheit“, sagt Coathup. „Sie sollten sich keine Sorgen um Knochenbrüche und Gewebeschäden machen müssen. Wir hoffen also, dass dieser Durchbruch den Überlebenden hilft, wieder ein normales und gesundes Leben zu führen.“

Coathup schloss ihr Grundstudium in medizinischer Zellbiologie ab und erwarb einen Ph.D. in orthopädischer Implantatfixierung am University College London in Großbritannien. 2017 trat sie dem College of Medicine bei und wurde Direktorin des Biionix-Fakultätsclusters der UCF -; ein multidisziplinäres Forscherteam, das an der Entwicklung innovativer Materialien, Prozesse und Schnittstellen für fortschrittliche medizinische Implantate, Geweberegeneration, Prothesen und andere zukünftige Hightech-Produkte arbeitet.

Seal kam 1997 zum Department of Materials Science and Engineering der UCF. Er hat eine Anstellung am College of Medicine und ist Mitglied des Prothetik-Clusters Biionix der UCF. Er ist der ehemalige Direktor des NanoScience Technology Center und des Advanced Materials Processing Analysis Center der UCF. Er promovierte in Werkstofftechnik mit Nebenfach Biochemie an der University of Wisconsin und war Postdoktorand am Lawrence Berkeley National Laboratory an der University of California Berkeley.

Quelle:

Universität von Zentralflorida

Referenz:

Wei, F., et al. (2022) Ein neuartiger Ansatz zur Verhinderung von durch ionisierende Strahlung verursachtem Knochenverlust unter Verwendung eines multifunktionalen Designer-Ceroxid-Nanozyms. Bioaktive Materialien. doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.09.011.

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