Корейски учени откриха безопасно и мощно средство срещу лъчева болест

Излъчването на радиация остава пагубно за хората, въпреки че радиацията се използва широко в медицината. Нова разработка на южнокорейските учени намалява ефекта от радиацията и предотвратява увреждането на тъканите.

Изследователи от Центъра за изследване на наночастиците в Института за фундаментални науки (IBS, Южна Корея), в сътрудничество с колегите си от Националния университет в Сеул и други научни институции са разработили нанокристал, който се бори с опасните дози радиация.

В малки дози новите нанокристали имат мощен антиоксидантен ефект върху организма и предотвратяват страничните ефекти от радиацията.

Резултатите от проучването са публикувани в списание Advanced Materials.

Корейските учени получават наночастици от цериев диоксид с повърхностен слой от смесен манганов оксид, който осигурява повишена каталитична активност срещу реактивните кислородни частици - един от косвените механизми на въздействието на радиацията върху живи организми. Получените наночастици са биосъвместими и повишават преживяемостта на мишките след висока доза радиация до 67 %. 

Една от последиците от радиация за живите организми е радиолизата на водата, по време на която се образуват реактивни кислородни частици - например O₂ ^- , H₂ O₂ и ОН-радикали. Тези частици могат да окисляват органичните молекули, унищожавайки живата тъкан. С рязка доза радиация над 6 Gy (грей), повечето случаи завършват със смъртта на пациента в рамките на три седмици. Съществуващите антирадиационни препарати не са достатъчно ефективни и имат отрицателни странични ефекти. И затова учените се опитват да намерят нови нетоксични лекарства с дълго действие и със силно антиоксидантно действие.

През последните години учените обръщат голямо внимание на неорганичните наноматериали с антиоксидантни свойства - оксиди на церий, манган и ванадий. Вече е доказано, че могат да се използват срещу реактивни кислородни частици.

^{Схема на наночастица. Кредит: Sang Ihn Han et al. / Advanced Materials, 2020}

За да получат наночастици, изследователите използват семенни кристали на цериев диоксид, които потопяват в разтвор на манганов хлорид. На повърхността започна реакция на окислително заместване. Церият частично се редуцира до състояние на окисление +3, а манганът се окислява до +3, което води до образуването на слой от манганов оксид на повърхността на нанокристалите. За да използват такива частици в организъм, учените покриват с фосфолипид-полиетилен гликол (PL-PEG).

Проучвайки съдържанието на манган на повърхността на наночастиците, използвайки атомно-емисионна спектроскопия, учените стигат до извода, че на повърхността са концентрирани йони на Ce ⁴⁺ и Mn ²⁺, тъй като те са с най-голям размер и поради несъответствието в параметъра на кристалната решетка, възникват слоеве манганов оксид, появяват се механични напрежения, водещи до дефекти в кристалната решетка. Основният вид дефекти в такива структури са свободните места на кислорода, с помощта на които се случва потискането на реактивните кислородни частици.

^{Електронна микрография на получените наночастици. Кредит: Sang Ihn Han et al. / Advanced Materials, 2020}

Преди да тестват радиозащитните свойства на наночастиците при мишки, изследователите ги тестват на човешки и миши чревни стволови клетки. На първо място, по време на облъчването е необходимо да се защити протеинът LGR5 +, който е отговорен за възстановяването на клетките след излагане на радиация. Преди облъчването в контролната група на миши клетки е имало 14% LGR5-положителни клетки, след излагането на радиация, почти всички от тях са унищожени (0.17%), но когато са въведени в клетките СеО₂-Mn₃O₄ наночастици 9,78 процента от LGR5 клетките остават живи. При облъчването на човешки чревни стволови клетки, когато се въвеждат в клетките наночастиците, учените потвърждават, че концентрацията на реактивните кислородни частици е значително намалена. А след 24 часа след облъчването в защитените клетки апоптозата протича само в периферията, за разлика от незащитените клетки.

^{Схематична илюстрация на силно каталитичните CeO₂ / Mn₃O₄ нанокристали, предотвратяващи остър радиационен синдром. Кредит: IBS}

За да установят връзката между реактивните кислородни частици и процесите на апоптоза, биолозите анализират 12 часа след облъчването митохондриалната РНК. В защитените от наночастици клетки промените в генната експресия са много по-малки. На първо място се увеличава експресията на гените, отговорни за клетъчния стрес, разрушаването на ДНК и апоптозата, а намалява експресията на гените, отговорни за митозата и Wnt-сигналния път. Във всеки случай наночастиците в клетките намаляват броя на гените с променена експресия.

За да тестват биосъвместимостта на наночастиците, учените ги инжектират в тъкани на червата, бъбреците, далака, черния дроб, сърцето, белите дробове и пикочния мехур и не са открити хистологични аномалии. А също и след въвеждането на голяма доза наночастици (50 милиграма на килограм тегло), не е открита загуба на тегло в рамките на 30 дни. По този начин учените доказват липсата на систематична токсичност на наночастиците.

^{Снимки на човешки чревни стволови клетки с конфокален микроскоп. Горе - визуализация на кислородните частици (светло зелено), долу - визуализация на процесите на апоптоза (лилаво). Кредит: Sang Ihn Han et al. / Advanced Materials, 2020}

^{Сравнение на външния вид на миши тъкани с прилагане на наночастици и контрола: (от ляво на дясно) черва, бъбреци, далак, черен дроб, сърце, бели дробове и пикочен мехур. Кредит: Sang Ihn Han et al. / Advanced Materials, 2020}

След проверката на токсичността и радиационната защита на клетките, изследователите тестват наночастиците върху живи мишки. Те инжектират наночастици с концентрация 0,55 милиграма на килограм тегло интраперитонеално към една група, наночастици само от цериев оксид към друга група и наночастици от манганов оксид към трета група. За да сравнят препарата си с използвания досега амифостин, учените добавят още две групи мишки, на които е дадена висока и ниска доза амифостин (Трябва да се отбележи, че шест мишки с висока доза амифостин са умрели дори преди облъчването от страничните ефекти на амифостина). Шестата група е контролна група, на която не е дадено нищо.

^{Степента на оцеляване на мишките при различни методи за защита от радиация. Кредит: Sang Ihn Han et al. / Advanced Materials, 2020}

Мишките са облъчени с доза 13 Gy. След облъчването всички незащитени мишки умират в рамките на 13 дни, при мишките, защитени само с цериеви или манганови наночастици, степента на оцеляване е 20-30 процента, при мишки с ниска доза амифостин - 10 процента, с висока -  оцеляват две от четири мишки. В същото време оцеляват шест от девет мишки третирани със смесени наночастици. Освен това, след 150 дни състоянието на техните тъкани не се различава от контролната група мишки, които не са облъчвани. По този начин учените доказват, че антиоксидантните наночастици, поради повишената им каталитична способност да задържат реактивни кислородни частици, предпазват от вредното въздействие на радиацията.

_{Сравнение на на външния вид на миши тъкани след 150 дни от деня на облъчване на мишките, защитени с наночастици. Не се наблюдава промяна. Кредит: Sang Ihn Han et al. / Advanced Materials, 2020}

_{Растежът на чревните стволови клетки в случай на незащитено облъчване е потиснат почти напълно, а когато е защитен от наночастици, той почти не се различава от контролния.} 

Засега изследователите не планират да тестват новия схемата за лечение на хора, но учените се надяват, че резултатите от експериментите ще подкрепят да се продължи проучването в тази насока. 

Радиацията присъства нерядко в медицинската диагностика и лечение, а едно от препятствията пред човечеството по пътя към овладяването на космоса е радиацията. В тази светлина резултатите от експериментите на корейските учени придобиват особено значение.

Справка: Sang Ihn Han et al, Epitaxially Strained CeO₂ /Mn₃ O₄ Nanocrystals as an Enhanced Antioxidant for Radioprotection, Advanced Materials (2020). DOI: 10.1002/adma.202001566

Източник: A safe and powerful treatment for the body against deadly radiation, Institute for Basic Science

Още по темата

29/06/2020

Земята

Над Европа е открито неочаквано повишение на радиационните нива

20/01/2020

Физика

Радиационна защита в действие: историята на Бистра Куновска и колегите й от НЦРРЗ

18/07/2019

Животът

На тихоокеански атоли радиацията е по-висока, отколкото в Чернобил. Ето защо

12/07/2019

Земята

Потънала ядрена подводница изпуска радиация в Атлантическия океан (видео)