НАНОМЕДИЦИНА: Лечение заболеваний, ассоциированных с окислительным стрессом Др. Беверли A Ржигалински Колледж Остеопатической Медицины Государственный Политехнический Университет Вирджинии, Blacksburg, VA

Диоксид Церия Церий – редкоземельный элемент Атом церия в оксиде окружен атомами кислорода Церий имеет несколько степеней окисления Кислородная решетка оксида имеет множество «дефектов» Микронные частицы в составе покрытий используются как катализаторы Редокс-реакции NOX

Что такое наноразмерный диоксид церия? Поведение материалов размерности «нано» отличается от «микро» Валентные состояния церия могут изменяться быстрее В размерности «нано» количество кислород- ных вакансий или «дефектов» возрастает Лучше редокс?

Дни Средняя продолжительность жизни Контроль Обработанные наночастицами Единичная доза наночастиц диоксида церия значительно увеличивает продолжительность жизни клеток мозга

Органотипические клетки мозга, 27 дней DIV (дней in vitro) Органотипические клетки мозга, 27 дней DIV: культура обработана 10 нM раствором наночастиц диоксида церия на 10 DIV 123 дня DIV Органотипические клетки мозга: культура обработана 10 нM раствором наночастиц диоксида церия на 10 DIV

Время (Секунды) 100 мкM глутамата 68 DIV, обработанная наночастицами - 28 DIV, Контроль 28 DIV, обработанная наночастицами [Ca 2+ ]i (нM) Культура, обработанная наночастицами, сохраняет нормальную нейрональную передачу сигнала

Что же происходит?

O2O2 Регенерация: Перестройка кристаллической решетки? Реакция с H 2 O? Адсорбция OH - или H + ? Другие клеточные реагенты? O 2--x? Ce +4 Свобод- ные ради- калы O2O2 Ce +3

Наночастицы диоксида церия инактивируют гидроксил-радикалы, генерируемые в реакции Фентона Реакция Фентона +10 нм СеО 2 +7 нм СеО 2 +СеО 2, допиро- ванный Fe

Наночастицы диоксида церия инактивируют супероксид-радикал Облученный рибофлавин +7 нм CeО нм CeО 2 + СеО 2, допиро- ванный Fe

Активность (Единиц) Каталаза СОДГТП Наночастицы CeO 2 проявляют активность, подобную действию супероксиддисмутазы (СОД), глутатион пероксидазы (ГТП) и каталазы 10 нм 7 нм

Наночастицы СеО 2 защищают клетки от окислительного стресса, вызванного ультрафиолетом (УФ)

Повреждение мозга

Поврежденных клеток/мг протеина (x 10 6 ) Неповреждённые 6.5 мм умеренная травма 7.5 мм значительная травма Наночастицы диоксида церия защищают органотипические клетки мозга от травмы in vitro (10 нМ, 10 DIV ) n=16, трёхкратный

Обработаны наночастицами 1 ч после травмы Неповреждённые 6.5 мм травма 7.5 мм травма Наночастицы диоксида церия защищают органотипические клетки мозга от травмы in vitro _ _ _ _ Контроль Поврежденных клеток/мг протеина (x 10 6 )

Нет отклика [Ca 2+ ] i нM [Ca 2+ ] i >265 нM Нет отклика [Ca 2+ ] i нM [Ca 2+ ] i >265 нM Нет отклика [Ca 2+ ] i нM [Ca 2+ ] i >265 нM % исследованных нейронов Неповреждённые 24 ч после умерен- ного повреждения 24 ч после умерен- ного повреждения, обработка наночастицами Наночастицы предохраняют нормальную глутаматную передачу сигнала в повреждённых нейронах

Модели болезни Альцгеймера

Пептид + 10 нм СеО 2 Только СеО 2 СеО 2 + Альбумин Наночастицы диоксида церия блокируют образование свободных радикалов, индуцируемое бета-амилоидом

Группы Общее количество повреждённых клеток(x10 4 ) Контроль 10 нМ CeO нМ CeO 2 Aβ Aβ+10 нМ CeO 2 Aβ+100 нМ CeO 2 Наночастицы диоксида церия защищают нейроны от токсичности, вызванной Aβ (1-42)

Aβ+10 нм наночастиц СеО 2 (10 nM)Aβ+100 нм наночастиц СеО 2 (100 nM) Контроль A

Модели увеличения продолжительности жизни дрозофилы и болезнь Паркинсона

Дни Процент выживших нM CeO2 Контроль Наночастицы диоксида церия увеличивают срок жизни самок дрозофилы и поддерживают нормальный геотаксис при старении Геотаксический отклик

Время после параквата (часы) Контроль мкM наночастицCeO 2 Наночастицы диоксида церия снижают токсичность параквата у самок дрозофилы среднего возраста При нормальной продолжительности жизни осталось в живых 5 мушек Процент выживших

Как насчёт моделей млекопитающих? Мыши – 90 наномоль, инъекция в хвостовую вену Аккумуляция в мозге, сердце, лёгких Метаболизм отсутствует? Крысы – инъекция до 150 микрограмм. Токсичности не отмечается Патология тканей не отмечается

Новое поколение нанофармацевтических препаратов? Диоксид церия – многообещающее средство для лечения заболеваний, связанных с окислительным стрессом. Следует обратить внимание….. –«Очень много» свободных радикалов – это сколько? –Контролируемое инактивирование свободных радикалов? –Токсический профиль.

NanoNeuroLab at VCOM Undergraduate Students Eric Amateis Matt Kurnick Julie Karafakis Clinical Dr. Jill Cramer Post Doctoral Dr. Shaadi Elswaifi Dr. Igor Danelison Research Associates Neeraj Singh Courie Cohen Kevin Hockey Chine Logan Collaborators Dr. Kathleen Meehan Dr. Rick Davis Dr. David Cox Nanophase Inc. Advanced Powder Tech.