Стратегия антиоксидантной защиты, основанная на ультра

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8455 (2023) Цитировать эту статью

1091 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Антиоксидация востребована в живых системах, поскольку избыточное содержание активных форм кислорода (АФК) в организмах приводит к множеству заболеваний. Традиционные стратегии антиоксидантной защиты в основном основаны на введении экзогенных антиоксидантов. Однако антиоксиданты обычно имеют такие недостатки, как плохая стабильность, неустойчивость и потенциальная токсичность. Здесь мы предложили новую стратегию антиоксидантной защиты, основанную на сверхмалых нанопузырьках (НБ), в которой граница раздела газ-жидкость используется для обогащения и удаления АФК. Было обнаружено, что сверхмалые НБ (~ 10 нм) проявляют сильное ингибирование окисления обширных субстратов гидроксильными радикалами, тогда как нормальные НБ (~ 100 нм) работают только для некоторых субстратов. Поскольку граница раздела газ-вода сверхмалых NB является многоразовой, его антиоксидантное действие будет устойчивым, а его эффект будет кумулятивным, что отличается от использования реактивных нанопузырьков для устранения свободных радикалов, поскольку газы расходуются, а реакция неустойчива. . Таким образом, наша стратегия антиоксидации, основанная на сверхмалом NB, предоставит новое решение для антиоксидации в биологической науке, а также в других областях, таких как материалы, химическая промышленность, пищевая промышленность и т. д.

В живых системах антиоксидантная активность является одной из наиболее важных проблем, поскольку активные формы кислорода (АФК) обычно вырабатываются постоянно наряду с нормальным клеточным метаболизмом1,2. Однако чрезмерный уровень АФК часто вызывает окислительное повреждение различных важных клеточных компонентов, включая липиды, белки и молекулы ДНК3,4,5,6. В настоящее время различные антиоксиданты предлагаются в качестве пищевых добавок для снижения заболеваний, связанных с АФК7. Эффективность этих антиоксидантов была доказана при лечении многих острых заболеваний, вызванных окислительным повреждением8,9. Однако в последние десятилетия большинство клинических исследований по лечению хронических заболеваний, вызванных окислительным повреждением, с помощью добавок антиоксидантов не предоставило убедительных доказательств клинической пользы10. К сожалению, некоторые антиоксиданты даже имеют токсичные побочные эффекты11,12,13,14,15, и большинство из них нерациональны в использовании и становятся нестабильными из-за их чувствительности к нормальной окружающей среде16,17,18,19,20,21. Поэтому необходимы новые стратегии антиоксидантной защиты с высокой стабильностью, устойчивостью и биологической безопасностью.

Давно признано, что граница раздела газ-жидкость обладает уникальными физическими, химическими и биохимическими свойствами. В последнее время его стали использовать для регулирования многих реакций окисления/восстановления. Некоторые модели и экспериментальные данные показали, что границы раздела газ-жидкость могут обогащать АФК и регулировать процессы их образования и тушения22,23,24,25, что приводит к усилению/ингибированию реакции окисления субстрата АФК. Например, Хит и Валсарадж26 исследовали процесс обогащения АФК и реагентов на границе раздела газ-жидкость и обнаружили, что скорость реакции значительно увеличивается на несколько порядков по сравнению со скоростью в объемных растворах. Нам и Ричард27,28,29 обнаружили, что окисление или восстановление будет происходить на границе раздела газ-жидкость небольших капель воды для различных типов субстратов. В этих исследованиях граница раздела газ-жидкость проявляется за счет адсорбции АФК и/или субстратов. Таким образом, если площадь поверхности раздела газ-жидкость настолько мала, что она предпочитает обогащать АФК, но не имеет места для более крупных веществ, она может проявлять определенную антиоксидантную активность для ряда субстратов. До сих пор влияние размера границы раздела газ-жидкость на реакционную способность не исследовалось, как у нанокапель30,31.

Нанопузырьки (НБ), обычно представляющие собой наноразмерную газовую фазу, суспендированную в водной фазе32,33, могут обеспечивать большое количество границ раздела газ-жидкость, которые могут быть использованы для обогащения АФК. Размер НБ варьируется от ~ 10 нм (сверхмалые НБ) до сотен нанометров (нормальные НБ); следовательно, это подходящая модель для изучения антиокисления или окисления границы раздела газ-жидкость. Ранее сообщалось, что кислородные НБ способствуют образованию АФК, производя гидроксильные радикалы за счет коллапса микропузырьков34, в то время как восстановительные водородные НБ способствуют тушению АФК35,36. Однако в этих исследованиях основное внимание уделялось химическим свойствам газовых фаз, а не размеру НБ, в которых газы в нанопузырьках расходуются и заканчиваются, так что окислительно-восстановительная реакция становится неустойчивой.