Una strategia antiossidante basata su ultra

Aug 01, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8455 (2023) Citare questo articolo

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L’antiossidazione è richiesta nei sistemi viventi, poiché l’eccesso di specie reattive dell’ossigeno (ROS) negli organismi porta a una varietà di malattie. Le strategie antiossidanti convenzionali si basano principalmente sull’introduzione di antiossidanti esogeni. Tuttavia, gli antiossidanti solitamente presentano difetti di scarsa stabilità, non sostenibilità e potenziale tossicità. Qui, abbiamo proposto una nuova strategia antiossidante basata su nanobolle ultra piccole (NB), in cui l'interfaccia gas-liquido è stata impiegata per arricchire e eliminare i ROS. Si è scoperto che gli NB ultra-piccoli (~ 10 nm) mostravano una forte inibizione sull'ossidazione di substrati estesi da parte dei radicali idrossilici, mentre gli NB normali (~ 100 nm) funzionavano solo per alcuni substrati. Poiché l’interfaccia gas-acqua degli NB ultra-piccoli non è sacrificabile, la sua antiossidazione sarebbe sostenibile e il suo effetto sarebbe cumulativo, il che è diverso da quello che utilizza nanobolle reattive per eliminare i radicali liberi poiché i gas consumano e la reazione è insostenibile . Pertanto, la nostra strategia antiossidante basata su NB ultra-piccolo fornirebbe una nuova soluzione per l’antiossidazione nella bioscienza e in altri campi come i materiali, l’industria chimica, l’industria alimentare, ecc.

Nei sistemi viventi, l'antiossidazione è uno dei problemi più preoccupanti poiché le specie reattive dell'ossigeno (ROS) vengono solitamente prodotte in modo persistente insieme al normale metabolismo cellulare1,2. Tuttavia, un eccesso di ROS spesso causa danni ossidativi a una varietà di importanti componenti cellulari, inclusi lipidi, proteine ​​e molecole di DNA3,4,5,6. Attualmente sono stati suggeriti vari antiossidanti come integratori alimentari per ridurre le malattie associate ai ROS7. L'efficacia di questi antiossidanti è stata dimostrata nel trattamento di molte malattie acute causate da danni ossidativi8,9. Tuttavia, negli ultimi decenni, la maggior parte degli studi clinici sul trattamento delle malattie croniche causate dal danno ossidativo mediante integratori di antiossidanti non hanno fornito prove convincenti dei benefici clinici10. Purtroppo, alcuni antiossidanti hanno addirittura effetti collaterali tossici11,12,13,14,15 e la maggior parte di essi non è sostenibile nell'uso e diventa instabile a causa della loro sensibilità agli ambienti normali16,17,18,19,20,21. Pertanto, sono richieste nuove strategie antiossidanti con elevata stabilità, sostenibilità e sicurezza biologica.

È stato da tempo riconosciuto che l’interfaccia gas-liquido possiede proprietà fisiche, chimiche e biochimiche uniche. Recentemente è stato impiegato per regolare molte reazioni di ossidazione/riduzione. Alcune simulazioni e prove sperimentali hanno dimostrato che le interfacce gas-liquido potrebbero arricchire i ROS e regolare i processi di generazione e spegnimento22,23,24,25, con conseguente miglioramento/inibizione della reazione di ossidazione del substrato da parte dei ROS. Ad esempio, Heath e Valsaraj26 hanno studiato il processo di arricchimento dei ROS e dei reagenti all'interfaccia gas-liquido e hanno scoperto che la velocità di reazione era ampiamente aumentata di diversi gradi rispetto a quella delle soluzioni sfuse. Nam e Richard27,28,29 hanno scoperto che l'ossidazione o la riduzione si verificano alle interfacce gas-liquido di piccole goccioline d'acqua per diversi tipi di substrati. In questi studi, l’interfaccia gas-liquido agisce attraverso l’adsorbimento di ROS e/o substrati. Pertanto, se l’area superficiale di un’interfaccia gas-liquido è così piccola da preferire arricchire i ROS ma non ha spazio sufficiente per sostanze più grandi, può mostrare una certa attività antiossidante per una serie di substrati. Finora, gli effetti dimensionali dell'interfaccia gas-liquido sulla reattività non sono stati studiati come quello delle nanogocce30,31.

Le nanobolle (NB), tipicamente come una fase gassosa su scala nanometrica sospesa nella fase acquosa32,33, possono fornire un gran numero di interfacce gas-liquido che possono essere impiegate per l'arricchimento dei ROS. La dimensione degli NB varia da ~ 10 nm (NB ultra piccoli) a centinaia di nanometri (NB normali); pertanto, è un modello adatto per studiare l'antiossidazione o l'ossidazione di un'interfaccia gas-liquido. In precedenza, è stato riportato che gli NB dell'ossigeno promuovevano la formazione di ROS producendo radicali idrossilici attraverso il collasso delle microbolle34, mentre gli NB riduttivi dell'idrogeno aiutavano l'estinzione dei ROS35,36. Tuttavia, in questi studi, ci si è concentrati sulle proprietà chimiche delle fasi gassose piuttosto che sulla dimensione delle NB, in cui i gas nelle nanobolle sono consumanti e si esaurirebbero, rendendo la reazione redox insostenibile.