울트라를 기반으로 한 항산화 전략

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8455(2023) 이 기사 인용

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유기체의 과도한 활성산소종(ROS)이 다양한 질병을 유발하기 때문에 살아있는 시스템에서는 항산화가 요구됩니다. 기존의 항산화 전략은 대부분 외인성 항산화제 도입에 기반을 두고 있습니다. 그러나 항산화제는 일반적으로 안정성이 낮고 지속성이 없으며 잠재적인 독성이 있다는 단점이 있습니다. 여기에서 우리는 ROS를 풍부하게 하고 제거하기 위해 기체-액체 인터페이스를 사용하는 초소형 나노버블(NB)을 기반으로 한 새로운 항산화 전략을 제안했습니다. 초소형 NB(~10nm)는 하이드록실 라디칼에 의한 광범위한 기질의 산화에 대해 강력한 억제를 나타내는 반면 일반 NB(~100nm)는 일부 기질에서만 작동하는 것으로 나타났습니다. 초소형 NB의 가스-물 경계면은 소모성이 없기 때문에 항산화 효과가 지속 가능하고 그 효과가 누적됩니다. 이는 가스가 소모적이고 반응이 지속 불가능하기 때문에 자유 라디칼을 제거하기 위해 반응성 나노버블을 사용하는 것과는 다릅니다. . 따라서 초소형 NB를 기반으로 한 당사의 항산화 전략은 생명과학은 물론 소재, 화학산업, 식품산업 등 다른 분야에서도 새로운 항산화 솔루션을 제시할 것입니다.

살아있는 시스템에서 항산화는 가장 우려되는 문제 중 하나입니다. 활성산소종(ROS)은 일반적으로 정상적인 세포 대사와 함께 지속적으로 생성되기 때문입니다1,2. 그러나 과도한 ROS는 지질, 단백질 및 DNA 분자를 포함한 다양한 중요한 세포 구성 요소에 산화 손상을 일으키는 경우가 많습니다3,4,5,6. 현재 다양한 항산화제가 ROS 관련 질병을 줄이기 위한 식이 보충제로 제안되었습니다7. 이러한 항산화제의 효과는 많은 산화 손상으로 인한 급성 질환의 치료에서 입증되었습니다8,9. 그러나 최근 수십 년 동안 항산화제 보충제를 통한 산화 손상으로 인한 만성 질환 치료에 대한 대부분의 임상 시험에서는 임상적 이점에 대한 설득력 있는 증거를 제공하지 못했습니다10. 안타깝게도 일부 항산화제는 독성 부작용도 가지고 있으며11,12,13,14,15 대부분은 사용이 지속 불가능하고 정상적인 환경에 대한 민감성으로 인해 불안정해집니다16,17,18,19,20,21. 따라서 높은 안정성, 지속 가능성 및 생물학적 안전성을 갖춘 새로운 항산화 전략이 요구됩니다.

기체-액체 계면은 독특한 물리적, 화학적, 생화학적 특성을 갖는 것으로 오랫동안 인식되어 왔습니다. 최근에는 많은 산화/환원 반응을 조절하는 데 사용되었습니다. 일부 시뮬레이션과 실험적 증거는 기체-액체 인터페이스가 ROS를 풍부하게 하고 ROS의 생성 및 담금질 과정을 조절하여 ROS에 의한 기질 산화 반응을 강화/억제할 수 있음을 보여주었습니다. 예를 들어, Heath와 Valsaraj26은 기체-액체 경계면에서 ROS와 반응물의 농축 과정을 연구했으며 반응 속도가 벌크 용액의 반응 속도와 비교하여 몇 배 더 빨라지는 것을 발견했습니다. Nam과 Richard27,28,29는 다양한 종류의 기판에 대해 작은 물방울의 기체-액체 경계면에서 산화 또는 환원이 발생한다는 것을 발견했습니다. 이러한 연구에서 기체-액체 계면은 ROS 및/또는 기질의 흡착을 통해 영향을 미칩니다. 따라서 기체-액체 경계면의 표면적이 너무 작아서 ROS를 풍부하게 하는 것을 선호하지만 더 큰 물질을 수용할 공간이 충분하지 않은 경우 일련의 기질에 대해 특정 항산화 활성을 나타낼 수 있습니다. 지금까지 반응성에 대한 기체-액체 경계면의 크기 효과는 나노액적처럼 조사되지 않았습니다.

일반적으로 물 속에 부유하는 나노 규모의 기체상인 나노버블(NB)은 ROS 농축에 사용할 수 있는 다수의 기체-액체 인터페이스를 제공할 수 있습니다. NB의 크기는 ~ 10 nm(초소형 NB)에서 수백 나노미터(일반 NB)까지 다양합니다. 따라서 기체-액체 계면의 항산화 또는 산화를 연구하는 데 적합한 모델입니다. 이전에는 산소 NB가 미세 기포의 붕괴를 통해 수산기 라디칼을 생성하여 ROS의 형성을 촉진하는 반면, 환원성 수소 NB는 ROS의 소멸을 도운 것으로 보고되었습니다. 그러나 이러한 연구에서는 NB의 크기보다는 기상의 화학적 특성에 중점을 두었는데, 여기서 나노버블의 가스는 소모적이어서 산화환원 반응이 지속 불가능하게 됩니다.

50 nm) slightly enhance the oxidation of TMB. The contrasting effects of the small and large NBs on the TMB oxidation seemed difficult to be understood. Currently, our knowledge about the chemical properties of the interfaces of NBs is much poor, it is wise to interpret our observations based on the existing realizations regarding the regulation of oxidation and reduction by gas–water interfaces. Since the electrical surface potential difference of NBs is normally − 20 mV, far smaller than the 3 V at the gas–liquid interface of small water droplets28,43. Thus, it is not appropriate to explain our results from the electrical surface field mechanism proposed by Nam and Richard. Previous studies have shown that, when free radicals and substrates were both enriched at the gas–liquid interfaces, the oxidizing reaction could be accelerated26,44. Therefore, we believed that the selective enrichment of ROS at the gas–liquid interface of the NBs might play an important role in our reaction systems. A plausible explanation may be that the surface areas of the ultra-small NBs were so small and had insufficient space for larger substrate molecules to be easily adsorbed, which resulted in the fact that it preferred to enrich more ROS but fewer substrate molecules. The short-lifetime hydroxyl radicals would be enriched at the interface and quenched by themselves (Fig. 3). In contrast, the big surface area of the large NBs (or NB clusters) would enrich both the TMB and the hydroxyl radicals at their gas–liquid interfaces, and enhance the reaction between TMB and hydroxyl radicals as usual. This mechanism also works for another classic hydroxyl radical probe, 2,2'-Azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate) (ABTS) (Fig. S7). In addition to the hydroxyl radicals, the ultra-small NBs were also found to scavenge superoxide anion radicals (Fig. S8)./p>

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