Соединения церия давно стали использовать в составе лекарственных препаратов. Их активным компонентом были водорастворимые соли Се(III), а также стеарат и оксалат Се, причем даже в виде коллоидных растворов. Используются соли церия и сейчас, например, для предотвращения симптомов «морской болезни» или для лечения ожоговых ран. Было бы неверно думать, что необычные и привлекательные свойства НДЦ не могут послужить медицине и биологии. Напротив, этому направлению исследований посвящены почти все современные работы, связанные с НДЦ.

Главная ценность НДЦ для медицины — способность участвовать в окислительно-восстановительных процессах, обусловленная кислородной нестехиометрией. Благодаря этому НДЦ разлагает, например, перекись водорода. Как выяснилось из экспериментов с коллоидным раствором НДЦ, реакция проходит в несколько стадий: сначала на поверхности НДЦ ион Cе(III) окисляется до Ce(IV), а затем восстанавливается до первоначального состояния. Совокупный процесс можно представить так:

НДЦ — Ce(III) + H2O2 -> НДЦ — Се(IV) = О + H2O

НДЦ — Се(IV) = О + H2O2 -> НДЦ — Се(III) + H2O + O2.

Если повторить обработку перекисью, цикл окисления-восстановления повторяется.

Колебательные окислительно-восстановительные процессы относятся к числу важнейших в живой природе. В1951 г. Б.П.Белоусов, пытаясь найти неорганический аналог цикла Кребса, открыл явление автоколебательной химической реакции, катализатором которой были ионы церия Ce3+. Физико-химические свойства НДЦ наводят на мысль, что он тоже может регулировать циклические окислительно-восстановительные процессы.

Мы говорили о способности золей СеО2 к регенерации, чем они напоминают ферменты, притом разные. Так, разлагая перекись водорода, НДЦ выполняет функцию каталазы, к тому же по сходному механизму. Ферменты, как известно, работают только в физиологических условиях организма, а НДЦ при изменении условий остается действующим, но «меняет профессию». В щелочной среде (рН > 7) НДЦ проявляет каталазоподобную активность, а в кислой (рН < 6) ведет себя подобно другому ферменту — оксидазе. Более того, НДЦ может выполнять функции фермента супероксиддисмутазы, причем так же, как она, — в две стадии и с теми же продуктами реакции. По окончании реакции дисмутации эффективная степень окисления церия в наночастицах остается неизменной. Этим каталитические возможности НДЦ не ограничиваются. В наших экспериментах он инактивировал не только короткоживущие радикалы (например, гидроксильный), но и стабильные. Дополним, скорость этой реакции пропорционально возрастала с уменьшением размера наночастиц. Если вспомнить, что при уменьшении их размера растет доля Се(III) на поверхности, то определяющую роль в инактивации свободных радикалов играют именно ионы Ce3+.

Благодаря такой активности НДЦ может участвовать в качестве регулятора концентрации АФК и акцептора свободных радикалов как на клеточном, так и на организменном уровне. Приведем для примера защитное действие НДЦ на клетки, подвергнутые «атаке» перекиси водорода. Ее избыток повреждает и свободные органические молекулы, и клеточные мембраны, а при концентрации в цитоплазме выше 1 мкМ вызывает гибель клеток.

В экспериментах мы использовали стабилизированный цитратом натрия НДЦ с размером частиц 1-2 нм. Объектами служили клетки мышиных фибробластов (L929) и фибробластоподобных клеток (VERO) зеленой мартышки, обработанные перекисью водорода в концентрации800 мМ. Такая концентрация Н2О2 настолько токсична для клеток VERO, что в контрольном опыте (без НДЦ) практически все они погибли. При добавлении 2.3 мг/мл нанокристаллического диоксида церия клетки оказались полностью защищенными от окисления и гибели. Интересно, что НДЦ оказывал защитное действие не только при введении до или вместе с перекисью водорода, но и после обработки ею клеток. Иначе говоря, НДЦ проявил себя и как защитное (профилактическое) средство, и как терапевтическое.

Эксперименты с мышиными фибробластами L929 проводились по-иному. Контролем служили исходные живые клетки, а опытные фибробласты обрабатывали либо отдельно НДЦ, либо только Н2О2, либо обоими реагентами вместе. Чтобы безошибочно отличить живые фибробласты от погибших, все клетки окрашивали люминесцентными красителями разного рода. Один из них проникает через неповрежденные мембраны и окрашивает живые клетки в зеленый цвет. Другой окрашивает ядра в оранжевый цвет; если мембрана разрушена, содержимое цитоплазмы растекается и при УФ — освещении видны только красные люминесцирующие ядра погибших клеток. Результаты полностью соответствовали нашим теоретическим представлениям. Исходная культура фибробластов и клетки, обработанные НДЦ, практически не различались между собой, но под действием перекиси водорода (без НДЦ) быстро разрушились и погибли. Защитное действие НДЦ на мышиные фибробласты было столь же явным, как и на клетки VERO: даже при концентрации перекиси800 мМпочти все они остались неповрежденными.

Если сравнить активность НДЦ и природных антиоксидантов, она будет в пользу нанокристаллитов. Аскорбиновая кислота, а-токоферол и другие природные защитники от АФК участвуют только в одном окислительно-восстановительном цикле, после чего инактивируются, а наноразмерный диоксид церия регенерирует и может участвовать в последующих реакциях. Нередко его преимущество перед природными антиоксидантами проявляется и в активности. Например, водные золи НДЦ (размер частиц 1-3 нм) в наших экспериментах оказались более сильными антиоксидантами по сравнению с флавоноидами (антоцианами, катехинами, танинами и т.д.). Не менее интересен другой результат: золи НДЦ (размер частиц 2-5 нм) в неполярных растворителях защищали от окислительной деградации другой важнейший антиоксидант — B-каротин (провитамин А).

Добавить комментарий