Методическая статья

Протокол обнаружения и очистки газовой фазе Свободные радикалы в дыме сигарет

19.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/3406

⸱

2 января 2012 г.

 ,  , 
1CDCF-AOX Lab, 2National Biomedical Center for Advanced ESR Technology (ACERT), Department of Chemistry and Chemical Biology, Cornell University

В этой статье

Краткое содержание

Спин-захвата ЭПР-спектроскопии был использован для изучения влияния растительных антиоксидантов ликопин, Пикногенол и экстракт косточек винограда на очистку газовой фазе свободных радикалов в сигаретном дыме.

Аннотация

Курение сигарет ассоциировано с развитием рака у людей. Сообщается, что большинство смертей от рака легких вызвано курением сигарет 5,6,7,12. Хотя смолы табака и родственные продукты в твердой фазе сигаретного дыма являются основными причинами канцерогенных и мутагенных заболеваний, сигаретный дым содержит значительное количество свободных радикалов, которые также считаются важной группой канцерогенов9,10. Свободные радикалы атакуют клеточные компоненты, повреждая структуру белков, липиды и последовательности ДНК, что повышает риск развития различных типов рака. Вдыхаемые радикалы образуют аддукты, которые способствуют возникновению многих негативных последствий воздействия табачного дыма на легкие3. Были проведены исследования по снижению содержания свободных радикалов в сигаретном дыме для уменьшения рисков повреждений, вызванных курением. Было отмечено, что гемоглобин и гемсодержащие соединения могут частично нейтрализовать оксид азота, реактивные окислители и канцерогенные летучие нитрозосоединения сигаретного дыма4. Для поглощения свободных радикалов и удаления до 90% свободных радикалов из сигаретного дыма использовался «биофильтр», состоящий из гемоглобина и активированного угля14. Однако из-за экономической неэффективности он не был успешно коммерциализирован. Другое исследование показало высокую эффективность поглощения шиконоином, компонентом китайской лекарственной травы8. В настоящем исследовании мы представляем протокол введения распространенных натуральных антиоксидантных экстрактов в сигаретный фильтр для поглощения свободных радикалов газовой фазы в сигаретном дыме и измерения эффекта поглощения свободных радикалов газовой фазы в основном потоке сигаретного дыма (MCS) с помощью электронного спинового резонанса (ЭСР) со спиновым захватом1,2,14. Мы продемонстрировали высокую поглощающую способность ликопина и экстракта виноградных косточек, что может указывать на возможность их будущего применения в сигаретных фильтрах. Важным преимуществом этих перспективных поглотителей является то, что их можно получать в больших количествах из побочных продуктов производства томатов или виноделия соответственно11,13

Протокол

1. Материалы

Все растворители, используемые в этой работе были реагента класса. Спиновых ловушек, в том числе N-трет-бутил-α-phenylnitrone (PBN) и стандартный ярлык спина 2,2,6,6-тетраметил-1-piperinyoxyl (TEMPO) были получены от Sigma и были использованы при поставке. Завод антиоксидантов были получены коммерчески от Свонсон, Inc США.

2. Подготовка сигаретного дыма и анализ свободных радикалов

  1. Внести антиоксидантов в фильтр, Пикногенол антиоксиданты и экстракт виноградных косточек были сначала растворяют в 95% этанола, в то время как ликопин растворяется в ацетоне. Растворитель объемы были различными в зависимости от антиоксидант растворимости.
  2. Количество антиоксидантов в 0,4 мг / фильтр был использован. Затем они были покрыты 10 мг активированного угля. Для этой цели активированный уголь перемешивали в течение ~ 12 часов с антиоксидантными решения в анаэробных условиях, фильтруют и высушивают в вакууме. Антиоксиданты были затем введены в обычных фильтра ацетат (CA фильтр). Для этого фильтр был разрезан на две части. Покрытием завода антиоксидантов были вставлены между двумя кусками фильтра, оборачивают кусок ленты для формирования фильтра - антиоксидант-фильтр сэндвич (рис. 1А). Этот комбинированный фильтр был впоследствии прилагается к сигарете стержни, содержащие табак. Фильтр контроля было сделано тем же способом, как антиоксидант, кроме фильтра не был добавлен антиоксидант.
  3. До курения моделирования, исследования сигареты будут распакованы и хранится в постоянной влажности окружающей среды (20 ° C, относительная влажность 60%) с помощью насыщенного раствора NaBr в течение минимум 2 дня.
  4. Курение моделирования для рутинного анализа проводился при комнатной температуре, используя один порт устройства для курения, которое, как показано на рис.1, состоит из аспиратора воды или GAST DOA-P104-BN вакуумный насос / компрессор (Бентон-Харбор, Мичиган), связанные спин-захватасборки через Т-образного перекрестка с одного конца открытым. Пуфы проводились путем подключения открытый конец которой оставался открытым между затяжками. Газа было проверено расходомер и установлена ​​на уровне ~ 2,2 SCFH = 17,5 мл / с, регулируя клапан расположен между насосом и вентиляционное отверстие.
  5. Исследования сигареты копченой при условии слоеного объеме 35 мл на протяжении 2 секунд каждые 60 секунд, аналогично 1. Курение моделирования для количественной оценки газофазного свободных радикалов была выполнена в сочетании с системой захвата спин, как показано на рис. 1.
  6. Десять интенсивной клубы (35 мл / слоеного) были взяты для каждой сигаретой. В газовой фазе свободных радикалов были собраны путем пропускания через MCS Кембридже фильтр площадку, а затем в раствор вводят спина захвата (0,05 М PBN в бензол, 2,0 мл).
  7. После последней затяжки, пузырилась захвата решением был скорректирован до первоначального объема (2,0 мл) с тем же бензола. Аликвоту был переведен в ~ 250 мм, 3 мм ID стеклянную трубку запечатаны с одного конца.
  8. Улавливания раствора венозная использованием замораживания-оттаивания насоса процедуры. Это было заморожено в жидком азоте и вакуум применяется. Тогда это было талых в атмосфере аргона, что позволяет ловушке пузырьков газа бежать, и замороженные снова. После этого цикл повторяется три раза, трубки запаянные в вакууме, а используется в дальнейших измерениях ЭПР. Этот шаг необходим, потому что кислород, который хорошо растворим в бензоле, расширяет линий ЭПР органических радикалов. Дезоксигенирования значительно улучшает отношение сигнал-шум.
  9. X-Band спектрах ЭПР регистрировали на спектрометре Bruker EMX на частоте 9,34 ГГц при стандартных условиях. Спектрометр настройки, используемые в большинстве экспериментов были: центр поля 3312.5G, сканирование шириной 80G, амплитудной модуляции 0.5G, постоянной времени 82 мкс, время сканирования 40 сек.
  10. Аддуктов спиновых ловушек являются относительно стабильными в условиях эксперимента, который в некоторых случаях REQuired 25 скоплений, которые, как правило взяла ~ 20 мин. Однако, после 12 часов интенсивность сигналов ЭПР в растворе бензола снизилась на ~ 5 раз.
  11. Для количественной оценки концентрации захвата аддукт, его начальная первой производной спектра ЭПР была интегрирована. В результате поглощения спектра показывает широкий фон синглет, скорее всего, из-за сажи / смолы, содержащиеся в дыме.

    После вычитания этого фона отделен тройка захвата аддукт был интегрирован еще один раз (рис. 2).

3. Представитель Результаты

Большинство свободных радикалов в горящей сигаретой производства дыма (газовая фаза) являются мгновенными и нестабильной. Для того чтобы наблюдать эти радикалы техника спин ловушка работает. Она захватывает газофазных свободные радикалы, превращая их в спину аддукт которая является более стабильной и может быть обнаружен с помощью метода ЭПР (рис.1). В настоящем исследовании спин-ловушку раствора 0,05М PBN была использована для сбора дыма газовой фазе свободных радикалов, которые являются смесью кислорода и углерода в центре радикалов, которые трудно отделить 15. В нашем случае, однако, наблюдается расщепление сверхтонкой константы N = 13.7G и H = 1.95G очень похожи на соответствующие значения для улавливания аддуктов алкоксил свободных радикалов (RO.) 2, предполагая, что они являются основным продуктом. Мы показали, что слабые сигналы ЭПР и низкая воспроизводимость наблюдается в наших первоначальных измерений (рис. 2) из-за влаги в дыму потока. Чтобы решить эту проблему, мы добавили жидкого азота (LN2) ловушке между Кембридже фильтр и решение спин ловушку. Л. Н. 2 ловушки удалить воду из MCS потока быстрого замораживания, и взял его на внутренней стенке стеклянной трубки. Это значительно улучшило сигналы ЭПР и позволило очень воспроизводимые результаты (рис. 3).

Количество захваченных свободные радикалы определяли с помощьюэталонного образца. Для контрольных образцов без антиоксидантов, типичные концентрации аддукта в бензоле оценкам путем сравнения его двойной интеграл спектр с двойной интеграл спектра для известной концентрацией TEMPO был 1,24 мкм (рис.2). Так как количество воздуха проходит через каждую сигарету во время курения составлял ~ 350 мл, это дает оценку концентрации свободных радикалов в газовой фазе MCS из ~ 7.1X10 -9 М, а общее число захваченных радикалов из газовой фазы целой сигареты ~ 1.5X10 15. Оценка общего количества свободных радикалов в дыму сигарет целом, в том числе и газа и твердых частиц фазы, составляет ~ 10 16 свободных радикалов 9.

Различные уровни очистки эффект растительных антиоксидантов на газовой фазы свободных радикалов в основной поток табачного дыма не наблюдалось. Их очистка ставки были представлены на рис. 4. Ликопин и экстракт косточек винограда показала самые высокие темпы в то время как низкийэ ставка наблюдалась Пикногенол (рис.4).

Рисунок 1
Рисунок 1. Диаграмма улучшенной конструкции моделирования курения для сбора газовой фазе свободных радикалов в дыме сигарет (МКС) с использованием спиновых ловушек. MCS было обращено на воду аспиратора через CA фильтр, то Кембридж фильтра (желтый фильтр) и пропускается через отделитель жидкости азотом для удаления H 2 O. Газообразных продуктов, наконец, отправился в спину ловушку и пропускается через раствор ловушку спина. Завод антиоксидант был помещен между двумя частями обычных фильтров ацетат (расширенный в кружке), подключенных к сигарете, чтобы убрать мусор свободных радикалов в MCS.

Рисунок 2
Рисунок 2. Количественную оценку для захвата спин-аддуктов концентрации бензола требует вычитания широкий сигнал фон от первого интеграциил спектра. Сверхтонкого расщепления параметров спин-захвата аддукта являются H = 1,95 G, N = 13.7G.

Рисунок 3
Рисунок 3. Проходя через LN2 ловушку существенно улучшает качество сигнала ЭПР получил спин-захвата MCS.

Рисунок 4
Рисунок 4. Влияние природных антиоксидантов на концентрации свободных радикалов в MCS. Относительной интенсивности сигнала: контроль - 100%, Пикногенол - 55%, экстракт косточек винограда - 12%, ликопин - 10%.

Обсуждение

Надежная оценка влияния различных свободных радикалов в табачном дыме требует воспроизводимые методики количественного определения свободных радикалов. Ранее 1, было показано, что малые объемы более высокой концентрации спиновых ловушек решения в неполярных растворителях наиболее эффективны на захват свободных радикалов от табачного дыма. Сигаретный дым всегда содержит водяной пар от сжигания органических соединений и остаточной влажности в табаком, который может оказаться в улавливания растворителя. Это примесью воды в ловушку решение спин PBN существенно уменьшает время жизни спина аддуктов захвата и интенсивности их сигналов ЭПР. Удаление этого влаги простым проходящего MCS через U-образной трубки, охлаждаемой жидким азотом значительно улучшить качество спектрах ЭПР в наших экспериментах, хотя некоторая доля газовой фазы радикалы могут быть также в ловушке на замороженной поверхности.

Использование тсвою технику мы сравнили относительную эффективность различных радикально-очистки природных соединений введены в сигаретных фильтров. Мы обнаружили, что ликопин и экстракт виноградных косточек сразу после включения в сигаретные фильтры способны собирать до 90% свободных радикалов, от MSC газовой фазы. Такая высокая мощность очистки ряды эти дешевые доступны природных соединений среди наиболее эффективных сообщили защитники свободных радикалов, как гемоглобин и shikonine 8,14. Тем не менее, в наших экспериментах, сигаретные фильтры загружены изучал естественные антиоксиданты потерял заметная часть их очистки емкости после недели хранения при комнатной температуре. Решение этой проблемы может стимулировать будущие применения ликопин и экстракт косточек винограда в коммерческих сигаретные фильтры.

Раскрытие информации

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Национального института здравоохранения, грант № NIH / NCRR P41-RR 016 292 (для ACERT).

Ссылки

  1. Baum, S. L., Anderson, I. G. M., Baker, R. R., Murphy, D. M., Rowlands, C. C. Electron spin resonance and spin trap investigation of free radicals in cigarette smoke: development of a quantification procedure. Analytica Chimica. Acta. 481, 1-13 (2003).
  2. Bluhm, A. L., Weinstein, J., Sousa, J. A. Free radicals in tobacco smoke. Nature. 229, 500-500 (1971).
  3. Church, D. F., Pryor, W. A. Free-radical chemistry of cigarette smoke and its toxicological implications. Environ. Health. Perspect. 64, 111-126 (1985).
  4. Deliconstantinos, G., Villiotou, V., Stavrides, J. C. Scavenging effects of hemoglobin and related heme containing compounds on nitric oxide, reactive oxidants and carcinogenic volatile nitrosocompounds of cigarette smoke. a new method for protection against the dangerous cigarette constituents. Anticancer. Res. 14, 2717-2726 (1994).
  5. Hecht, S. S. Tobacco smoke carcinogens and lung cancer. Journal of the National Cancer Institute. 91, 1194-1210 (1999).
  6. Kodama, M., Kaneko, M., Aida, M., Inoue, F., Nakayama, T., Akimoto, H. Free radical chemistry of cigarette smoke and its implication in human cancer. Anticancer. Res. 17, 433-437 (1997).
  7. Nair, A. K., Brandt, E. N. Effects of smoking on health care costs. Journal of Oklahoma State Medical Association. 93, 245-250 (2000).
  8. Nishizawa, M., Kohno, M., Nishimura, M., Kitagawa, A., Niwano, Y. Presence of Peroxyradicals in Cigarette Smoke and the Scavenging Effect of Shikonin, a Naphthoquinone Pigment. Chem. Pharm. Bull. 53, 796-799 (2005).
  9. Pryor, W. A. Cigarette smoke and the involvement of free radical reactions in chemical carcinogenesis. Br. J. Cancer. 8, 19-23 (1987).
  10. Pryor, W. A. Cigarette smoke radicals and the role of free radicals in chemical carcinogenicity. Environ. Health. Perspect. 105, 875-882 (1997).
  11. Rozzi, N. I., Singh, R. K., Vierling, R. A., Watkins, B. A. Supercritical fluid extraction of lycopene from tomato processing byproducts. J. Agric. Food. Chem. 50, 2638-2643 (2002).
  12. Shopland, D. R. Tobacco use and its contribution to early cancer mortality with a special emphesis on cigarette smoking. Environmental. Health. Perspectives. 103, 131-142 (1995).
  13. Shrikhandle, A. J. Wine products with health benefits. Food Res. Int. 33, 469-474 (2000).
  14. Valavanidis, A., Haralambous, E. A comparative study by electron paramagnetic resonance of free radical species in the mainstream and sidestream smoke of cigarettes with conventional acetate filters and 'bio-filters'. Redox. Rep. 6, 161-171 (2001).
  15. Valavanidis, A., Vlachogianni, T., Fiotakis, K. Tobacco smoke: involvement of reactive oxygen species and stable free radicals in mechanisms of oxidative damage, carcinogenesis and synergistic effects with other respirable particles. International Journal of Environmental Research and Public Health. 6, 445-462 (2009).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи