Studie zeigt, dass Silica-Partikel chemisch reagieren

Jun 18, 2023

Von der Food and Drug Administration gilt Kieselsäure als inert und sicher für den Verzehr. Es hat sich gezeigt, dass sie mit wichtigen Biomolekülen reagiert und möglicherweise deren Funktion beeinträchtigt.

Stanford-Forschung hat ergeben, dass das Mineral Siliciumdioxid, ein häufiger Lebensmittelzusatzstoff und beliebter Kosmetikbestandteil, keine chemisch inerte Substanz ist, wie lange angenommen wurde.

Yangjie Li, Postdoktorandin in Chemie, ist Hauptautorin einer neuen Studie über die Reaktivität von Kieselsäure, die häufig in Alltagsprodukten verwendet wird. (Bildnachweis: Zhuoer Xie)

Wie in einer neuen Studie beschrieben, platzierten Forscher im Handel erhältliche Silica-Partikel in einer Wasserlösung mit Biomolekülen, die Verbindungen namens Thiole enthalten. Diese thiolhaltigen Biomoleküle sind in der Natur und im menschlichen Körper weit verbreitet, beispielsweise in Form von Glutathion, einem wichtigen Antioxidans, das in den meisten Zellen vorkommt.

Bei Einwirkung von Siliciumdioxid gingen die Thiol-Biomoleküle chemische Redoxreaktionen ein. Diese Reaktionen, bei denen Elektronen verloren gehen, könnten die Funktion der Moleküle beeinträchtigen oder verändern und möglicherweise Gesundheitsrisiken mit sich bringen. Beispielsweise kann ein niedriger Glutathionspiegel zu erhöhtem oxidativen Stress im Körper führen, der alle Arten von Zellkomponenten schädigen kann, von Membranen bis hin zur DNA.

Die Ergebnisse unterstreichen den Bedarf an weiterer Forschung zur Reaktivität von Kieselsäure, insbesondere angesichts seiner weit verbreiteten Verwendung in Alltagsprodukten.

„Es wird angenommen, dass Siliciumdioxidpartikel harmlos und inert sind, aber die Ergebnisse unserer Studie deuten darauf hin, dass Siliciumdioxid tatsächlich reaktiv ist“, sagte Yangjie Li, Postdoktorandin am Department of Chemistry der Stanford School of Humanities and Sciences und Hauptautorin der Studie. veröffentlicht am 17. August in Proceedings of the National Academy of Sciences. „Wir ermutigen zu weiteren Untersuchungen, ob die Exposition gegenüber Kieselsäurepartikeln Glutathion und andere kritische Verbindungen im Körper abbauen kann.“

„Unsere Ergebnisse sind ein Alarmsignal für die weitere Verwendung von Siliciumdioxidpartikeln“, sagte der leitende Autor Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur-Professor für Naturwissenschaften und Professor für Chemie im Bereich Arbeitsschutz. „Obwohl es noch zu früh ist, zu sagen, dass Kieselsäure ein Gesundheitsrisiko darstellt, birgt Kieselsäure zumindest das potenzielle Problem der Einführung unerwünschter Chemikalien, insbesondere in Lebensmitteln.“

Kieselsäure – ein anderer Name für Verbindungen aus Silizium und Sauerstoff – ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Material. Während Kieselsäure natürlicherweise in Lebensmitteln wie Blattgemüse vorkommt, fügen Hersteller beispielsweise Suppen und Kaffeesahne häufig winzige, sandartige Kieselsäurepartikel als Antibackmittel hinzu. Derzeit erlaubt die Food and Drug Administration, dass Lebensmittel bis zu 2 Gewichtsprozent Kieselsäurepartikel enthalten.

Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur-Professor für Naturwissenschaften, ist leitender Autor des Artikels. (Bildnachweis: Do Pham / Stanford University)

In Kosmetika, einschließlich Hautpflegeprodukten, dient Kieselsäure als Füll- oder Absorptionsmittel oder als Schleifmittel in Peelings. Im Gesundheitswesen werden Silica-Partikel auch in großem Umfang bei der Verabreichung von Medikamenten und für medizinische Bildgebungszwecke eingesetzt. Für diese Anwendungen werden Silica-Partikel mit winzigen Löchern oder Poren hergestellt, in die Arzneimittel und andere Substanzen eingebracht werden können.

Angesichts dieses Anwendungsbereichs versuchten Li und Zare, die Orthodoxie von Kieselsäure als chemisch inerte Substanz zu untersuchen. Li hat Erfahrung in der Untersuchung mutmaßlicher Eigenschaften alltäglicher Materialien. Für ihre Doktorarbeit untersuchte Li, wie Glas – das seit langem zur stabilen Lagerung von Medikamenten und anderen wichtigen Materialien verwendet wird – unter bestimmten Umständen als Katalysator wirken und chemische Reaktionen beschleunigen kann.

„Wir haben schon früher gesehen, dass sogenannte inerte Materialien möglicherweise nicht wirklich inert sind“, sagte Zare. „Diese Geschichte könnte sich mit Silica-Partikeln wiederholen.“

Für die Studie kauften die Stanford-Forscher kommerziell erhältliche, reine Silica-Partikel, die als Trockenpulver verkauft wurden. In Zusammenarbeit mit Kurt Kolasinski, einem ehemaligen Doktoranden von Zare und jetzt Professor für physikalische Chemie an der West Chester University, fügte Li Kieselsäure zu wässrigen Lösungen hinzu, die eines von drei thiolhaltigen Biomolekülen enthielten. Bei den untersuchten Biomolekülen handelte es sich um Cystein (eine Schlüsselaminosäure), das oben erwähnte Antioxidans Glutathion und Penicillamin (ein sogenannter Schwermetallantagonist zur Behandlung der Wilson-Krankheit, einer Erkrankung, die auftritt, wenn sich zu viel Kupfer im Körper ansammelt).

Li inkubierte die Lösungen einen Tag lang im Dunkeln bei Raumtemperatur. Sie entnahm kleine Proben der Lösungen im Abstand von einer halben Stunde, zwei Stunden, vier Stunden und 24 Stunden, um die Geschwindigkeit eventuell aufgetretener chemischer Reaktionen mithilfe eines Instruments namens Massenspektrometer zu messen.

Im Laufe der Zeit wurden die Biomoleküle durch die Inkubation mit Kieselsäure oxidiert (Elektronenverlust bei einer chemischen Reaktion), und überraschenderweise reagierten schließlich bis zu 95 % der Moleküle in Lösung auf diese Weise, während die Kontrollexperimente ohne Kieselsäure-Inkubation durchgeführt wurden zeigte minimale Oxidation.

Aus chemischer Sicht wandelten die reaktiven reinen Siliciumdioxidpartikel thiolhaltige Moleküle in Disulfidmoleküle um. In Bezug auf ihre elementare Zusammensetzung ausgedrückt, haben sich die früheren Moleküle, die Schwefel-Wasserstoff (SH)-gebundene Gruppen enthalten, in Disulfidbrücken geändert, die SS symbolisieren. Zare wies darauf hin, dass die umgekehrte Reaktion häufig vorkommt, wenn lockiges Haar durch Hitzeeinwirkung mit einem Glätteisen geglättet wird. Durch den Prozess werden Disulfidbindungen in den Proteinen im Haar aufgebrochen, sodass das Haar in glatte Haarsträhnen umgeformt werden kann. „Wenn Menschen Glätteisen verwenden, um ihre Haare zu glätten, spaltet die Chemie dort Disulfide und wandelt sie in Thiole um, die umgekehrte Reaktion unserer Studie“, sagte Zare.

Für die beobachteten Reaktionen gehen die Stanford-Forscher davon aus, dass Kieselsäure bei Kontakt mit Wasser sogenannte oberflächengebundene Silyloxyradikale bildet (ein Siliziumatom, das in einer Konfiguration an ein Sauerstoffatom gebunden ist, die ein ungepaartes Elektron aufweist). Beim Auftreffen auf die Radikale übertragen Thiol-Biomoleküle in der Lösung Wasserstoffatome (H) auf die Radikale. Anschließend werden die Schwefelatome in zwei Thiolmolekülen von gebundenem H befreit und rekombinieren zu den SS-Disulfiden.

Mit Blick auf die Zukunft planen die Forscher des Zare-Labors, weiter zu testen, wie unterschiedliche Größen von Silica-Partikeln die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen beeinflussen. Auch Experimente mit größeren Biomolekülen sind im Gange.

Zare und Li hoffen, dass ihre ersten Ergebnisse andere Forscher und möglicherweise auch Regulierungsbehörden dazu veranlassen, die Chemie von Kieselsäure gründlicher zu charakterisieren.

„Silica ist ein Material, das an vielen Orten vorkommt, in den Dingen, die wir essen, in den Produkten, die wir auf unsere Haut auftragen, und in medizinischen Einrichtungen“, sagte Zare. „Angesichts dieser neuen Studie sollten wir mehr über Kieselsäure und ihre Wechselwirkungen mit anderen Materialien wissen.“

Zare ist außerdem Mitglied von Stanford Bio-X, dem Cardiocular Institute, dem Stanford Cancer Institute, Sarafan ChEM-H, dem Stanford Woods Institute for the Environment und dem Wu Tsai Neurosciences Institute.

Die Forschung wurde teilweise vom US Air Force Office of Scientific Research im Rahmen des Programms „Multidisciplinary University Research Initiative“ finanziert.

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Holly Alyssa MacCormick, Stanford School of Humanities and Sciences: [email protected]

Bridget Ballesteros, Öffentlichkeitsarbeit der Universität: (925) 759-4805, [email protected]

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