Un estudio encuentra que las partículas de sílice reaccionan químicamente

Jun 18, 2023

Considerada inerte y segura para el consumo por la Administración de Alimentos y Medicamentos, se ha demostrado que la sílice reacciona con biomoléculas clave, degradando potencialmente su función.

Una investigación de Stanford ha revelado que el mineral sílice, un aditivo alimentario común y un ingrediente cosmético popular, no es una sustancia químicamente inerte como se ha supuesto durante mucho tiempo.

Yangjie Li, investigadora postdoctoral en química, es la autora principal de un nuevo estudio sobre la reactividad de la sílice, que se utiliza habitualmente en productos cotidianos. (Crédito de la imagen: Zhuoer Xie)

Como se describe en un nuevo estudio, los investigadores colocaron partículas de sílice disponibles comercialmente en una solución acuosa con biomoléculas que contienen compuestos llamados tioles. Estas biomoléculas que contienen tiol están muy extendidas en la naturaleza y en el cuerpo humano, por ejemplo en forma de glutatión, un antioxidante clave que se encuentra en la mayoría de las células.

Cuando se expusieron a la sílice, las biomoléculas de tiol sufrieron reacciones químicas redox. Estas reacciones, en las que se pierden electrones, podrían degradar o alterar la función de las moléculas, lo que podría suponer riesgos para la salud. Por ejemplo, niveles bajos de glutatión pueden provocar un aumento del estrés oxidativo en el cuerpo que puede dañar todo tipo de componentes celulares, desde las membranas hasta el ADN.

Los hallazgos resaltan la necesidad de realizar más investigaciones sobre la reactividad de la sílice, especialmente dado su amplio uso en productos cotidianos.

"Se cree que las partículas de sílice son benignas e inertes, pero los resultados de nuestro estudio indican que la sílice en realidad es reactiva", dijo Yangjie Li, investigador postdoctoral en el Departamento de Química de la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford y autor principal del estudio. que se publicó el 17 de agosto en Proceedings of the National Academy of Sciences. "Alentamos a que se realicen más investigaciones sobre si la exposición a partículas de sílice puede agotar el glutatión y otros compuestos críticos en el cuerpo".

"Nuestros hallazgos hacen sonar una alarma sobre el uso continuo de partículas de sílice", dijo el autor principal Richard Zare, profesor Marguerite Blake Wilbur de Ciencias Naturales y profesor de química en H&S. "Si bien es demasiado pronto para decir que la sílice es un riesgo para la salud, como mínimo, la sílice plantea el problema potencial de introducir sustancias químicas no deseadas, particularmente en los alimentos".

La sílice (otro nombre para los compuestos de silicio y oxígeno) es un material incoloro, inodoro e insípido. Si bien la sílice se encuentra naturalmente en alimentos como las verduras de hojas verdes, los fabricantes a menudo agregan pequeñas partículas de sílice parecidas a arena como agente antiaglomerante a las sopas y cremas para café, por ejemplo. Actualmente, la Administración de Alimentos y Medicamentos permite que los alimentos contengan hasta un 2% en peso de partículas de sílice.

Richard Zare, profesor Marguerite Blake Wilbur de Ciencias Naturales, es el autor principal del artículo. (Crédito de la imagen: Do Pham / Universidad de Stanford)

En el caso de los cosméticos, incluidos los productos para el cuidado de la piel, la sílice sirve como agente absorbente o de volumen, o como abrasivo en exfoliantes. En el ámbito de la atención sanitaria, las partículas de sílice también han encontrado un uso importante en la administración de fármacos y con fines de obtención de imágenes médicas. Para esas aplicaciones, las partículas de sílice se fabrican con pequeños orificios o poros en los que se pueden introducir productos farmacéuticos y otras sustancias.

Dado este alcance de aplicaciones, Li y Zare intentaron examinar la ortodoxia de la sílice como sustancia químicamente inerte. Li tiene experiencia en investigar supuestas propiedades de materiales cotidianos. Para su tesis doctoral, Li investigó cómo el vidrio, utilizado durante mucho tiempo para almacenar de forma estable medicamentos y otros materiales importantes, puede, en determinadas circunstancias, actuar como catalizador y acelerar reacciones químicas.

"Hemos visto antes que los llamados materiales inertes pueden no serlo en realidad", dijo Zare. "Esa historia puede repetirse con las partículas de sílice".

Para el estudio, los investigadores de Stanford compraron partículas de sílice pura disponibles comercialmente, vendidas como polvo seco. Trabajando con Kurt Kolasinski, ex académico de Zare y ahora profesor de química física en la Universidad de West Chester, Li añadió sílice a soluciones acuosas que contenían una de las tres biomoléculas que contienen tioles. Las biomoléculas estudiadas fueron cisteína (un aminoácido clave), el glutatión antioxidante antes mencionado y penicilamina (un llamado antagonista de metales pesados ​​para el tratamiento de la enfermedad de Wilson, una condición que ocurre cuando se acumula demasiado cobre en el cuerpo).

Li incubó las soluciones en la oscuridad durante un día a temperatura ambiente. Obtuvo pequeñas muestras de las soluciones en marcas de media hora, 2 horas, 4 horas y 24 horas para medir la velocidad de cualquier reacción química que pudiera haber ocurrido, utilizando un instrumento llamado espectrómetro de masas.

Con el tiempo, las biomoléculas se oxidaron (pérdida de electrones en una reacción química) mediante incubación con sílice, y con la sorprendente cantidad de hasta el 95% de las moléculas en solución finalmente reaccionaron de esta manera, mientras que los experimentos de control sin incubación con sílice mostró una oxidación mínima.

Desde una perspectiva química, las partículas reactivas de sílice pura convirtieron las moléculas que contienen tiol en moléculas de disulfuro. Expresadas en términos de sus composiciones elementales, las primeras moléculas, que contienen grupos unidos entre azufre e hidrógeno (SH), cambiaron para tener puentes disulfuro, simbolizados por SS. La reacción inversa es común, señaló Zare, cuando el cabello rizado se alisa aplicando calor con una plancha. El proceso rompe los enlaces disulfuro en las proteínas del cabello, lo que permite que el cabello se transforme en mechones lisos. "Cuando la gente usa planchas para alisar su cabello, la química de lo que sucede allí rompe los disulfuros y los convierte en tioles, la reacción inversa de nuestro estudio", dijo Zare.

Para las reacciones observadas, los investigadores de Stanford creen que, al entrar en contacto con el agua, la sílice forma los llamados radicales sililoxi unidos a la superficie (un átomo de silicio unido a un átomo de oxígeno en una configuración que tiene un electrón desapareado). Al encontrar los radicales, las biomoléculas de tiol en la solución transfieren átomos de hidrógeno (H) a los radicales. En consecuencia, libres del H unido, los átomos de azufre en dos moléculas de tiol se recombinan para formar los disulfuros SS.

De cara al futuro, los investigadores del laboratorio Zare planean seguir probando cómo los diferentes tamaños de partículas de sílice influyen en las velocidades de reacción química. También se están realizando experimentos con biomoléculas de mayor tamaño.

Zare y Li esperan que sus hallazgos iniciales impulsen a otros investigadores, y potencialmente a reguladores, a caracterizar la química de la sílice más a fondo.

"La sílice es un material que aparece en muchos lugares, en las cosas que comemos, en los productos que ponemos en la piel y en entornos médicos", dijo Zare. "A la luz de este nuevo estudio, deberíamos saber más sobre la sílice y sus interacciones con otros materiales".

Zare también es miembro de Stanford Bio-X, el Instituto Cardiovascular, el Instituto del Cáncer de Stanford, Sarafan ChEM-H, el Instituto Stanford Woods para el Medio Ambiente y el Instituto de Neurociencias Wu Tsai.

La investigación fue financiada en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. a través del programa de Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria.

Para leer todas las historias sobre la ciencia de Stanford, suscríbase al periódico quincenal Stanford Science Digest.

Holly Alyssa MacCormick, Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford: [email protected]

Bridget Ballesteros, Relaciones Públicas Universitarias: (925) 759-4805, [email protected]

La plataforma anteriormente conocida como Twitter resulta ser una fuente sorprendente de conocimiento médico de alta calidad, dice el experto en ciencia de datos biomédicos James Zou.

Una enfermera de traumatología pediátrica que fue evacuada de los incendios forestales de Maui comparte los planes que ayudaron a mantener segura a su familia.

El becario de salud planetaria Minghao Qiu quiere cuantificar cómo afectará la creciente contaminación del aire provocada por los incendios forestales y las emisiones de combustibles fósiles a la salud humana.