Cerium oxide nanoparticles, combining antioxidant and UV shielding properties, prevent UV-induced cell damage and mutagenesis

Abstract

Efficient inorganic UV shields, mostly based on refracting TiO2 particles, have dramatically changed the sun exposure habits. Unfortunately, health concerns have emerged from the pro-oxidant photocatalytic effect of UV-irradiated TiO2, which mediates toxic effects on cells. Therefore, improvements in cosmetic solar shield technology are a strong priority. CeO2 nanoparticles are not only UV refractors but also potent biological antioxidants due to the surface 3+/4+ valency switch, which confers anti-inflammatory, anti-ageing and therapeutic properties. Herein, UV irradiation protocols were set up, allowing selective study of the extra-shielding effects of CeO2vs. TiO2 nanoparticles on reporter cells. TiO2 irradiated with UV (especially UVA) exerted strong photocatalytic effects, superimposing their pro-oxidant, cell-damaging and mutagenic action when induced by UV, thereby worsening the UV toxicity. On the contrary, irradiated CeO2 nanoparticles, via their Ce3+/Ce4+ redox couple, exerted impressive protection on UV-treated cells, by buffering oxidation, preserving viability and proliferation, reducing DNA damage and accelerating repair; strikingly, they almost eliminated mutagenesis, thus acting as an important tool to prevent skin cancer. Interestingly, CeO2 nanoparticles also protect cells from the damage induced by irradiated TiO2, suggesting that these two particles may also complement their effects in solar lotions. CeO2 nanoparticles, which intrinsically couple UV shielding with biological and genetic protection, appear to be ideal candidates for next-generation sun shields.

Los eficaces protectores UV inorgánicos, basados sobre todo en partículas refractantes de TiO2, han cambiado radicalmente los hábitos de exposición al sol. Por desgracia, han surgido problemas de salud derivados del efecto fotocatalítico prooxidante del TiO2 irradiado con UV, que media efectos tóxicos en las células. Por ello, las mejoras en la tecnología de los escudos solares cosméticos son una gran prioridad. Las nanopartículas de CeO2 no sólo son refractarias a los rayos UV, sino también potentes antioxidantes biológicos debido al cambio de valencia 3+/4+ de la superficie, lo que les confiere propiedades antiinflamatorias, antienvejecimiento y terapéuticas. En este trabajo se establecieron protocolos de irradiación UV que permitieron el estudio selectivo de los efectos extra-blindaje de las nanopartículas de CeO2 frente a las de TiO2 en células reporteras. El TiO2 irradiado con UV (especialmente UVA) ejerció fuertes efectos fotocatalíticos, superponiendo su acción pro-oxidante, dañina para las células y mutagénica cuando fue inducida por UV, empeorando así la toxicidad UV. Por el contrario, las nanopartículas de CeO2 irradiadas, a través de su par redox Ce3+/Ce4+, ejercieron una impresionante protección sobre las células tratadas con UV, amortiguando la oxidación, preservando la viabilidad y la proliferación, reduciendo el daño en el ADN y acelerando la reparación; sorprendentemente, casi eliminaron la mutagénesis, actuando así como una importante herramienta para prevenir el cáncer de piel. Curiosamente, las nanopartículas de CeO2 también protegen a las células de los daños inducidos por el TiO2 irradiado, lo que sugiere que estas dos partículas también pueden complementar sus efectos en las lociones solares. Las nanopartículas de CeO2, que combinan intrínsecamente la protección contra los rayos UV con la protección biológica y genética, parecen ser las candidatas ideales para la próxima generación de pantallas solares.