Kleine deeltjes met een diameter van slechts een miljoenste van een millimeter, nanodeeltjes genaamd, zijn overvloedig aanwezig in de kleding die we dragen en zelfs in het voedsel dat we eten. Nieuw onderzoek gepubliceerd in PCCP geeft aan dat nanodeeltjes hun binding op oppervlakken aan eiwitten die overvloedig in het bloed aanwezig zijn, kunnen veranderen, afhankelijk van of het eiwit op dat moment aan vetmoleculen is gebonden. De bevindingen geven aan hoe nanodeeltjes interageren met bloedeiwitten in het lichaam door de efficiëntie van het transport van nanodeeltjes naar oppervlakken te beïnvloeden.

Het werk ligt ten grondslag aan vele aspecten van de adhesie van eiwitten en nanodeeltjes. Bijvoorbeeld, onzekerheid rond de veiligheid van nanodeeltjes in voertuigdampen en een reeks alledaagse producten. Toxicologen vrezen dat blootstelling ertoe kan leiden dat nanodeeltjes in de bloedbaan terechtkomen en zich ophopen in de lever, het functioneren van het orgaan belemmeren. Echter, er is ook veel interesse in het gebruik van nanodeeltjes in de geneeskunde om medicijnen af ​​te leveren aan specifieke subcellulaire regio's, zoals de kern.

Bij nieuw onderzoek wetenschappers van de Australian National University en het Institut Laue-Langevin (ILL) testten een mogelijk mechanisme voor binding van nanodeeltjes, bekend als de 'eiwit-corona'-hypothese. Deze theorie suggereert dat nanodeeltjes cellen kunnen binnendringen omdat ze binden aan en worden omhuld door eiwitten, ze verbergen voor receptoren. Een belangrijke onzekerheid was of deze corona-structuur ook voorkwam op oppervlakken of dat er sprake was van ander gedrag.

In tegenstelling tot veel experimenten met eiwitkristallen, deze experimenten werden uitgevoerd in omgevingen die meer op menselijk bloed leken. Ze gebruikten silica-nanodeeltjes met een diameter van slechts 20 nanometer, vergelijkbaar met die in de industrie, in waterige bufferoplossingen met zouten op fysiologische niveaus om te zien hoe ze interageren met het meest voorkomende eiwit in ons bloed, humaan serumalbumine (HSA). De primaire rol van HSA is om zich te binden aan vetmoleculen in het bloed en deze naar verschillende delen van het lichaam te transporteren, en deze binding zorgt ervoor dat het eiwit van vorm verandert. Beide typen HSA - met en zonder vet - zijn in dit onderzoek onderzocht om te onderzoeken of ze een andere interactie aangaan met de nanodeeltjes op oppervlakken.

Er werden twee complementaire experimenten uitgevoerd op de mix van buffer-eiwit-nanodeeltjes om verschillende aspecten van het proces te analyseren.

• Neutronenreflectometrie op het FIGARO-instrument bij het ILL werd gebruikt om te bestuderen hoe eiwitten de nanodeeltjes naar het lucht/water-grensvlak transporteerden. Intense bundels neutronen werden afgevuurd op het oppervlak van de films en de afhankelijkheid van de hoek en de golflengte van de gereflecteerde bundels gaf informatie over de structuur en samenstelling van de verschillende moleculen aan het grensvlak, en in het bijzonder de verhouding eiwit:nanodeeltjes in de film.
• Röntgenreflectometrie werd gebruikt om de fijne structuur van de oppervlaktelaag te bepalen, en in het bijzonder de verdeling van eiwitmoleculen die de silica-nanodeeltjes aan het grensvlak verfraaien.

Resultaten toonden aan dat verschillende factoren belangrijk zijn bij de binding. Ten eerste, de lading op het silica nanodeeltje bepaalt hoe het interageert met eiwitten op oppervlakken. De silicadeeltjes die in het onderzoek werden gebruikt, hadden een lichte negatieve lading en werden aangetrokken door de positief geladen domeinen van HSA, hoewel het ook een netto negatieve lading heeft. Toch heeft de gevette vorm van het eiwit zijn lading gewijzigd door het vet zelf, en in dat geval waren alleen de oppervlakte-interacties onafhankelijk van de eiwit:nanodeeltjesverhouding in de oplossing. Ten tweede, de gevette vorm van het eiwit is stabieler en ontvouwt zich minder snel. Als resultaat, het eiwit is minder in staat om nanodeeltjes naar het grensvlak te transporteren om optimale conformaties op het grensvlak aan te nemen wanneer de effectieve nanodeeltjesconcentratie verandert. Deze resultaten suggereren dat oppervlakteontwerp belangrijk kan zijn bij het minimaliseren van toxische effecten van nanodeeltjes en ook bij het maximaliseren van het therapeutisch potentieel van dergelijke deeltjes.

Professor John White, Hoogleraar Fysische en Theoretische Chemie, Onderzoekschool Chemie, Australische Nationale Universiteit, zegt, "Omdat toxische resultaten zijn gecorreleerd met kleine afmetingen en de problemen van deeltjesaccumulatie, zijn de experimenten uitgevoerd op industrieel geproduceerde kleine silica-nanodeeltjes die algemeen verkrijgbaar zijn. Ze wijzen op stabiele eiwit-nanodeeltjesclustering op grensvlakken die gevoelig is voor zeer subtiele eigenschappen van de hechtende eiwit. "

Dr Richard Campbell, FIGARO instrument wetenschapper, ZIEK, zegt, "Een cruciaal onderdeel van het onderzoek was het kunnen uitvoeren van de metingen aan eiwitmoleculen in omstandigheden die dicht bij hun fysiologische omgeving liggen. Structurele studies aan eiwitten vereisen vaak dat het molecuul in een onnatuurlijke kristallijne vorm is, maar de krachtige FIGARO-reflectometer op het ILL maakte het mogelijk ons om de interactie van HSA met nanodeeltjes te bestuderen aan het vrije oppervlak van een bufferoplossing die het bloed beter nabootst."

experimentele methodes

De hoeveelheid deuterium - 'zware waterstof' - in de bufferoplossing werd gewijzigd om gebruik te maken van een eigenschap die isotopische contrastvariatie wordt genoemd. Neutronen worden verschillend verstrooid door waterstof- en deuteriumatomen en door de verhouding van H2O tot D2O in de buffer te wijzigen, kan het reflectiesignaal van de betreffende moleculen worden verbeterd ten opzichte van de verstrooiing van de oplossing. Dit maakt de verwerving van unieke structurele en compositie-informatie mogelijk die niet kan worden bepaald door een andere experimentele techniek.