talloze consumentenproducten, waaronder cosmetica, zonnebrandmiddelen, en kleding - bevatten nanodeeltjes die door fabrikanten zijn toegevoegd om de textuur te verbeteren, dood microben, of de houdbaarheid verlengen, onder andere doeleinden. Echter, verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat sommige van deze gemanipuleerde nanodeeltjes giftig kunnen zijn voor cellen.

Een nieuwe studie van MIT en de Harvard School of Public Health (HSPH) suggereert dat bepaalde nanodeeltjes ook DNA kunnen beschadigen. Dit onderzoek werd geleid door Bevin Engelward, een professor in biologische technologie aan het MIT, en universitair hoofddocent Philip Demokritou, directeur van HSPH's Centrum voor Nanotechnologie en Nanotoxicologie.

De onderzoekers ontdekten dat nanodeeltjes van zinkoxide, vaak gebruikt in zonnebrandcrème om ultraviolette stralen te blokkeren, DNA aanzienlijk beschadigen. Nanoschaal zilver, die aan speelgoed is toegevoegd, tandpasta, kleding, en andere producten vanwege de antimicrobiële eigenschappen, veroorzaakt ook aanzienlijke DNA-schade, ze vonden.

De bevindingen, gepubliceerd in een recent nummer van het tijdschrift ACS Nano , vertrouwden op een snelle screeningtechnologie om DNA-schade te analyseren. Deze benadering maakt het mogelijk om de potentiële gevaren van nanodeeltjes veel sneller en op grotere schaal te bestuderen dan voorheen mogelijk was.

De Food and Drug Administration verplicht fabrikanten niet om additieven op nanoschaal voor een bepaald materiaal te testen als het bulkmateriaal al veilig is gebleken. Echter, er zijn aanwijzingen dat de nanodeeltjesvorm van sommige van deze materialen onveilig kan zijn:vanwege hun enorm kleine formaat, deze materialen kunnen verschillende fysieke, chemisch, en biologische eigenschappen, en gemakkelijker cellen binnendringen.

"Het probleem is dat als een nanodeeltje is gemaakt van iets dat als veilig materiaal wordt beschouwd, het wordt doorgaans als veilig beschouwd. Er zijn mensen die zich zorgen maken, maar het is een zware strijd, want zodra deze dingen in productie gaan, het is erg moeilijk om ongedaan te maken, ', zegt Engelward.

De onderzoekers concentreerden zich op vijf soorten gemanipuleerde nanodeeltjes:zilver, zinkoxide, ijzeroxide, ceriumoxide, en siliciumdioxide (ook bekend als amorf silica) - die industrieel worden gebruikt. Sommige van deze nanomaterialen kunnen vrije radicalen produceren die reactieve zuurstofsoorten worden genoemd, die DNA kunnen veranderen. Zodra deze deeltjes in het lichaam komen, ze kunnen zich ophopen in weefsels, meer schade aanrichten.

"Het is essentieel om de toxiciteit of de gevaren die deze materialen kunnen bezitten te controleren en te evalueren. Er zijn zoveel variaties van deze materialen, in verschillende maten en vormen, en ze worden in zoveel producten verwerkt, " zegt Christa Watson, een postdoc bij HSPH en de hoofdauteur van de paper. "Dit toxicologische screeningplatform geeft ons een gestandaardiseerde methode om de technische nanomaterialen te beoordelen die momenteel worden ontwikkeld en gebruikt."

De onderzoekers hopen dat deze screeningtechnologie ook kan worden gebruikt om veiligere vormen van nanodeeltjes te ontwerpen; ze werken al samen met partners in de industrie om veiligere UV-blokkerende nanodeeltjes te ontwikkelen. Het laboratorium van Demokritou toonde onlangs aan dat het coaten van zinkoxidedeeltjes met een nanodun laagje amorf silica het vermogen van de deeltjes om DNA te beschadigen kan verminderen.

Snelle analyse

Tot nu, de meeste onderzoeken naar toxiciteit van nanodeeltjes hebben zich gericht op celoverleving na blootstelling. Zeer weinigen hebben genotoxiciteit onderzocht, of het vermogen om DNA te beschadigen - een fenomeen dat niet noodzakelijkerwijs een cel doodt, maar een die kan leiden tot kankerachtige mutaties als de schade niet wordt hersteld.

Een veelgebruikte manier om DNA-schade in cellen te bestuderen is de zogenaamde "komeettest, " genoemd naar het komeetvormige uitstrijkje dat tijdens de test DNA-vormen beschadigde. De procedure is gebaseerd op gelelektroforese, een test waarbij een elektrisch veld wordt aangelegd op DNA dat in een matrix is ​​geplaatst, waardoor het DNA over de gel moet bewegen. Tijdens elektroforese, beschadigd DNA reist verder dan onbeschadigd DNA, waardoor een komeetstaartvorm ontstaat.

Door te meten hoe ver het DNA kan reizen, blijkt hoeveel DNA-schade is opgetreden. Deze procedure is erg gevoelig, maar ook erg omslachtig.

In 2010, Engelward en MIT-professor Sangeeta Bhatia ontwikkelden een veel snellere versie van de komeettest, bekend als de CometChip. Met behulp van microfabricagetechnologie, enkele cellen kunnen worden gevangen in kleine microputjes in de matrix. Deze aanpak maakt het mogelijk om maar liefst 1 000 monsters in de tijd die het kostte om slechts 30 monsters te verwerken, waardoor onderzoekers tientallen experimentele omstandigheden tegelijk konden testen, die kunnen worden geanalyseerd met behulp van imaging software.

Wolfgang Kreyling, een epidemioloog bij het Duitse onderzoekscentrum voor milieugezondheid die niet bij het onderzoek betrokken was, zegt dat deze technologie toxicologen zou moeten helpen om de snelle inzet van gemanipuleerde nanodeeltjes (ENP's) in te halen.

"High-throughput screeningplatforms zijn hard nodig, " zegt Kreyling. "De voorgestelde aanpak zal niet alleen een belangrijk hulpmiddel zijn voor nanotoxicologen die screeningstrategieën met een hoge verwerkingscapaciteit ontwikkelen voor de beoordeling van mogelijke nadelige gezondheidseffecten die verband houden met ENP's, maar ook van groot belang voor materiaalwetenschappers die werken aan de ontwikkeling van nieuwe ENP's en veiliger-by-design-benaderingen."

Met behulp van de CometChip, de MIT- en HSPH-onderzoekers hebben de effecten van de nanodeeltjes getest op twee soorten cellen die vaak worden gebruikt voor toxiciteitsonderzoeken:een type menselijke bloedcellen dat lymfoblastoïden wordt genoemd, en een vereeuwigde lijn van eierstokcellen van Chinese hamsters.

Zinkoxide en zilver veroorzaakten de grootste DNA-schade in beide cellijnen. Bij een concentratie van 10 microgram per milliliter - een dosis die niet hoog genoeg is om alle cellen te doden - genereerden deze een groot aantal enkelstrengs DNA-breuken.

Siliciumdioxide, die vaak wordt toegevoegd tijdens de productie van voedsel en medicijnen, genereerde zeer lage niveaus van DNA-schade. IJzeroxide en ceriumoxide vertoonden ook een lage genotoxiciteit.

Hoe veel is te veel?

Er zijn meer studies nodig om te bepalen hoeveel blootstelling aan metaaloxide-nanodeeltjes onveilig kan zijn voor mensen, zeggen de onderzoekers.

"De grootste uitdaging die we hebben als mensen die zich bezighouden met blootstellingsbiologie, is beslissen wanneer iets gevaarlijk is en wanneer niet, op basis van het dosisniveau. Op lage niveaus, waarschijnlijk zijn deze dingen in orde, Engelward zegt. "De vraag is:op welk niveau wordt het problematisch, en hoe lang duurt het voordat we het merken?"

Een van de grootste zorgpunten is beroepsmatige blootstelling aan nanodeeltjes, zeggen de onderzoekers. Kinderen en foetussen lopen mogelijk ook een groter risico omdat hun cellen zich vaker delen, waardoor ze kwetsbaarder zijn voor DNA-schade.

De meest voorkomende routes die gemanipuleerde nanodeeltjes in het lichaam volgen, zijn via de huid, longen, en maag, dus de onderzoekers onderzoeken nu de genotoxiciteit van nanodeeltjes op die celtypen. Ze bestuderen ook de effecten van andere gemanipuleerde nanodeeltjes, inclusief metaaloxiden die worden gebruikt in toner voor printers en kopieerapparaten, die in de lucht kunnen komen en de longen kunnen binnendringen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.