De nederige rondworm is de ster van een ambitieus project van de Rice University om de toxiciteit van nanodeeltjes te meten.

De goedkope, high-throughput-onderzoek door Rice-wetenschappers Weiwei Zhong en Qilin Li meet de effecten van vele soorten nanodeeltjes, niet alleen op individuele organismen, maar ook op hele populaties.

De Rice-onderzoekers testten 20 soorten nanodeeltjes en stelden vast dat vijf, inclusief de koolstof-60-moleculen ("buckyballs") die in 1985 in Rice zijn ontdekt, vertoonde weinig tot geen toxiciteit.

Anderen waren matig of zeer giftig voor: Caenorhabditis elegans , verschillende generaties waarvan de onderzoekers de effecten van de deeltjes op hun gezondheid observeerden.

De resultaten zijn gepubliceerd door het tijdschrift American Chemical Society Milieuwetenschappen en technologie . Ze zijn ook beschikbaar op de open source website van de onderzoekers.

"Nanodeeltjes zijn in feite nieuwe materialen, en we weten niet veel over wat ze zullen doen met de menselijke gezondheid en de gezondheid van het ecosysteem, " zei Li, een universitair hoofddocent civiele en milieutechniek en materiaalkunde en nano-engineering. "Er zijn veel publicaties geweest waaruit blijkt dat bepaalde nanomaterialen giftiger zijn dan andere. Dus voordat we meer producten maken waarin deze nanomaterialen zijn verwerkt, het is belangrijk dat we begrijpen dat we niets giftigs in het milieu of in consumentenproducten stoppen.

"De vraag is, Hoeveel kosten kunnen we dragen?" zei ze. "Het is een lang en duur proces om een ​​grondige toxicologische studie te doen van een chemische stof, niet alleen nanomaterialen." Ze zei dat vanwege de grote verscheidenheid aan nanomaterialen die met hoge snelheid en op zo'n grote schaal worden geproduceerd, er is "een dringende behoefte aan screeningtechnieken met een hoge doorvoer om prioriteiten te stellen die uitgebreider moeten worden bestudeerd."

De pilotstudie van Rice bewijst dat het mogelijk is om veel toxiciteitsgegevens te verzamelen tegen lage kosten, zei Zhong, een assistent-professor biowetenschappen, die uitgebreid onderzoek heeft gedaan naar C. elegans , vooral op hun genennetwerken. Materialen alleen voor elke test, inclusief de wormen en de bacteriën die ze hebben geconsumeerd en de kweekmedia, kost ongeveer 50 cent, ze zei.

De onderzoekers gebruikten vier testen om te zien hoe wormen reageren op nanodeeltjes:fitness, beweging, groei en levensduur. De meest gevoelige bepaling van toxiciteit was fitness. In deze proef, de onderzoekers vermengden de nanodeeltjes in oplossingen met de bacteriën die wormen consumeren. Het meten van hoeveel bacteriën ze in de loop van de tijd aten, diende als een maatstaf voor de 'fitheid' van de wormen.

"Als de gezondheid van de wormen wordt aangetast door de nanodeeltjes, ze planten zich minder voort en eten minder, " zei Zhong. "In de fitnesstest, we volgen de wormen een week lang. Dat is lang genoeg voor ons om de toxiciteitseffecten van drie generaties wormen te volgen." C. elegans heeft een levenscyclus van ongeveer drie dagen, en aangezien elk vele nakomelingen kan voortbrengen, een populatie die begon bij 50 zou meer dan 10 tellen, 000 na een week. Een dergelijk groot aantal geteste dieren maakte het ook mogelijk om de fitnesstest zeer gevoelig te maken.

Het "QuantWorm"-systeem van de onderzoekers maakte een snelle monitoring van de wormfitness mogelijk, beweging, groei en levensduur. In feite, het monitoren van de wormen was waarschijnlijk het minst tijdrovende onderdeel van het project. Elk nanomateriaal vereiste een specifieke voorbereiding om ervoor te zorgen dat het oplosbaar was en samen met de bacteriën aan de wormen kon worden afgeleverd. De chemische eigenschappen van elk nanomateriaal moesten ook in detail worden gekarakteriseerd.

De onderzoekers bestudeerden een representatieve steekproef van drie klassen nanodeeltjes:metaal, metaaloxiden en op basis van koolstof. "We hebben geen polymere nanodeeltjes gemaakt omdat het type polymeren dat je kunt hebben oneindig is, ' legde Li uit.

Ze onderzochten de toxiciteit van elk nanodeeltje bij vier concentraties. Hun resultaten toonden C-60 fullerenen, fullerol (een derivaat van fullereen), titaandioxide, met titaniumdioxide versierde nanobuisjes en ceriumdioxide waren het minst schadelijk voor wormenpopulaties.

Hun "fitness"-test bevestigde dosisafhankelijke toxiciteit voor carbon black, enkel- en meerwandige koolstofnanobuizen, grafeen, grafeen oxide, gouden nanodeeltjes en gerookt siliciumdioxide.

Ze bepaalden ook de mate waarin oppervlaktechemie de toxiciteit van sommige deeltjes beïnvloedde. Hoewel amine-gefunctionaliseerde meerwandige nanobuisjes zeer giftig bleken, gehydroxyleerde nanobuisjes hadden de minste toxiciteit, met aanzienlijke verschillen in conditie, lichaamslengte en levensduur.

Een complete en interactieve toxiciteitskaart voor alle geteste materialen is online beschikbaar.

Zhong zei dat de methode zijn waarde zou kunnen bewijzen als een snelle manier voor farmaceutische of andere bedrijven om het bereik van nanodeeltjes die ze duurder willen gebruiken, te verkleinen, speciale toxicologische testen.

"Volgende, we hopen omgevingsvariabelen aan de testen toe te voegen, bijvoorbeeld, om blootstelling aan ultraviolette straling of rivierwateromstandigheden in de oplossing na te bootsen om te zien hoe deze de toxiciteit beïnvloeden, " zei ze. "We willen ook het biologische mechanisme bestuderen waardoor sommige deeltjes giftig zijn voor wormen."