Wetenschappers hebben aangetoond dat een proces dat bekend staat als oxidatieve stress aan het werk is tijdens ontmoetingen tussen bepaalde nanodeeltjes en immuuncellen, selectief modificeren van eiwitten op macrofagen, een soort immuuncel. De bevindingen, door onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy, werden gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Hoewel oxidatieve stress een veel voorkomende manier is waarop celbeschadiging optreedt, de bevindingen waren in sommige opzichten een verrassing.

"Oxidatieve stress treedt selectief op, zelfs bij lage niveaus van blootstelling aan nanodeeltjes, " zei Brian Thrall, een nanotoxicologie-expert bij PNNL en een corresponderende auteur van het onderzoek. "We hebben een benadering aangetoond die gevoelig genoeg is om effecten van nanodeeltjes op macrofagen te detecteren lang voordat die cellen afsterven. Dit geeft ons de mogelijkheid om de meest gevoelige cellulaire doelen van oxidatieve stress en de betrokken routes vollediger dan voorheen te begrijpen.

"Dit is belangrijke informatie om te begrijpen hoe nanodeeltjes de celfunctie kunnen veranderen en om functies te identificeren die cellen in staat stellen zich aan te passen versus die welke mogelijk betrokken zijn bij nadelige effecten, ’ voegde Thral toe.

Nanodeeltjes zijn doorgaans kleiner dan 100 nanometer breed, minder dan een duizendste van de breedte van een mensenhaar. Als een standaard basketbal zou worden opgeblazen tot de grootte van de aarde, een proportioneel vergroot nanodeeltje zou in vergelijking ongeveer zo groot zijn als een strandbal. De deeltjes worden breed gebruikt in biomedische toepassingen, kleding, de elektronica-industrie, cosmetica, voedselverpakkingen en zonnebrandmiddelen; ze zijn ook een onderdeel van vele vormen van luchtvervuiling.

Omdat wetenschappers hun vermogen hebben verfijnd om een ​​verscheidenheid aan nanodeeltjes te maken die worden gebruikt in gefabriceerde goederen, er is een grotere behoefte om hun mogelijke effecten te bestuderen. Vaak, deze studies kijken of blootstelling aan de deeltjes al dan niet leidt tot celdood. Het PNNL-onderzoek is genuanceerder, dieper ingaan op specifieke eiwitten in cellen die het doelwit zijn van oxidatieve schade veroorzaakt door nanodeeltjes.

"Deze studie toont aan dat sommige nanodeeltjes die we als niet-toxisch beschouwen, veel effecten kunnen hebben op macrofagen, " zei analytisch chemicus Wei-Jun Qian, ook een corresponderende auteur van de studie.

De bevindingen zijn afhankelijk van een methode die onlangs door wetenschappers van PNNL is ontwikkeld om eiwitoxidatie te meten op zeer specifieke plaatsen in cellen zoals macrofagen. Qian ontwikkelde een zeer gevoelige maatstaf voor eiwitmodificaties in cellen om wetenschappers in staat te stellen naar specifieke plaatsen in de cel te kijken waar wetenschappers weten dat bepaalde functies worden uitgevoerd. De methode, bekend als een kwantitatieve redox-proteomics-benadering, maakt gebruik van een geavanceerde massaspectrometer om gelijktijdig duizenden locaties te bekijken die betrokken zijn bij redoxreacties.

De teams van Thrall en Qian werkten samen om wijzigingen in alle eiwitten in muizencellen te analyseren. De groep keek naar de effecten van drie soorten nanodeeltjes die variëren in hun potentieel om oxidatieve stress en celdood te veroorzaken:

• Siliciumoxide, ook bekend als amorf silica, welke wetenschappers beschouwen als een nanodeeltje met lage toxiciteit;
• Ijzeroxide, die matige oxidatieve stress veroorzaakt, maar over het algemeen niet voldoende is om cellen te doden;
• Kobaltoxide, die hoge niveaus van oxidatieve stress veroorzaakt en ook celdood en longtoxiciteit kan veroorzaken.

Het team heeft meer dan 2, 000 cellulaire hotspots waar een proces dat bekend staat als S-glutathionylatie, een specifiek type eiwitmodificatie waarvan bekend is dat het betrokken is bij immuunfuncties wanneer een cel onder oxidatieve stress staat, komt voor.

In macrofagen die worden blootgesteld aan nanodeeltjes, het team vond moleculaire "voetafdrukken" van activiteit - een toename van S-glutathionylering. Echter, het specifieke patroon van oxidatieve modificaties op eiwitten varieerde afhankelijk van het type nanodeeltje. Door naar deze aanpassingen te kijken, onderzoekers waren in staat om specifieke moleculaire routes te identificeren die het meest gevoelig waren voor lage niveaus van oxidatieve stress, en die te onderscheiden van andere routes die werden geassocieerd met hoge niveaus van oxidatieve stress die verband houden met celdood.

Het idee dat een nanodeeltje de macrofagen van het lichaam zou beschadigen, is geen verrassing:macrofagen zijn de eerste hulpverleners van het lichaam als het gaat om het herkennen en neutraliseren van een indringer. Sommige nanodeeltjes kunnen het vermogen van macrofagen om te herkennen, vasthouden en verzwelgen de deeltjes.

Twee jaar geleden, Het team van Thrall toonde aan dat wanneer macrofagen worden blootgesteld aan nanodeeltjes, de cellen werken minder goed en zijn minder goed in staat om Streptococcus-pneumonie te herkennen en te verwijderen, de belangrijkste oorzaak van buiten het ziekenhuis opgelopen longontsteking. Het patroon van eiwitveranderingen dat in dit onderzoek is geïdentificeerd, biedt nieuwe aanwijzingen voor de soorten nanodeeltjes die deze effecten veroorzaken en de eiwitten die erbij betrokken zijn.

Qian ontwikkelde de methode als onderdeel van zijn werk om redoxreacties te bestuderen die een belangrijke rol spelen bij het reguleren van fotosynthese in planten. Begrijpen hoe planten vangen, het verwerken en geleiden van de energie van de zon helpt wetenschappers op natuurlijke wijze om efficiënte nieuwe energiesystemen te ontwikkelen om hetzelfde te doen. Qian heeft het systeem gebruikt om meer dan 2 te ontdekken, 100 moleculaire locaties waar redoxreacties kunnen optreden in cyanobacteriën, die belangrijk zijn voor de productie van biobrandstoffen.