Een nanodeeltje dat veel wordt gebruikt in voedsel, cosmetica, zonnebrandcrème en andere producten kunnen subtiele effecten hebben op de activiteit van genen die enzymen tot expressie brengen die oxidatieve stress in twee soorten cellen aanpakken. Terwijl de titaniumdioxide (TiO2) nanodeeltjes als niet-toxisch worden beschouwd omdat ze cellen niet doden bij lage concentraties, deze cellulaire effecten zouden de bezorgdheid over langdurige blootstelling aan het nanomateriaal kunnen vergroten.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology gebruikten high-throughput screeningtechnieken om de effecten van titaniumdioxide-nanodeeltjes op de expressie van 84 genen die verband houden met cellulaire oxidatieve stress te bestuderen. Uit hun werk bleek dat zes genen, vier van hen uit een enkele genenfamilie, werden beïnvloed door een 24-uurs blootstelling aan de nanodeeltjes.

Het effect werd waargenomen bij twee verschillende soorten cellen die werden blootgesteld aan de nanodeeltjes:menselijke HeLa-kankercellen die vaak worden gebruikt in onderzoek, en een rij apenniercellen. Polystyreen nanodeeltjes die qua grootte en oppervlakte elektrische lading vergelijkbaar zijn met de titaniumdioxide nanodeeltjes, hadden geen vergelijkbaar effect op genexpressie.

"Dit is belangrijk omdat elke standaardmeting van celgezondheid aantoont dat cellen niet worden beïnvloed door deze titaniumdioxide-nanodeeltjes, " zei Christine Payne, een universitair hoofddocent aan de School of Chemistry and Biochemistry van Georgia Tech. "Onze resultaten laten zien dat er een subtielere verandering is in oxidatieve stress die schadelijk kan zijn voor cellen of kan leiden tot veranderingen op de lange termijn. Dit suggereert dat andere nanodeeltjes moeten worden gescreend op vergelijkbare effecten op laag niveau."

Het onderzoek werd op 6 mei online gerapporteerd in de Journal of Physical Chemistry C . Het werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (NIH) via het HERCULES Center aan de Emory University, en door een Vasser Woolley Fellowship.

Nanodeeltjes van titaniumdioxide helpen om donuts in poedervorm wit te maken, bescherm de huid tegen zonnestralen en weerkaats licht in geverfde oppervlakken. In veelgebruikte concentraties, ze worden als niet-toxisch beschouwd, hoewel verschillende andere onderzoeken bezorgdheid hebben geuit over mogelijke effecten op genexpressie die mogelijk niet direct van invloed zijn op de gezondheid van cellen op korte termijn.

Om te bepalen of de nanodeeltjes genen kunnen beïnvloeden die betrokken zijn bij het beheersen van oxidatieve stress in cellen, Payne en collega Melissa Kemp - een universitair hoofddocent bij de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering aan Georgia Tech en Emory University - ontwierpen een studie om de impact van het nanodeeltje op de twee cellijnen in grote lijnen te evalueren.

Werken met afgestudeerde studenten Sabiha Runa en Dipesh Khanal, ze incubeerden afzonderlijk HeLa-cellen en apenniercellen met titaniumoxide in niveaus die 100 keer lager waren dan de minimale concentratie waarvan bekend is dat ze effecten op de celgezondheid veroorzaakt. Na 24 uur incuberen van de cellen met TiO2, de cellen werden gelyseerd en hun inhoud werd geanalyseerd met behulp van zowel PCR- als Western Blot-technieken om de expressie van 84 genen te bestuderen die verband houden met het vermogen van de cellen om oxidatieve processen aan te pakken.

Payne en Kemp waren verrast om veranderingen te vinden in de expressie van zes genen, waaronder vier van de peroxiredoxine-familie van enzymen die cellen helpen waterstofperoxide af te breken, een bijproduct van cellulaire oxidatieprocessen. Te veel waterstofperoxide kan oxidatieve stress veroorzaken die DNA en andere moleculen kan beschadigen.

Het gemeten effect was significant - veranderingen van ongeveer 50 procent in enzymexpressie vergeleken met cellen die niet waren geïncubeerd met nanodeeltjes. De tests werden in drievoud uitgevoerd en leverden telkens vergelijkbare resultaten op.

"Een ding dat echt verrassend was, was dat deze hele familie van eiwitten werd aangetast, hoewel sommige up-gereguleerd waren en sommige down-gereguleerd, Kemp zei. "Dit waren allemaal verwante eiwitten, dus de vraag is waarom ze anders zouden reageren op de aanwezigheid van de nanodeeltjes."

De onderzoekers weten niet zeker hoe de nanodeeltjes zich aan de cellen binden, maar ze vermoeden dat het om de eiwitcorona gaat die de deeltjes omringt. De corona is opgebouwd uit serumeiwitten die normaal gesproken dienen als voedsel voor de cellen, maar adsorberen aan de nanodeeltjes in het kweekmedium. De corona-eiwitten hebben een beschermend effect op de cellen, maar kan ook dienen als een manier voor de nanodeeltjes om zich aan celreceptoren te binden.

Titaandioxide staat bekend om zijn fotokatalytische effecten onder ultraviolet licht, maar de onderzoekers denken niet dat dat hier een rol speelt omdat ze in omgevingslicht of in het donker hebben gekweekt. De afzonderlijke nanodeeltjes hadden een diameter van ongeveer 21 nanometer, maar in celkweek vormden veel grotere aggregaten.

Bij toekomstig werk, Payne en Kemp hopen meer te weten te komen over de interactie, inclusief waar de enzymproducerende eiwitten zich in de cellen bevinden. Daarom, ze kunnen HyPer-Tau gebruiken, een reporter-eiwit dat ze ontwikkelden om de locatie van waterstofperoxide in cellen te volgen.

Het onderzoek suggereert dat een herbeoordeling nodig kan zijn voor andere nanodeeltjes die subtiele effecten kunnen creëren, ook al zijn ze als veilig beschouwd.

"Eerder werk had gesuggereerd dat nanodeeltjes kunnen leiden tot oxidatieve stress, maar niemand had echt naar dit niveau gekeken en naar zoveel verschillende eiwitten tegelijk, " zei Payne. "Ons onderzoek keek naar zulke lage concentraties dat het vragen oproept over wat er nog meer zou kunnen worden beïnvloed. We hebben specifiek gekeken naar oxidatieve stress, maar er kunnen andere genen zijn die worden beïnvloed, te."

Die subtiele verschillen kunnen ertoe doen als ze worden toegevoegd aan andere factoren.

"Oxidatieve stress is betrokken bij allerlei ontstekings- en immuunreacties, "Kem merkte op. "Hoewel het titaniumdioxide alleen misschien de expressieniveaus van deze familie van eiwitten moduleert, als dat tegelijkertijd gebeurt, heb je om verschillende redenen andere vormen van oxidatieve stress, dan heb je misschien een cumulatief effect."