Een nieuwe studie vindt reden tot voorzichtigheid - een duidelijke opkomst van toxiciteit - in formuleringen van nanomaterialen, maar het biedt ook een vroege testtechniek die de industrie kan helpen vooruit te blijven gaan.

In een verrassende ontdekking, Chemici van de University of Oregon en toxicologen van de Oregon State University ontdekten dat biocompatibele gouden nanodeeltjes en veelgebruikte oppervlakteactieve stoffen - elk voorheen als veilig beschouwd als afzonderlijke componenten - giftig worden voor zebravisembryo's omdat ze op een synergetische manier combineren.

De synergetische, of multiplicatief effect, werd ontdekt bij het gebruik van een nieuw leveringssysteem tijdens het testen van nanomaterialen, merkte het vierkoppige onderzoeksteam op in een paper dat online werd geplaatst op 26 april en in print op 26 juni in ACS Nano .

"Jaren nadat we hadden aangetoond dat deze materialen de meest goedaardige en een van de minst giftige materialen waren die we ooit hebben gezien, we deden deze experimenten met de oppervlakteactieve stoffen en ontdekten dat, in dit geval, ze waren giftig, " zei co-auteur Jim Hutchison van de afdeling Scheikunde en Biochemie van de UO.

"Onze nieuwe studie geeft ons een wake-up call, " zei hij. "Dit is niet de eerste keer dat mensen mengseltoxiciteit hebben gezien, maar het herinnert ons er wel aan dat twee veilige dingen die door elkaar worden gemengd niet betekenen dat het mengsel veilig is."

Het is niet duidelijk, hij zei, als toxiciteit bij zebravissen een bedreiging voor de menselijke gezondheid suggereert.

In de kinderschoenen van nanotechnologie toxicologen leverden met de hand nanodeeltjes aan zebravissen met behulp van pipetten. Hutchison en OSU co-auteur Robert Tanguay hadden eerder ontdekt dat anorganische nanodeeltjes en oppervlakteactieve stoffen, individueel, waren niet giftig voor zebravissen.

Echter, een omschakeling naar automatisering - het gebruik van inkjetprinterachtige apparaten om snel materialen te injecteren waarbij kleine hoeveelheden oppervlakteactieve stof worden gebruikt om de grootte van de geleverde druppeltjes te regelen - bracht onvoorziene effecten met zich mee.

De nieuwe studie vond een sterftecijfer van 88 procent van zebravisembryo's die werden blootgesteld aan gouden nanodeeltjes gemengd met polysorbaat 20, terwijl pipetafgifte van de nanodeeltjes alleen resulteerde in slechts 3 procent toxiciteit.

Polysorbaten zijn oppervlakteactieve stoffen en emulgatoren die vaak worden gebruikt in wasmiddelen, zonnebrandcrèmes, cosmetica en ijs. Het team vond ook synergetische toxiciteit met behulp van twee andere veel voorkomende oppervlakteactieve stoffen, polysorbaat 80 en natriumdodecylsulfaat.

In het project, onderzochten de onderzoekers de toxiciteit van nanodeeltjes die waren onderzocht in het kader van het Safer Nanomaterials and Nanomanufacturing Initiative, die werd gefinancierd door het Air Force Research Laboratory. De National Science Foundation en National Institutes of Health ondersteunden het recente werk.

De oorzaak van de synergetische toxiciteit werd ontdekt toen materialen werden geanalyseerd met diffusie-geordende NMR-spectroscopie, een aanpassing van nucleaire magnetische resonantie die onthult hoe deeltjes bewegen, of diffuus, in oplossing.

Naarmate er steeds meer oppervlakteactieve stoffen werden toegevoegd, de onderzoekers zagen dat de deeltjes langzamer diffunderen omdat de oppervlakteactieve stof zich aan de buitenkant van de gouden nanodeeltjes verzamelt, leidend tot zowel verhoogde opname als toxiciteit, gedreven door oppervlaktestructuur, bij de zebravis.

"Onze NMR-methode stelde ons in staat om te stellen dat deze synergetische toxiciteit echt gerelateerd is aan de interactie van deze twee goedaardige materialen en dat het iets genereert dat giftiger is, ' zei Hutchison.

De snelle screening-aanpak die in het onderzoek is gebruikt, hij zei, zou kunnen dienen als een vroege screeningsmethode. Het zou aanpassingen in formuleringen of het herontwerp van individuele ingrediënten mogelijk maken voordat grote investeringen zijn gedaan, om ervoor te zorgen dat producten veilig zijn, zei Hutchison.

"Zebravissen hebben bewezen een krachtig screeningslaboratoriummodel met hoge doorvoer te zijn dat ons helpt snel te ontdekken of chemische mengsels gevaarlijk zijn, " zei Tanguay. "Het is geen mens, maar de biologische overeenkomsten tussen mens en zebravis zijn opmerkelijk groot, dus bevindingen bij zebravissen voorspellen vaak menselijke gevaren."

Hutchison en Tanguay staan ​​internationaal bekend als pioniers in het gebruik van groene chemie, ook wel duurzame chemie genoemd, bij het ontwerpen van nanodeeltjes. De techniek maakt gebruik van moleculaire ontwerpprincipes om veiligere chemicaliën te produceren, toxiciteit te verminderen en afval te minimaliseren.

Aurora L. Ginzburg, een UO-promovendus die werkt aan de synthese van gouden nanodeeltjes voor biomedische toepassingen, leidde de analyse-inspanningen met behulp van apparatuur in het UO's Center for Advanced Materials Characterization in Oregon, bekend als CAMCOR. Lisa Truong, adjunct-directeur van het Sinnhuber Aquatic Research Laboratory van OSU, was ook co-auteur. Haar focus ligt op het gebruik van het ontwikkelingszebravismodel om de veiligheid van chemicaliën en producten in de handel te beoordelen.