Metalen nanomaterialen zijn een onmisbaar onderdeel geworden van industriële en medische velden vanwege hun unieke en veelzijdige eigenschappen. Hun omvang, die hen de gewenste fysiochemische eigenschappen verleent, is ook de reden voor bezorgdheid over het milieu en de gezondheid. De nanodeeltjes in nanomaterialen hebben een hoge reactiviteit ten opzichte van biomoleculen en vaak zelfs toxiciteit ten opzichte van biologische cellen vertoond.

Wetenschappers hebben dit gedrag van metalen nanodeeltjes in interactie met biomoleculen toegeschreven aan verschijnselen als ontstekingen of oxidatieve stress. Om het veilige gebruik van metalen nanodeeltjes te garanderen, is het echter nodig om de moleculaire mechanismen te onderzoeken die verantwoordelijk zijn voor de toxiciteit en om te begrijpen hoe de opname van nanodeeltjes door cellen varieert op basis van hun vorm, grootte, morfologie en andere aspecten.

Om licht te werpen op deze kwestie hebben assistent-professor Yu-ki Tanaka en prof. Yasumitsu Ogra, beiden van de Graduate School of Pharmaceutical Sciences van de Chiba Universiteit, nu de cellulaire inname van silica nanodeeltjes (SiNPs) geschat op basis van hun grootte.

In hun recente doorbraak gepubliceerd in Archives of Toxicology ontwikkelden de onderzoekers een AF4-ICP-MS-systeem (assymetrische stroomveldstroomfractionering met inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie), dat SiNP's van vijf verschillende groottes (10, 30, 50, 70 en 100 nm) scheidde en kwantitatieve beoordeling mogelijk maakte van cytotoxiciteit van SiNP's in HepG2-cellen.

"SiNP's hebben momentum gewonnen op verschillende gebieden, zoals medicijnafgifte, biomedische beeldvorming, katalysatoren en milieusanering voor het verwijderen van verontreinigende stoffen uit water en bodem. Er bestaat echter ook grote bezorgdheid over de milieutoxiciteit en de potentiële impact op levende organismen, " zegt Dr. Tanaka toen hem werd gevraagd naar de motivatie achter dit onderzoek.

"Dus, om een ​​oplossing te vinden voor de wisselwerking tussen industriële beschikbaarheid en toxiciteit, hebben we besloten een techniek te ontwikkelen om de potentiële nadelige effecten van SiNP's te begrijpen door kwantitatieve gegevens over cellulaire opname en toxicologische reacties te combineren."

Grootte-analysetechnieken zoals elektronenmicroscopie en lasergebaseerde dynamische lichtverstrooiing slaagden er niet in om nanodeeltjesspecimens in diepe lagen waar te nemen en de chemische samenstelling van de nanodeeltjes op te helderen. Om deze problemen tegen te gaan, heeft het team de nieuwe AF4-ICP-MS-grootteanalysetechniek toegepast, die niet alleen deze problemen overwon, maar ook nanodeeltjes met een grootte van slechts 10 nm detecteerde. Dit zou niet mogelijk zijn geweest met conventionele ICP-MS-methoden.

Het team gebruikte de op AF4 gebaseerde methode om de cellulaire opname van SiNP's in in het laboratorium gekweekte menselijke hepatoom HepG2-cellen te evalueren. Uit de metingen bleek dat ongeveer 17% van de aan de HepG2-cellen blootgestelde SiNP's werd geabsorbeerd. De door het team uitgevoerde transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) observeerde de aanwezigheid van SiNP-aggregaten in de cellen, wat aangeeft dat kleine nanodeeltjes zich in het kweekmedium kunnen nestelen en gemakkelijk de cellen kunnen binnendringen.

"We ontdekten dat de kleinere SiNP's een hogere toxiciteit ten opzichte van de HepG2-cellen vertoonden dan de grotere, maar de AF4-ICP-MS-analyse vond geen significant grootte-afhankelijk verschil in het deeltjesvolume dat door de cellen werd geabsorbeerd", merkt Dr. Tanaka op, waarbij hij benadrukt de uitkomsten van de toxiciteitsexperimenten. Deze resultaten suggereerden dat het verhoogde cytotoxische gedrag van de kleine SiNP's geworteld was in het grote oppervlak in verhouding tot het deeltjesvolume in vergelijking met de grotere.

De onderzoekers onderzochten ook de chemische mechanismen die verband houden met cytotoxiciteit. De gegevens gaven aan dat celnecrose gedeeltelijk verband hield met oxidatieve stress veroorzaakt door de productie van reactieve zuurstofsoorten (ROS). Bovendien waren interacties van de silanolgroepen op het SiNP-oppervlak en fosfolipiden in het celmembraan verantwoordelijk voor de bijbehorende celschade.

Over het geheel genomen presenteren de resultaten de nieuwe AF4-ICP-MS-techniek als een krachtig hulpmiddel voor het kwantitatief bepalen van de cytotoxiciteit veroorzaakt door metalen nanodeeltjes van verschillende groottes. De inzichten uit dit onderzoek bieden ook een solide basis voor toekomstige onderzoeken naar de evaluatie van de risico's van blootstelling aan nanodeeltjes en hun potentiële belasting voor het menselijk lichaam.

"Het doel van ons onderzoek was om een ​​gemakkelijke analysetechniek te bedenken die zou helpen bij de missie om potentiële gezondheidsschade door nanodeeltjes te minimaliseren. We hebben goede hoop dat de toxicologische informatie uit ons onderzoek zal helpen bij het vaststellen van criteria voor het juiste gebruik en de regulering van nanodeeltjes in de industrie, de medische wereld en zelfs in artikelen voor dagelijks gebruik die nanodeeltjes bevatten", besluit Dr. Tanaka.

Meer informatie: Yu-ki Tanaka et al., Kwantitatieve bepaling van de intracellulaire opname van silica-nanodeeltjes met behulp van asymmetrische stroomveldstroomfractionering gekoppeld aan ICP-massaspectrometrie en hun cytotoxiciteit in HepG2-cellen, Archives of Toxicology (2024). DOI:10.1007/s00204-023-03672-4

Aangeboden door Chiba Universiteit