All spänning kring nanoteknik kommer ner till detta:Strukturer av material i en skala av miljarddels meter får ovanliga egenskaper. Teknologer fokuserar ofta på det lyckligare bland dessa nyfunna förmågor, men ny forskning av ett tvärvetenskapligt team av forskare vid Brown University finner att nanopartiklar av nickel aktiverar en cellulär väg som bidrar till cancer i mänskliga lungceller.

"Nanoteknik har en enorm potential och löfte för många applikationer, sa Agnes Kane, ordförande för Institutionen för patologi och laboratoriemedicin vid Warren Alpert Medical School vid Brown University. "Men lärdomen är att vi måste lära oss för att kunna designa dem mer intelligent och, om vi känner igen de potentiella farorna, att vidta lämpliga försiktighetsåtgärder."

Kane är seniorförfattaren till studien publicerad i förväg online denna månad i tidskriften Toxikologiska vetenskaper.

Nickelnanopartiklar hade redan visat sig vara skadliga, men inte när det gäller cancer. Kane och hennes team av patologer, ingenjörer och kemister hittade bevis för att joner på ytan av partiklarna frigörs inuti mänskliga epiteliala lungceller för att starta en väg som kallas HIF-1 alfa. Normalt hjälper vägen att trigga gener som stödjer en cell i tider med låg syretillförsel, ett problem som kallas hypoxi, men det är också känt för att uppmuntra tumörcelltillväxt.

"Nickel utnyttjar denna väg, genom att det lurar cellen att tro att det finns hypoxi men det är verkligen en nickeljon som aktiverar denna väg, sa Kane, vars arbete stöds av ett National Institutes of Health Superfund Research Program Grant. "Genom att aktivera denna väg kan det ge premaligna tumörceller ett försprång."

Storlek spelar roll

Forskargruppen, leds av postdoktoral forskarassistent och första författare Jodie Pietruska, exponerade mänskliga lungceller för partiklar i nanoskala av metalliskt nickel och nickeloxid, och större partiklar i mikroskala av metalliskt nickel. En viktig upptäckt är att medan de mindre partiklarna sätter igång HIF-1 alfa-vägen, de större metalliska nickelpartiklarna visade sig vara mycket mindre problematiska.

Med andra ord, att komma ner till nanoskalan gjorde de metalliska nickelpartiklarna mer skadliga och potentiellt cancerframkallande. Kane sa att anledningen kan vara att för samma mängd metall i massa, partiklar i nanoskala exponerar mycket mer yta och det gör dem mycket mer kemiskt reaktiva än partiklar i mikroskala.

Ett annat viktigt resultat från arbetet är data som visar en stor skillnad i hur nickelnanopartiklar och nickeloxidnanopartiklar reagerar med celler, sa Pietruska. Nickeloxidpartiklarna är så dödliga att cellerna som exponerats för dem dog snabbt, lämnar ingen möjlighet för cancer att utvecklas. Metalliska nickelpartiklar, å andra sidan, var mindre benägna att döda cellerna. Det kan tillåta hypoxivägen att leda till att cellen blir cancerös.

"Det som är oroande är att nanopartiklarna av metalliskt nickel orsakade ihållande aktivering men de var mindre cytotoxiska, "Sade Pietruska. "Självklart kan en död cell inte omvandlas."

Även om Kane sa att resultaten borde väcka tydliga farhågor om hantering av nickelnanopartiklar, till exempel för att förhindra luftburen exponering för dem vid tillverkning, de är inte allt som behövs för att orsaka cancer. Cancer beror vanligtvis på ett antal olyckliga förändringar, sa Kane. Också, Hon sa, studien tittade på de kortsiktiga effekterna av exponering av nickelnanopartiklar i celler i ett labb, snarare än på lång sikt i en hel organism.

Fortfarande, i sitt labb använder Kane betydande skyddsåtgärder för att hålla forskare säkra.

"Vi hanterar alla dessa material under biosäkerhetsnivå 2 inneslutningsförhållanden, " sa hon. "Jag vill inte att någon avslöjas. Vi hanterar dem som om de vore ett luftburet cancerframkallande ämne."