tusentals konsumentprodukter – inklusive kosmetika, solkrämer, och kläder – innehåller nanopartiklar som lagts till av tillverkare för att förbättra texturen, döda mikrober, eller förbättra hållbarheten, bland andra ändamål. Dock, flera studier har visat att vissa av dessa konstruerade nanopartiklar kan vara giftiga för celler.

En ny studie från MIT och Harvard School of Public Health (HSPH) tyder på att vissa nanopartiklar också kan skada DNA. Denna forskning leddes av Bevin Engelward, en professor i biologisk teknik vid MIT, och docent Philip Demokritou, chef för HSPH:s centrum för nanoteknologi och nanotoxikologi.

Forskarna fann att nanopartiklar av zinkoxid, används ofta i solskyddsmedel för att blockera ultravioletta strålar, skadar DNA avsevärt. Nanoskala silver, som har lagts till leksaker, tandkräm, Kläder, och andra produkter för dess antimikrobiella egenskaper, producerar också betydande DNA-skador, de hittade.

Resultaten, publicerades i ett nyligen utgivet nummer av tidskriften ACS Nano , förlitade sig på en höghastighetsscreeningsteknologi för att analysera DNA-skador. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att studera nanopartiklars potentiella faror i mycket snabbare takt och i större skala än vad som tidigare varit möjligt.

Food and Drug Administration kräver inte att tillverkare testar tillsatser i nanoskala för ett givet material om bulkmaterialet redan har visat sig vara säkert. Dock, det finns bevis för att nanopartikelformen hos vissa av dessa material kan vara osäkra:På grund av deras oerhört lilla storlek, dessa material kan uppvisa olika fysiska, kemisk, och biologiska egenskaper, och penetrera celler lättare.

"Problemet är att om en nanopartikel är gjord av något som anses vara ett säkert material, det anses vanligtvis säkert. Det finns människor där ute som är oroliga, men det är en tuff kamp för när de här sakerna går i produktion, det är väldigt svårt att ångra, " säger Engelward.

Forskarna fokuserade på fem typer av konstruerade nanopartiklar - silver, zinkoxid, järnoxid, ceriumoxid, och kiseldioxid (även känd som amorf kiseldioxid) - som används industriellt. Vissa av dessa nanomaterial kan producera fria radikaler som kallas reaktiva syrearter, som kan förändra DNA. När dessa partiklar väl kommer in i kroppen, de kan ackumuleras i vävnader, orsakar mer skada.

"Det är viktigt att övervaka och utvärdera toxiciteten eller farorna som dessa material kan ha. Det finns så många variationer av dessa material, i olika storlekar och former, och de införlivas i så många produkter, " säger Christa Watson, en postdoc vid HSPH och tidningens huvudförfattare. "Denna toxikologiska screeningplattform ger oss en standardiserad metod för att bedöma de konstruerade nanomaterial som utvecklas och används för närvarande."

Forskarna hoppas att denna screeningteknik också kan användas för att designa säkrare former av nanopartiklar; de arbetar redan med partners inom industrin för att konstruera säkrare UV-blockerande nanopartiklar. Demokritous labb visade nyligen att beläggning av zinkoxidpartiklar med ett nanottunt lager av amorf kiseldioxid kan minska partiklarnas förmåga att skada DNA.

Snabb analys

Tills nu, de flesta studier av nanopartikeltoxicitet har fokuserat på cellöverlevnad efter exponering. Mycket få har undersökt genotoxicitet, eller förmågan att skada DNA – ett fenomen som inte nödvändigtvis dödar en cell, men en som kan leda till cancermutationer om skadan inte repareras.

Ett vanligt sätt att studera DNA-skador i celler är den så kallade "kometanalysen, " uppkallad efter det kometformade utstryk som skadat DNA bildas under testet. Proceduren är baserad på gelelektrofores, ett test där ett elektriskt fält appliceras på DNA placerat i en matris, tvingar DNA:t att röra sig över gelén. Under elektrofores, skadat DNA färdas längre än oskadat DNA, producerar en komet-svansform.

Att mäta hur långt DNA kan färdas avslöjar hur mycket DNA-skada som har uppstått. Denna procedur är mycket känslig, men också väldigt jobbigt.

2010, Engelward och MIT-professorn Sangeeta Bhatia utvecklade en mycket snabbare version av kometanalysen, känd som CometChip. Med hjälp av mikrotillverkningsteknik, enstaka celler kan fångas i små mikrobrunnar i matrisen. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att bearbeta så många som 1, 000 prover under den tid som det brukade ta för att bearbeta bara 30 prover – vilket gör det möjligt för forskare att testa dussintals experimentella förhållanden åt gången, som kan analyseras med hjälp av bildbehandlingsprogram.

Wolfgang Kreyling, en epidemiolog vid det tyska forskningscentret för miljöhälsa som inte var involverad i studien, säger att den här tekniken borde hjälpa toxikologer att komma ikapp den snabba utbyggnaden av konstruerade nanopartiklar (ENP).

"Skärningsplattformar med hög genomströmning behövs desperat, " Kreyling säger. "Det föreslagna tillvägagångssättet kommer inte bara att vara ett viktigt verktyg för nanotoxikologer som utvecklar screeningstrategier med hög genomströmning för bedömning av möjliga negativa hälsoeffekter i samband med ENP, men också av stor betydelse för materialforskare som arbetar med utvecklingen av nya ENP och säkrare-by-design-metoder."

Med hjälp av CometChip, forskarna från MIT och HSPH testade nanopartiklarnas effekter på två typer av celler som vanligtvis används för toxicitetsstudier:en typ av mänskliga blodkroppar som kallas lymfoblastoider, och en odödlig rad av äggstocksceller från kinesisk hamster.

Zinkoxid och silver producerade den största DNA-skadan i båda cellinjerna. Vid en koncentration av 10 mikrogram per milliliter – en dos som inte är tillräckligt hög för att döda alla celler – genererade dessa ett stort antal enkelsträngade DNA-avbrott.

Kiseldioxid, som vanligtvis tillsätts under livsmedels- och läkemedelsproduktion, genererade mycket låga nivåer av DNA-skador. Järnoxid och ceriumoxid visade också låg genotoxicitet.

Hur mycket är för mycket?

Fler studier behövs för att avgöra hur mycket exponering för metalloxidnanopartiklar kan vara osäker för människor, säger forskarna.

"Den största utmaningen vi har som människor som är intresserade av exponeringsbiologi är att bestämma när något är farligt och när är det inte, baserat på dosnivån. På låga nivåer, förmodligen är dessa saker bra, ", säger Engelward. "Frågan är:På vilken nivå blir det problematiskt, och hur lång tid tar det för oss att märka det?"

Ett av de områden som ger störst oro är yrkesmässig exponering för nanopartiklar, säger forskarna. Barn och foster löper också potentiellt större risk eftersom deras celler delar sig oftare, gör dem mer sårbara för DNA-skador.

De vanligaste vägarna som konstruerade nanopartiklar följer in i kroppen är genom huden, lungor, och magen, så forskarna undersöker nu nanopartiklars genotoxicitet på dessa celltyper. De studerar också effekterna av andra konstruerade nanopartiklar, inklusive metalloxider som används i toner för skrivare och kopiatorer, som kan bli luftburet och komma in i lungorna.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.