Lågkostnadsexperiment för att testa toxiciteten hos nanomaterial fokuserade på populationer av rundmaskar. Rice University-forskare kunde testa 20 nanomaterial på kort tid, och se deras metod som ett sätt att avgöra vilka nanomaterial som bör genomgå mer omfattande tester. Kredit:Zhong Lab/Rice University
Den låga spolmasken är stjärnan i ett ambitiöst Rice University-projekt för att mäta toxiciteten hos nanopartiklar.
Den låga kostnaden, högkapacitetsstudie av risforskarna Weiwei Zhong och Qilin Li mäter effekterna av många typer av nanopartiklar, inte bara på enskilda organismer utan också på hela populationer.
Risforskarna testade 20 typer av nanopartiklar och fastställde att fem, inklusive kol-60-molekylerna ("buckyballs") som upptäcktes vid Rice 1985, visade liten eller ingen toxicitet.
Andra var måttligt eller mycket giftiga för Caenorhabditis elegans , flera generationer av vilka forskarna observerade att de såg partiklarnas effekter på deras hälsa.
Resultaten publicerades av tidskriften American Chemical Society Miljövetenskap och teknik . De finns också tillgängliga på forskarnas webbsida med öppen källkod.
"Nanopartiklar är i grunden nya material, och vi vet inte mycket om vad de kommer att göra med människors hälsa och ekosystemets hälsa, sa Li, en docent i civil- och miljöteknik och i materialvetenskap och nanoteknik. "Det har funnits många publikationer som visar att vissa nanomaterial är mer giftiga än andra. Så innan vi tillverkar fler produkter som innehåller dessa nanomaterial, det är viktigt att vi förstår att vi inte lägger något giftigt i miljön eller i konsumentprodukter.
"Frågan är, Hur mycket kostnad kan vi bära?" sa hon. "Det är en lång och dyr process att göra en grundlig toxikologisk studie av vilken kemikalie som helst, inte bara nanomaterial." Hon sa att på grund av det stora utbudet av nanomaterial som produceras i hög hastighet och i så stor skala, det finns "ett akut behov av screeningtekniker med hög genomströmning för att prioritera vilka som ska studeras mer omfattande."
Rice University postdoktorala forskare Sang-Kyu Jung kontrollerar en analys av rundmaskar som de som används för att testa nanopartiklar för toxicitet. Risforskare har utvecklat en låg kostnad, högkapacitetssystem som skulle kunna minska kostnaderna för att bestämma vilka nanopartiklar som bör studeras vidare för tillämpningar och för deras effekter på miljön. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Rices pilotstudie visar att det är möjligt att samla in mycket toxicitetsdata till låg kostnad, sa Zhong, en biträdande professor i biovetenskap, som har utfört omfattande studier på C. elegans , särskilt på deras gennätverk. Enbart material för varje analys, inklusive maskarna och bakterierna de konsumerade och odlingsmediet, kostar ca 50 cent, Hon sa.
Forskarna använde fyra analyser för att se hur maskar reagerar på nanopartiklar:fitness, rörelse, tillväxt och livslängd. Den mest känsliga analysen av toxicitet var kondition. I detta test, forskarna blandade nanopartiklarna i lösningar med de bakterier som maskar konsumerar. Att mäta hur mycket bakterier de åt över tid fungerade som ett mått på maskarnas "kondition".
"Om maskarnas hälsa påverkas av nanopartiklarna, de reproducerar sig mindre och äter mindre, " sa Zhong. "I fitnessanalysen, vi övervakar maskarna i en vecka. Det är tillräckligt länge för att vi ska kunna övervaka toxicitetseffekter ackumulerade genom tre generationer av maskar." C. elegans har en livscykel på cirka tre dagar, och eftersom var och en kan få många avkommor, en befolkning som började vid 50 skulle vara mer än 10, 000 efter en vecka. Ett så stort antal testade djur gjorde det också möjligt för fitnessanalysen att vara mycket känslig.
Forskarnas "QuantWorm"-system möjliggjorde snabb övervakning av maskens kondition, rörelse, tillväxt och livslängd. Faktiskt, övervakning av maskarna var förmodligen den minst tidskrävande delen av projektet. Varje nanomaterial krävde specifik förberedelse för att säkerställa att det var lösligt och kunde levereras till maskarna tillsammans med bakterierna. De kemiska egenskaperna hos varje nanomaterial behövde också karakteriseras i detalj.
Forskarna studerade ett representativt urval av tre klasser av nanopartiklar:metall, metalloxider och kolbaserade. "Vi gjorde inte polymera nanopartiklar eftersom den typ av polymerer du möjligen kan ha är oändlig, " förklarade Li.
De undersökte toxiciteten hos varje nanopartikel vid fyra koncentrationer. Deras resultat visade C-60 fullerener, fullerol (ett fullerenderivat), titandioxid, titandioxiddekorerade nanorör och ceriumdioxid var de minst skadliga för maskpopulationer.
Deras "fitness"-analys bekräftade dosberoende toxicitet för kimrök, enkel- och flerväggiga kolnanorör, grafen, grafenoxid, guld nanopartiklar och pyrogen kiseldioxid.
De bestämde också i vilken grad ytkemi påverkade toxiciteten hos vissa partiklar. Medan aminfunktionaliserade flerväggiga nanorör visade sig vara mycket giftiga, hydroxylerade nanorör hade minst toxicitet, med betydande skillnader i kondition, kroppslängd och livslängd.
Ett komplett och interaktivt toxicitetsdiagram för alla testade material finns tillgängligt online.
Zhong sa att metoden skulle kunna bevisa sitt värde som ett snabbt sätt för läkemedel eller andra företag att begränsa utbudet av nanopartiklar som de vill sätta igenom dyrare, dedikerade toxikologiska tester.
"Nästa, vi hoppas kunna lägga till miljövariabler till analyserna, till exempel, att efterlikna ultraviolett exponering eller flodvattenförhållanden i lösningen för att se hur de påverkar toxiciteten, ", sa hon. "Vi vill också studera den biologiska mekanismen genom vilken vissa partiklar är giftiga för maskar."
