Forskare har visat att en process som kallas oxidativ stress pågår under möten mellan vissa nanopartiklar och immunceller, selektivt modifiera proteiner på makrofager, en typ av immuncell. Resultaten, av forskare vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, publicerades i tidskriften ACS Nano .

Även om oxidativ stress är ett vanligt sätt för cellskador att uppstå, fynden var en överraskning på något sätt.

"Oxidativ stress förekommer selektivt även vid låga nivåer av exponering för nanopartiklar, sa Brian Thrall, en nanotoxikologiexpert vid PNNL och en motsvarande författare till studien. "Vi har visat ett tillvägagångssätt som är tillräckligt känsligt för att upptäcka effekter av nanopartiklar på makrofager långt innan dessa celler dör. Detta ger oss möjlighet att förstå de mest känsliga cellulära målen för oxidativ stress och de inblandade vägarna mer fullständigt än tidigare.

"Detta är viktig information för att förstå hur nanopartiklar kan förändra cellfunktioner och för att börja identifiera funktioner som tillåter celler att anpassa sig jämfört med de som potentiellt är involverade i negativa effekter, " lade Thrall till.

Nanopartiklar är vanligtvis mindre än 100 nanometer breda, mindre än en tusendels bredd av ett människohår. Om en vanlig basketboll skulle sprängas till jordens storlek, en proportionellt förstorad nanopartikel skulle vara ungefär lika stor som en badboll i jämförelse. Partiklarna används brett i biomedicinska tillämpningar, Kläder, elektronikindustrin, kosmetika, livsmedelsförpackningar och solskyddsmedel; de är också en komponent i många former av luftföroreningar.

Eftersom forskare har förfinat sin förmåga att tillverka en mångfald av nanopartiklar som används i tillverkade varor, det finns ett större behov av att studera deras potentiella effekter. Ofta, dessa studier tittar på huruvida exponering för partiklarna leder till celldöd eller inte. PNNL-studien är mer nyanserad, tittar mer på djupet på specifika proteiner i celler som är målen för oxidativ skada orsakad av nanopartiklar.

"Denna studie visar att vissa nanopartiklar som vi anser vara giftfria kan ha många effekter på makrofager, " sa analytisk kemist Wei-Jun Qian, också en motsvarande författare till studien.

Resultaten beror på en metod som nyligen utvecklats av PNNL-forskare för att mäta proteinoxidation på mycket specifika platser i celler som makrofager. Qian utvecklade ett mycket känsligt mått på proteinmodifieringar i celler för att göra det möjligt för forskare att titta på specifika platser i cellen där forskarna vet att vissa funktioner utförs. Metoden, känd som en kvantitativ redoxproteomik-metod, använder en avancerad masspektrometer för att titta på tusentals platser som är involverade i redoxreaktioner samtidigt.

Thralls och Qians team arbetade tillsammans för att analysera modifieringar i alla proteiner i musceller. Gruppen tittade på effekterna av tre typer av nanopartiklar som varierar i deras potential att orsaka oxidativ stress och celldöd:

• Kiseloxid, även känd som amorf kiseldioxid, vilka forskare anser vara en nanopartikel med låg toxicitet;
• Järnoxid, som orsakar måttliga nivåer av oxidativ stress men är i allmänhet inte tillräckligt för att döda celler;
• Koboltoxid, som orsakar höga nivåer av oxidativ stress och kan också orsaka celldöd och lungtoxicitet.

Teamet tittade noga på mer än 2, 000 cellulära hotspots där en process känd som S-glutationylering, en specifik typ av proteinmodifiering som är känd för att vara involverad i immunfunktioner när en cell är under oxidativ stress, inträffar.

I makrofager som exponeras för nanopartiklar, teamet fann molekylära "fotspår" av aktivitet - en ökning av S-glutationylering. Dock, det specifika mönstret av oxidativa modifieringar på proteiner varierade beroende på typen av nanopartikel. Genom att titta på dessa ändringar, forskare kunde identifiera specifika molekylära vägar som var mest känsliga för låga nivåer av oxidativ stress, och skilja de från andra vägar som var associerade med höga nivåer av oxidativ stress kopplat till celldöd.

Tanken att en nanopartikel skulle skada kroppens makrofager är ingen överraskning:Makrofager är kroppens första reagerare när det gäller att känna igen och neutralisera en inkräktare. Vissa nanopartiklar kan försvaga makrofagers förmåga att känna igen, hålla fast i och uppsluka partiklarna.

Två år sedan, Thralls team visade att när makrofager exponeras för nanopartiklar, cellerna fungerar inte lika bra och kan inte känna igen och ta bort Streptococcus pneumonia, den främsta orsaken till samhällsförvärvad lunginflammation. Mönstret av proteinförändringar som identifierats i denna studie ger nya ledtrådar till de typer av nanopartiklar som orsakar dessa effekter och de involverade proteinerna.

Qian utvecklade metoden som en del av sitt arbete med att studera redoxreaktioner som spelar en viktig roll för att reglera fotosyntesen i växter. Förstå hur växter fångar, bearbeta och kanal solens energi hjälper naturligtvis forskare att utveckla effektiva nya energisystem för att göra detsamma. Qian har använt systemet för att upptäcka mer än 2, 100 molekylära platser där redoxreaktioner sannolikt kommer att inträffa i cyanobakterier, som är viktiga för att producera biobränslen.