En nanopartikel som ofta används i mat, kosmetika, solskyddsmedel och andra produkter kan ha subtila effekter på aktiviteten hos gener som uttrycker enzymer som adresserar oxidativ stress inuti två typer av celler. Medan titandioxid (TiO2) nanopartiklar anses vara giftfria eftersom de inte dödar celler i låga koncentrationer, dessa cellulära effekter kan öka oron för långvarig exponering för nanomaterialet.

Forskare vid Georgia Institute of Technology använde screeningtekniker med hög genomströmning för att studera effekterna av titandioxidnanopartiklar på uttrycket av 84 gener relaterade till cellulär oxidativ stress. Deras arbete fann att sex gener, fyra av dem från en enda genfamilj, påverkades av en 24-timmars exponering för nanopartiklarna.

Effekten sågs i två olika typer av celler som exponerades för nanopartiklarna:mänskliga HeLa-cancerceller som vanligtvis används i forskning, och en rad njurceller från apan. Polystyrennanopartiklar som i storlek och elektrisk laddning på ytan liknar titandioxidnanopartiklarna gav inte en liknande effekt på genuttryck.

"Detta är viktigt eftersom varje standardmått på cellhälsa visar att celler inte påverkas av dessa titandioxid nanopartiklar, sa Christine Payne, en docent vid Georgia Techs School of Chemistry and Biochemistry. "Våra resultat visar att det finns en mer subtil förändring i oxidativ stress som kan vara skadlig för celler eller leda till långsiktiga förändringar. Detta tyder på att andra nanopartiklar bör screenas för liknande lågnivåeffekter."

Forskningen rapporterades online 6 maj i Journal of Physical Chemistry C . Arbetet stöddes av National Institutes of Health (NIH) genom HERCULES Center vid Emory University, och av ett Vasser Woolley Fellowship.

Titandioxid nanopartiklar hjälper till att göra munkar i pulverform vita, skydda huden från solens strålar och reflektera ljus i målade ytor. I vanliga koncentrationer, de anses vara giftfria, även om flera andra studier har väckt oro över potentiella effekter på genuttryck som kanske inte direkt påverkar cellers kortsiktiga hälsa.

För att avgöra om nanopartiklarna kan påverka gener som är involverade i att hantera oxidativ stress i celler, Payne och kollegan Melissa Kemp – en docent vid Wallace H. Coulters avdelning för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University – designade en studie för att brett utvärdera nanopartikelns inverkan på de två cellinjerna.

Arbetar med doktorander Sabiha Runa och Dipesh Khanal, de inkuberade separat HeLa-celler och apnjurceller med titanoxid i nivåer 100 gånger lägre än den lägsta koncentration som är känd för att initiera effekter på cellhälsan. Efter att ha inkuberat cellerna i 24 timmar med TiO2, cellerna lyserades och deras innehåll analyserades med både PCR och Western Blot-tekniker för att studera uttrycket av 84 gener associerade med cellernas förmåga att hantera oxidativa processer.

Payne och Kemp blev förvånade över att hitta förändringar i uttrycket av sex gener, inklusive fyra från peroxiredoxinfamiljen av enzymer som hjälper celler att bryta ned väteperoxid, en biprodukt av cellulära oxidationsprocesser. För mycket väteperoxid kan skapa oxidativ stress som kan skada DNA och andra molekyler.

Den uppmätta effekten var signifikant – förändringar på cirka 50 procent i enzymuttryck jämfört med celler som inte hade inkuberats med nanopartiklar. Testerna utfördes i tre exemplar och gav liknande resultat varje gång.

"En sak som verkligen var förvånande var att hela denna familj av proteiner påverkades, även om vissa var uppreglerade och vissa var nedreglerade, " sa Kemp. "Dessa var alla relaterade proteiner, så frågan är varför de skulle reagera annorlunda på närvaron av nanopartiklar."

Forskarna är inte säkra på hur nanopartiklarna binder till cellerna, men de misstänker att det kan involvera proteinet corona som omger partiklarna. Corona består av serumproteiner som normalt fungerar som föda för cellerna, men adsorberar till nanopartiklarna i odlingsmediet. Coronaproteinerna har en skyddande effekt på cellerna, men kan också fungera som ett sätt för nanopartiklarna att binda till cellreceptorer.

Titandioxid är välkänt för sina fotokatalytiska effekter under ultraviolett ljus, men forskarna tror inte att det spelar in här eftersom deras odling gjordes i omgivande ljus - eller i mörker. De individuella nanopartiklarna hade diametrar på cirka 21 nanometer, men i cellkultur bildade mycket större aggregat.

I framtida arbete, Payne och Kemp hoppas kunna lära sig mer om interaktionen, inklusive var de enzymproducerande proteinerna finns i cellerna. För det, de kan använda HyPer-Tau, ett reporterprotein som de utvecklade för att spåra platsen för väteperoxid i celler.

Forskningen tyder på att en omvärdering kan vara nödvändig för andra nanopartiklar som kan skapa subtila effekter även om de har ansetts säkra.

"Tidigare arbete hade föreslagit att nanopartiklar kan leda till oxidativ stress, men ingen hade verkligen tittat på den här nivån och på så många olika proteiner samtidigt, ", sade Payne. "Vår forskning tittade på så låga koncentrationer att den väcker frågor om vad som annars kan påverkas. Vi tittade specifikt på oxidativ stress, men det kan finnas andra gener som påverkas, för."

Dessa subtila skillnader kan ha betydelse när de läggs till andra faktorer.

"Oxidativ stress är inblandad i alla typer av inflammatoriska och immunsvar, "Kemp noterade. "Medan enbart titandioxid bara kan modulera uttrycksnivåerna för denna familj av proteiner, om det händer samtidigt har du andra typer av oxidativ stress av olika anledningar, då kan du ha en kumulativ effekt."