Imperialistiska forskare har testat om guldnanopartiklar kan vara giftiga för celler, hur de påverkar lipidmembran beror på deras storlek.

Nanopartiklar (upp till 100 nanometer i diameter) tillverkas alltmer för användning inom medicin, teknologi, kosmetika och mat, men deras möjliga effekter på människors hälsa är okända.

Forskningen, publiceras idag i Naturkommunikationskemi , visar att små nanopartiklar (5-10 nm) är mest kapabla att störa membran, vilket forskarna menar bör beaktas när man designar nanopartiklar för användning i kroppen.

Nanopartiklar finns i en mängd olika storlekar, former och material, och biologiska system är komplexa, gör det svårt att studera hur de interagerar med varandra. Dock, forskare vet att ett av de viktigaste första stegen i toxicitet är när en partikel interagerar med membranet runt en cell.

Partiklar kan fästa på utsidan av membran, bli inbäddad i dem, eller bli helt uppslukad och gå in i cellen. Var och en av dessa utfall kan påverka cellen på olika sätt; till exempel, förvrängning av membranet kan påverka dess elastiska egenskaper, potentiellt påverka dess förmåga att fungera.

Nu, forskare från Imperial College London har testat guldnanopartiklar med konstgjorda celler, att finna att hur de interagerar beror på storleken på nanopartiklarna, med mindre nanopartiklar (5-10 nm) som bäst kan komma in i cellmembran.

Storlek spelar roll

Ledande forskare Dr Claudia Contini, från Institutionen för kemi vid Imperial, sa:"Den växande produktionen av nanopartiklar har lett till ökande oro angående deras inverkan på människors hälsa och miljön i allmänhet. Att identifiera nanopartiklar som är skadliga för naturliga organismer är svårt med tanke på det stora utbudet av nanopartiklar, deras olika egenskaper och komplexiteten hos biologiska enheter.

"Med ett förenklat system, vi kunde visa att ödet för en nanopartikel i kontakt med ett membran bestäms av dess storlek. Mindre nanopartiklar har en bättre chans att komma in i membranet jämfört med större storlekar, som bör beaktas när man förutsäger vilka nanopartiklar som kan vara farliga."

Guldnanopartiklar undersöks för ett antal användningsområden inuti kroppen, inklusive hjälp med tumördetektering och för att leverera läkemedel eller genterapimedel. Nanopartiklarna är vanligtvis "funktionaliserade" – belagda med molekyler som hjälper dem att rikta in sig på specifika receptorer i cellmembran som gör att de kan interagera med eller komma in i cellen.

Dock, det var okänt om funktionalisering alltid var nödvändig för interaktion, eller om nanopartiklarna kan interagera spontant. Teamet testade olika storlekar av icke-funktionaliserade guldnanopartiklar med konstgjorda celler som efterliknar egenskaperna hos biologiska cellmembran. Genom att använda dessa enkla cellhärmar tillät dem att fokusera på interaktionerna mellan membran och nanopartiklar.

Designa framtida nanopartiklar

De fann att större nanopartiklar (50-60 nm) ibland fäste vid utsidan av membranet, men orsakade minimala störningar, medelstora nanopartiklar (25-35 nm) fäste oftare vid ytan och orsakade viss förvrängning, och mindre nanopartiklar (5-10 nm) förvrängde membranet avsevärt, böjer det inåt ibland med flera nanopartiklar staplade tillsammans, orsakar en rörformig distorsion.

Mindre nanopartiklar kan därför orsaka oönskade toxiska biverkningar i kroppen när de inte är funktionaliserade - en faktor som teamet säger bör beaktas vid utformningen av medicinska nanopartiklar.

Forskningsresultaten har också en uppsida - ibland är det användbart om nanopartiklar kommer in i membranen, till exempel vid leverans av läkemedel direkt till celler. Mindre guldnanopartiklar kan därmed skapa bättre system för läkemedelsleverans om de lättare dras in i cellen.