Nanopartiklar (NP) används ofta för att minska miljöföroreningar genom att rikta in sig på skadliga kemikalier i mark och vatten som släpps ut av industri- och jordbruksaktiviteter. Dessa NP är konstruerade för att absorbera, bryta ned eller neutralisera dessa föroreningar, vilket ger en potentiell lösning på miljöföroreningar. Men när de släpps ut i miljön kan de konsumeras av organismer och överföras genom näringskedjan, vilket resulterar i utbredd toxicitet.

För att ta itu med denna fråga har en forskargrupp ledd av forskningsprofessor Masazumi Fujiwara och biträdande professor Yajuan Zou från Okayama University i Japan utvecklat en polymerbeläggning som kan appliceras på NP för att förhindra ekotoxicitet. Genom att ändra ytkemin och den elektriska laddningen hos NP:er kan deras bindningsegenskaper modifieras. Att introducera hydrofila grupper till NP-ytan skapar en barriär som avskräcker bindning till biologiska molekyler och cellytor.

Även om positivt laddade NP:er är kända för att ackumuleras mer i organismer på grund av deras attraktion till negativt laddade cellytor, tyder nyare rapporter på att negativt laddade NP:er kan ackumuleras mer än deras positivt laddade motsvarigheter.

I deras studie, som publicerades i tidskriften Chemosphere den 7 maj 2024 utvecklade forskarna en polyglycerol (PG) beläggning med den negativt laddade gruppen. Denna beläggning applicerades på järnoxid-NP (ION) och visade sig effektivt minska ackumuleringen av järnoxidpartiklar i Caenorhabditis elegans, en nematod som ofta används som modellorganism inom miljökemi.

Denna forskning var medförfattare av Prof. Fujiwara, Dr. Zou och Dr. Yuta Nishina från Okayama University, Dr. Yutaka Shikano från Tsukuba University, och Dr. Naoki Komatsu och Dr. Eriko Kage-Nakada från Kyoto University.

"Vi har visat att PG-transplantation var ett effektivt tillvägagångssätt för att minska ackumuleringen och undertrycka translokationen av ION i C. elegans, vilket följaktligen lindrade de toxiska resultaten som reproduktionspotential och överlevnadskvot", säger Dr Fujiwara.

Forskarna applicerade polyglycerolbeläggning på ION av olika storlekar - 20 nm, 100 nm och 200 nm - för att skapa ION-PG, i syfte att bedöma beläggningens effektivitet över ett spektrum av NP-storlekar. ION-PG suspenderades sedan i en lösning och C. elegans nematoder introducerades.

Maskarna var i olika livscykelstadier (från larver till vuxna maskar), vilket gjorde det möjligt för forskarna att övervaka NP-ackumulering under hela utvecklingen. En kontrollgrupp exponerades för en suspension innehållande obelagd jon. Efter 24 timmars exponering samlades maskarna upp, tvättades och undersöktes med avseende på ackumulerade NP i deras kroppar.

PG-beläggningen hindrade NP från att fastna på biomolekyler, vilket gjorde att de kunde passera genom nematodens tarm mer fritt och utsöndras från deras kroppar. Nematoder exponerade för ION-PG hade lägre nivåer av NP i sina kroppar jämfört med kontrollgruppen. De minsta NP, som lätt kunde passera genom maskarna, upptäcktes inte.

Forskarna undersökte vidare effekten av laddningsgrupper på NP-biotillgängligheten. De introducerade positivt laddade aminogrupper och negativt laddade karboxyl- och sulfatgrupper till ION-PG och genomförde experimentet igen. De fann att negativt laddade partiklar passerade genom masken lättare än positivt laddade partiklar på grund av hög elektrostatisk repulsion mot den negativt laddade cellytan och låg affinitet till biomolekyler i nematoden.

Som ett resultat mildrade beläggningen toxiciteten associerad med ION-PG. Forskarna observerade förbättringar i både reproduktionsförmåga och livslängd bland gruppen som exponerades för ION-PG jämfört med gruppen som exponerades för obelagda NP.

Forskarna understryker att den utvecklade beläggningen även kan appliceras på andra NP som grafenoxid och titandioxid som används för miljösanering. "Våra resultat förväntas främja design och produktion av stora mängder miljövänliga nanomaterial för miljötillämpningar", säger Dr Fujiwara.

Mer information: Yajuan Zou et al., Storlek, polyglycerolympning och nettoytladdning av järnoxidnanopartiklar bestämmer deras interaktion och toxicitet i Caenorhabditis elegans, Cemosphere (2024). DOI:10.1016/j.chemosphere.2024.142060

Journalinformation: Kemosfär

Tillhandahålls av Okayama University