Metall nanomaterial har blivit en oumbärlig del av industriella och medicinska områden på grund av deras unika och mångsidiga egenskaper. Deras storlek, som ger dem de önskade fysiokemiska egenskaperna, är också anledningen till miljö- och hälsoproblem. De nanostora partiklarna i nanomaterial har visat hög reaktivitet mot biomolekyler och ofta även toxicitet mot biologiska celler.
Forskare har tillskrivit detta beteende hos metallnanopartiklar i interaktion med biomolekyler till fenomen som inflammation eller oxidativ stress. Men för att säkerställa säker användning av metallnanopartiklar finns det ett behov av att utforska molekylära mekanismer som är ansvariga för toxiciteten och förstå hur cellers upptag av nanopartiklar varierar baserat på deras form, storlek, morfologi och andra aspekter.
För att belysa denna fråga har biträdande professor Yu-ki Tanaka och professor Yasumitsu Ogra, båda från Graduate School of Pharmaceutical Sciences vid Chiba University, nu uppskattat det cellulära intaget av kiseldioxidnanopartiklar (SiNP) baserat på deras storlekar.
I deras senaste genombrott publicerade i Archives of Toxicology , utvecklade forskarna ett AF4-ICP-MS (asymmetrisk flödesfältflödesfraktionering med induktivt kopplad plasmamasspektrometri) system, som separerade SiNPs av fem olika storlekar (10, 30, 50, 70 och 100 nm) och möjliggjorde kvantitativ bedömning av cytotoxicitet av SiNPs i HepG2-celler.
"SiNPs har tagit fart inom olika områden som läkemedelsleverans, biomedicinsk avbildning, katalysatorer samt miljösanering för att ta bort föroreningar från vatten och mark. Det finns dock också en betydande oro över dess miljötoxicitet och potentiella inverkan på levande organismer." säger Dr Tanaka på frågan om motivationen bakom denna studie.
"Så, för att hitta en lösning på kompromissen mellan industriell tillgänglighet och toxicitet, bestämde vi oss för att utveckla en teknik för att förstå de potentiella negativa effekterna av SiNP genom att kombinera kvantitativa data om cellulärt upptag och toxikologiska svar."
Storleksanalystekniker som elektronmikroskopi och laserbaserad dynamisk ljusspridning misslyckades med att observera nanopartikelprover i djupa lager och belysa nanopartiklarnas kemiska sammansättning. För att motverka dessa problem antog teamet den nya storleksanalystekniken AF4-ICP-MS, som inte bara övervann dessa problem utan också upptäckte nanopartiklar med en storlek så låg som 10 nm. Detta skulle inte ha varit möjligt med konventionella ICP-MS-metoder.
Teamet använde den AF4-baserade metoden för att utvärdera det cellulära upptaget av SiNPs i laboratorieodlade humana hepatom HepG2-celler. Mätningarna visade att cirka 17% av SiNPs som exponerades för HepG2-cellerna absorberades. Transmissionselektronmikroskopin (TEM) som utfördes av teamet observerade närvaron av SiNP-aggregat i cellerna, vilket indikerar förmågan hos små nanopartiklar att slå sig ner i odlingsmediet och lätt komma in i cellerna.
"Vi fann att de mindre SiNPs uppvisade högre toxicitet gentemot HepG2-cellerna än de större, men AF4-ICP-MS-analysen fann ingen signifikant storleksberoende skillnad i partikelvolymen som absorberades av cellerna", säger Dr. Tanaka och lyfter fram resultaten av toxicitetsexperimenten. Dessa resultat antydde att det förhöjda cytotoxiska beteendet hos de små SiNP:erna var rotat i den stora ytan i förhållande till partikelvolymen jämfört med de större.
Forskarna undersökte också de kemiska mekanismerna förknippade med cytotoxicitet. Data indikerade att cellnekros delvis var kopplad till oxidativ stress orsakad av produktionen av reaktiva syrearter (ROS). Dessutom var interaktioner mellan silanolgrupperna på SiNP-ytan och fosfolipider i cellmembranet ansvariga för den associerade cellskadan.
Sammantaget presenterar resultaten den nya AF4-ICP-MS-tekniken som ett kraftfullt verktyg för att kvantitativt bestämma cytotoxicitet inducerad av metallnanopartiklar av varierande storlek. Insikterna från denna studie ger också en solid grund för framtida studier som undersöker utvärderingen av risker för exponering av nanopartiklar och deras potentiella belastning på människokroppar.
"Vår studies mål var att komma fram till en lättillgänglig analysteknik som skulle hjälpa till i uppdraget att minimera potentiella hälsoskador från nanopartiklar. Vi hoppas att den toxikologiska information som vår studie tillhandahåller kommer att hjälpa till att fastställa kriterier för korrekt användning och reglering av nanopartiklar. inom industrier, det medicinska området och till och med i dagligt bruk föremål som innehåller nanopartiklar", avslutar Dr. Tanaka.
Mer information: Yu-ki Tanaka et al, Kvantitativ bestämning av det intracellulära upptaget av kiseldioxidnanopartiklar med asymmetrisk flödesfältsflödesfraktionering kopplad med ICP-masspektrometri och deras cytotoxicitet i HepG2-celler, Archives of Toxicology (2024). DOI:10.1007/s00204-023-03672-4
Tillhandahålls av Chiba University
