Ny metode identificerer hurtigt nanomaterialer, der kan forårsage oxidativ skade på celler

Konstruerede nanomaterialer, værdsat for deres unikke halvledende egenskaber, er allerede udbredt i dagligdags forbrugerprodukter - fra solcremer, kosmetik og maling til tekstiler og solbatterier - og økonomiske forudsigere forudsiger, at industrien vil vokse til $ 1 billion forretning i de næste par år. Men hvor sikre er disse materialer?

Fordi halvlederegenskaberne for metaloxid-nanomaterialer potentielt kan udmønte sig i sundhedsfarer for mennesker, dyr og miljø, det er bydende nødvendigt, siger forskere, at udvikle en metode til hurtigt at teste disse materialer for at bestemme de potentielle farer og tage passende forebyggende foranstaltninger.

Til det formål, UCLA-forskere og deres kolleger har udviklet en ny screeningsteknologi, der gør det muligt hurtigt at vurdere store partier af disse metaloxid-nanomaterialer, baseret på deres evne til at udløse visse biologiske reaktioner i celler som følge af deres halvlederegenskaber. Forskningen er offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano.

Ligesom halvledere kan injicere eller ekstrahere elektroner fra industrielle materialer, halvledende metaloxid-nanomaterialer kan have en elektronoverførselseffekt, når de kommer i kontakt med menneskelige celler, der indeholder elektronisk aktive molekyler, fandt forskerne. Og selvom disse oxidationsreduktionsreaktioner er nyttige i industrien, når de forekommer i kroppen, har de potentiale til at generere iltradikaler, som er stærkt reaktive iltmolekyler, der beskadiger celler, udløser akut betændelse i lungerne hos udsatte mennesker og dyr.

I et centralt fund, forskergruppen forudsagde, at metaloxid-nanomaterialer og elektronisk aktive molekyler i kroppen skal have lignende elektronenerginiveauer-kaldet båndgabsenergi i tilfælde af nanomaterialet-for at denne farlige elektronoverførsel kan forekomme, og der kan opstå oxidativ skade.

Baseret på denne forudsigelse, forskerne screenede 24 metaloxid-nanopartikler for at afgøre, hvilke der mest sandsynligt ville føre til toksicitet under eksponering i virkeligheden. Ved hjælp af et screeningsassay med høj gennemstrømning (udført af robotudstyr og et automatiseret billedoptagelsesmikroskop), de testede de to dusin materialer på en række celletyper i løbet af få timer og fandt ud af, at seks af dem-dem, der tidligere havde opfyldt forskernes forudsigelseskriterier for at være toksiske baseret på deres båndgabsenergi-førte til oxidativ skader i cellerne.

Holdet testede derefter nanomaterialerne i velorganiserede dyreforsøg og fandt ud af, at kun de materialer, der havde ført til oxidativ skade i celler, var i stand til at generere betændelse i musenes lunger, bekræfter forskernes band-gap-hypotese.

"Evnen til at lave sådanne forudsigelser, startende med celler i et reagensglas, og ekstrapolering af resultaterne til intakte dyr og mennesker udsat for potentielt farlige metaloxider, er et stort skridt fremad i sikkerhedsscreeningen af ​​nanomaterialer, "sagde seniorforfatter Dr. Andre Nel, chef for divisionen af ​​nanomedicin ved David Geffen School of Medicine ved UCLA og California NanoSystems Institute ved UCLA og direktør for University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology.

Ifølge forskerne, denne nye sikkerhedsvurderingsteknologi har potentiale til at erstatte traditionel testning, som i øjeblikket udføres ét materiale ad gangen i arbejdskrævende dyreforsøg ved hjælp af en "vent og se" tilgang, der ikke afslører, hvorfor de implicerede nanomaterialer kan være farlige. UCLA -teamets forudsigende tilgang og screeningsteknik kunne fremskynde evnen til at vurdere et stort antal nye nanomaterialer frem for at vente på, at deres toksikologiske potentiale bliver tydelige, før der tages handling.

"At være i stand til at integrere metaloxid-elektroniske egenskaber i en forudsigelig og højgennemstrømning videnskabelig platform i dette arbejde kan spille en vigtig rolle i udviklingen af ​​nanomaterialesikkerhedstest i det 21. århundrede til en forebyggende strategi, frem for at vente på, at der opstår problemer, "Sagde Nel.

En anden stor fordel ved en tilgang baseret på vurderingen af ​​nanomaterialers egenskaber er, at man kan identificere de egenskaber, der potentielt kan redesignes for at gøre materialerne mindre farlige, sagde forskerne.

Implementeringen af ​​high-throughput screening fører også til udviklingen af ​​computerværktøjer, der hjælper med forudsigelser; i fremtiden, meget af sikkerhedsvurderingen af ​​nanomaterialer kunne udføres ved hjælp af computerprogrammer, der udfører intelligente modellerings- og simuleringsprocedurer baseret på elektroniske egenskaber.

"Vi kan nu yderligere forfine testningen af ​​en vigtig klasse af konstruerede nanomaterialer til det niveau, hvor tilsynsmyndigheder kan gøre brug af vores forudsigelser og testmetoder, "sagde Haiyuan Zhang, en postdoktoral forsker ved Center for Environmental Implicatioons of Nanotechnology ved UCLAs CNSI og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen.