Nogle nanopartikler, der almindeligvis tilsættes til forbrugerprodukter, kan beskadige DNA betydeligt

tusindvis af forbrugerprodukter - inklusive kosmetik, solcremer, og tøj – indeholder nanopartikler tilføjet af producenter for at forbedre tekstur, dræbe mikrober, eller forbedre holdbarheden, blandt andre formål. Imidlertid, flere undersøgelser har vist, at nogle af disse konstruerede nanopartikler kan være giftige for celler.

En ny undersøgelse fra MIT og Harvard School of Public Health (HSPH) tyder på, at visse nanopartikler også kan skade DNA. Denne forskning blev ledet af Bevin Engelward, professor i biologisk ingeniørvidenskab ved MIT, og lektor Philip Demokritou, direktør for HSPHs Center for Nanoteknologi og Nanotoksikologi.

Forskerne fandt ud af, at zinkoxid-nanopartikler, bruges ofte i solcreme til at blokere ultraviolette stråler, beskadiger DNA betydeligt. Nanoskala sølv, som er føjet til legetøj, tandpasta, tøj, og andre produkter for dets antimikrobielle egenskaber, producerer også betydelige DNA-skader, de fandt.

Fundene, offentliggjort i et nyligt nummer af tidsskriftet ACS Nano , påberåbt sig en højhastighedsscreeningsteknologi til at analysere DNA-skader. Denne tilgang gør det muligt at studere nanopartiklers potentielle farer i et meget hurtigere tempo og i større skala end tidligere muligt.

Food and Drug Administration kræver ikke, at producenter tester tilsætningsstoffer i nanoskala for et givet materiale, hvis bulkmaterialet allerede har vist sig at være sikkert. Imidlertid, der er tegn på, at nanopartikelformen af ​​nogle af disse materialer kan være usikker:På grund af deres uhyre lille størrelse, disse materialer kan udvise forskellige fysiske, kemisk, og biologiske egenskaber, og trænge lettere ind i cellerne.

"Problemet er, at hvis en nanopartikel er lavet af noget, der anses for at være et sikkert materiale, det anses typisk for sikkert. Der er folk derude, der er bekymrede, men det er en hård kamp, ​​for når først disse ting går i produktion, det er meget svært at fortryde, " siger Engelward.

Forskerne fokuserede på fem typer konstruerede nanopartikler - sølv, Zinkoxid, jernoxid, ceriumoxid, og siliciumdioxid (også kendt som amorf silica) - der bruges industrielt. Nogle af disse nanomaterialer kan producere frie radikaler kaldet reaktive oxygenarter, som kan ændre DNA. Når først disse partikler kommer ind i kroppen, de kan ophobes i væv, forårsager mere skade.

"Det er vigtigt at overvåge og evaluere toksiciteten eller de farer, som disse materialer kan have. Der er så mange variationer af disse materialer, i forskellige størrelser og former, og de bliver indarbejdet i så mange produkter, " siger Christa Watson, en postdoc ved HSPH og avisens hovedforfatter. "Denne toksikologiske screeningsplatform giver os en standardiseret metode til at vurdere de konstruerede nanomaterialer, der udvikles og bruges i øjeblikket."

Forskerne håber, at denne screeningsteknologi også kan bruges til at hjælpe med at designe sikrere former for nanopartikler; de arbejder allerede med partnere i industrien for at udvikle sikrere UV-blokerende nanopartikler. Demokritous laboratorium viste for nylig, at belægning af zinkoxidpartikler med et nanothint lag af amorf silica kan reducere partiklernes evne til at beskadige DNA.

Hurtig analyse

Indtil nu, de fleste undersøgelser af nanopartikeltoksicitet har fokuseret på celleoverlevelse efter eksponering. Meget få har undersøgt genotoksicitet, eller evnen til at beskadige DNA - et fænomen, der ikke nødvendigvis dræber en celle, men en, der kan føre til kræftmutationer, hvis skaden ikke repareres.

En almindelig måde at studere DNA-skader i celler på er det såkaldte "comet assay, " opkaldt efter den kometformede udstrygning, der dannes beskadiget DNA under testen. Proceduren er baseret på gelelektroforese, en test, hvor et elektrisk felt påføres DNA placeret i en matrix, tvinger DNA'et til at bevæge sig hen over gelen. Under elektroforese, beskadiget DNA rejser længere end ubeskadiget DNA, frembringer en komet-haleform.

Måling af, hvor langt DNA'et kan rejse, afslører, hvor meget DNA-skade er sket. Denne procedure er meget følsom, men også meget trættende.

I 2010 Engelward og MIT-professor Sangeeta Bhatia udviklede en meget hurtigere version af kometanalysen, kendt som CometChip. Ved hjælp af mikrofabrikationsteknologi, enkeltceller kan fanges i bittesmå mikrobrønde i matrixen. Denne tilgang gør det muligt at behandle så mange som 1, 000 prøver i den tid, det plejede at tage at behandle kun 30 prøver - hvilket giver forskere mulighed for at teste snesevis af eksperimentelle forhold ad gangen, som kan analyseres ved hjælp af billedbehandlingssoftware.

Wolfgang Kreyling, en epidemiolog ved det tyske forskningscenter for miljøsundhed, som ikke var involveret i undersøgelsen, siger, at denne teknologi skal hjælpe toksikologer med at indhente den hurtige udbredelse af manipulerede nanopartikler (ENP'er).

"High-throughput screening platforme er desperat nødvendige, " Kreyling siger. "Den foreslåede tilgang vil ikke kun være et vigtigt værktøj for nanotoksikologer, der udvikler high-throughput screeningsstrategier til vurdering af mulige negative sundhedseffekter forbundet med ENP'er, men også af stor betydning for materialeforskere, der arbejder på udviklingen af ​​nye ENP'er og sikrere-by-design tilgange."

Ved hjælp af CometChip, MIT- og HSPH-forskerne testede nanopartiklernes virkning på to typer celler, der almindeligvis bruges til toksicitetsundersøgelser:en type menneskelige blodceller kaldet lymfoblastoider, og en udødeliggjort linje af kinesisk hamster-ovarieceller.

Zinkoxid og sølv producerede den største DNA-skade i begge cellelinjer. Ved en koncentration på 10 mikrogram pr. milliliter - en dosis, der ikke er høj nok til at dræbe alle cellerne - genererede disse et stort antal enkeltstrengede DNA-brud.

Siliciumdioxid, som almindeligvis tilsættes under fødevare- og medicinproduktion, genereret meget lave niveauer af DNA-skader. Jernoxid og ceriumoxid viste også lav genotoksicitet.

Hvor meget er for meget?

Flere undersøgelser er nødvendige for at bestemme, hvor meget eksponering for metaloxidnanopartikler kan være usikkert for mennesker, siger forskerne.

"Den største udfordring, vi har som mennesker beskæftiget med eksponeringsbiologi, er at beslutte, hvornår er noget farligt, og hvornår er det ikke, baseret på dosisniveauet. Ved lave niveauer, sandsynligvis er disse ting i orden, ", siger Engelward. "Spørgsmålet er:På hvilket niveau bliver det problematisk, og hvor lang tid vil det tage for os at bemærke?"

Et af de områder, der giver størst bekymring, er erhvervsmæssig eksponering for nanopartikler, siger forskerne. Børn og fostre er også potentielt i større risiko, fordi deres celler deler sig oftere, gør dem mere sårbare over for DNA-skader.

De mest almindelige veje, som konstruerede nanopartikler følger ind i kroppen, er gennem huden, lunger, og mave, så forskerne undersøger nu nanopartiklers genotoksicitet på disse celletyper. De studerer også virkningerne af andre konstruerede nanopartikler, herunder metaloxider brugt i printer- og kopimaskinetoner, som kan blive luftbårne og komme ind i lungerne.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.