Orme fører vejen til at teste nanopartikeltoksicitet

Den ydmyge rundorm er stjernen i et ambitiøst Rice University-projekt for at måle toksiciteten af ​​nanopartikler.

De lave omkostninger, high-throughput undersøgelse foretaget af Rice-forskerne Weiwei Zhong og Qilin Li måler virkningerne af mange typer nanopartikler, ikke kun på individuelle organismer, men også på hele populationer.

Ris-forskerne testede 20 typer nanopartikler og fastslog, at fem, inklusive kulstof-60 molekyler ("buckyballs") opdaget ved Rice i 1985, viste ringe eller ingen toksicitet.

Andre var moderat eller meget giftige over for Caenorhabditis elegans , flere generationer, hvoraf forskerne observerede at se partiklernes indvirkning på deres helbred.

Resultaterne blev offentliggjort af tidsskriftet American Chemical Society Miljøvidenskab og teknologi . De er også tilgængelige på forskernes open source-hjemmeside.

"Nanopartikler er grundlæggende nye materialer, og vi ved ikke meget om, hvad de vil gøre ved menneskers sundhed og økosystemets sundhed, " sagde Li, en lektor i civil- og miljøteknik og i materialevidenskab og nanoteknik. "Der har været en masse publikationer, der viser, at visse nanomaterialer er mere giftige end andre. Så før vi laver flere produkter, der inkorporerer disse nanomaterialer, det er vigtigt, at vi forstår, at vi ikke tilfører noget giftigt i miljøet eller i forbrugerprodukter.

"Spørgsmålet er, Hvor mange omkostninger kan vi bære?" sagde hun. "Det er en lang og dyr proces at lave en grundig toksikologisk undersøgelse af ethvert kemikalie, ikke kun nanomaterialer." Hun sagde, at på grund af det store udvalg af nanomaterialer, der produceres ved høj hastighed og i så stor skala, der er "et presserende behov for high-throughput screeningsteknikker for at prioritere, hvilke der skal studeres mere omfattende."

Rice's pilotstudie viser, at det er muligt at indsamle en masse toksicitetsdata til lave omkostninger, sagde Zhong, en adjunkt i biovidenskab, som har udført omfattende undersøgelser vedr C. elegans , især på deres gennetværk. Materialer alene for hver analyse, inklusive ormene og de bakterier, de indtog, og dyrkningsmedierne, koster omkring 50 øre, hun sagde.

Forskerne brugte fire analyser til at se, hvordan orme reagerer på nanopartikler:fitness, bevægelse, vækst og levetid. Det mest følsomme assay for toksicitet var fitness. I denne test, forskerne blandede nanopartiklerne i opløsninger med de bakterier, som orme indtager. Måling af, hvor meget bakterier de spiste over tid, tjente som et mål for ormenes "kondition".

"Hvis ormenes helbred påvirkes af nanopartiklerne, de formerer sig mindre og spiser mindre, " sagde Zhong. "I fitnessanalysen, vi overvåger ormene i en uge. Det er længe nok til, at vi kan overvåge toksicitetseffekter akkumuleret gennem tre generationer af orme." C. elegans har en livscyklus på omkring tre dage, og da hver enkelt kan få mange afkom, en befolkning, der startede ved 50 ville tælle mere end 10, 000 efter en uge. Et så stort antal testede dyr gjorde det også muligt for fitnessanalysen at være meget følsom.

Forskernes "QuantWorm"-system tillod hurtig overvågning af ormens kondition, bevægelse, vækst og levetid. Faktisk, overvågning af ormene var sandsynligvis den mindst tidskrævende del af projektet. Hvert nanomateriale krævede specifik forberedelse for at sikre, at det var opløseligt og kunne leveres til ormene sammen med bakterierne. De kemiske egenskaber af hvert nanomateriale skulle også karakteriseres i detaljer.

Forskerne undersøgte en repræsentativ prøvetagning af tre klasser af nanopartikler:metal, metaloxider og kulstofbaserede. "Vi lavede ikke polymere nanopartikler, fordi den type polymerer, du muligvis kan have, er uendelig, " forklarede Li.

De undersøgte toksiciteten af ​​hver nanopartikel ved fire koncentrationer. Deres resultater viste C-60 fullerener, fullerol (et fullerenderivat), titandioxid, titaniumdioxid-dekorerede nanorør og ceriumdioxid var de mindst skadelige for ormepopulationer.

Deres "fitness" assay bekræftede dosisafhængig toksicitet for kønrøg, enkelt- og flervæggede kulstof nanorør, grafen, grafenoxid, guld nanopartikler og røget siliciumdioxid.

De bestemte også, i hvilken grad overfladekemi påvirkede toksiciteten af ​​nogle partikler. Mens aminfunktionaliserede flervæggede nanorør viste sig at være meget giftige, hydroxylerede nanorør havde den mindste toksicitet, med betydelige forskelle i kondition, kropslængde og levetid.

Et komplet og interaktivt toksicitetsdiagram for alle de testede materialer er tilgængeligt online.

Zhong sagde, at metoden kunne bevise sit værd som en hurtig måde for lægemidler eller andre virksomheder til at indsnævre rækken af ​​nanopartikler, de ønsker at udsætte dyrere, dedikeret toksikologisk test.

"Næste, vi håber at tilføje miljøvariabler til analyserne, for eksempel, at efterligne ultraviolet eksponering eller flodvandsforhold i opløsningen for at se, hvordan de påvirker toksiciteten, " sagde hun. "Vi ønsker også at studere den biologiske mekanisme, hvorved nogle partikler er giftige for orme."