Forskere udpeger en måde, hvorpå nanopartikler beskadiger immunceller

Forskere har vist, at en proces kendt som oxidativ stress er i gang under møder mellem visse nanopartikler og immunceller, selektivt modificere proteiner på makrofager, en type immuncelle. Fundene, af forskere ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Selvom oxidativ stress er en almindelig måde at opstå celleskader på, resultaterne var en overraskelse på nogle måder.

"Oxidativ stress forekommer selektivt selv ved lave niveauer af eksponering for nanopartikler, " sagde Brian Thrall, en nanotoksikologisk ekspert ved PNNL og en tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Vi har demonstreret en tilgang, der er følsom nok til at opdage virkninger af nanopartikler på makrofager længe før disse celler dør. Dette giver os mulighed for at forstå de mest følsomme cellulære mål for oxidativt stress og de involverede veje mere fuldstændigt end før.

"Dette er vigtig information for at forstå, hvordan nanopartikler kan ændre cellefunktion og for at begynde at identificere funktioner, der tillader celler at tilpasse sig mod dem, der potentielt er involveret i negative virkninger, "Tilføjede Thrall.

Nanopartikler er typisk mindre end 100 nanometer brede, mindre end en tusindedel af bredden af ​​et menneskehår. Hvis en standard basketball blev sprængt op til Jordens størrelse, en nanopartikel forstørret forholdsmæssigt ville være nogenlunde på størrelse med en badebold i sammenligning. Partiklerne bruges bredt i biomedicinske applikationer, tøj, elektronikindustrien, kosmetik, fødevareemballage og solcremer; de er også en komponent i mange former for luftforurening.

Efterhånden som videnskabsmænd har forfinet deres evne til at lave en mangfoldighed af nanopartikler, der bruges i fremstillede varer, der er et større behov for at undersøge deres potentielle virkninger. Ofte, disse undersøgelser ser på, om eksponering for partiklerne resulterer i celledød eller ej. PNNL-undersøgelsen er mere nuanceret, ser nærmere på specifikke proteiner i celler, der er mål for oxidativ skade forårsaget af nanopartikler.

"Denne undersøgelse viser, at nogle nanopartikler, som vi betragter som ikke-toksiske, kan have mange effekter på makrofager, " sagde analytisk kemiker Wei-Jun Qian, også en tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Resultaterne afhænger af en metode, der for nylig er udviklet af PNNL-forskere til at måle proteinoxidation på meget specifikke steder i celler som makrofager. Qian udviklede et meget følsomt mål for proteinmodifikationer i celler for at give videnskabsmænd mulighed for at se på specifikke steder i cellen, hvor videnskabsmænd ved, at visse funktioner udføres. Metoden, kendt som en kvantitativ redox proteomics tilgang, bruger et avanceret massespektrometer til at se på tusindvis af steder involveret i redoxreaktioner samtidigt.

Thralls og Qians team arbejdede sammen om at analysere modifikationer i alle proteinerne i museceller. Gruppen så på virkningerne af tre typer nanopartikler, som varierer i deres potentiale til at forårsage oxidativ stress og celledød:

• Siliciumoxid, også kendt som amorf silica, hvilke videnskabsmænd betragter som en nanopartikel med lav toksicitet;
• Jernoxid, som forårsager moderate oxidative stressniveauer, men er generelt ikke tilstrækkeligt til at dræbe celler;
• Koboltoxid, som forårsager høje niveauer af oxidativt stress og kan også forårsage celledød og lungetoksicitet.

Holdet kiggede nærmere på mere end 2, 000 cellulære hotspots, hvor en proces kendt som S-glutathionylering, en specifik type proteinmodifikation, der vides at være involveret i immunfunktioner, når en celle er under oxidativt stress, opstår.

I makrofager udsat for nanopartikler, holdet fandt molekylære "fodspor" af aktivitet - en stigning i S-glutathionylering. Imidlertid, det specifikke mønster af oxidative modifikationer på proteiner varierede afhængigt af typen af ​​nanopartikel. Ved at se på disse ændringer, forskere var i stand til at identificere specifikke molekylære veje, der var mest følsomme over for lave niveauer af oxidativ stress, og skelne dem fra andre veje, der var forbundet med høje niveauer af oxidativ stress forbundet med celledød.

Ideen om, at en nanopartikel ville skade kroppens makrofager er ingen overraskelse:Makrofager er kroppens første respondere, når det kommer til at genkende og neutralisere en angriber. Nogle nanopartikler kan svække makrofagers evne til at genkende, holde fast i og opsluge partiklerne.

To år siden, Thralls team viste, at når makrofager udsættes for nanopartikler, cellerne virker ikke så godt og er mindre i stand til at genkende og fjerne Streptococcus lungebetændelse, den førende årsag til samfundserhvervet lungebetændelse. Mønstret af proteinændringer identificeret i denne undersøgelse giver nye spor til de typer af nanopartikler, der forårsager disse virkninger, og de involverede proteiner.

Qian udviklede metoden som en del af sit arbejde med at studere redoxreaktioner, som spiller en vigtig rolle ved at regulere fotosyntesen i planter. Forståelse for hvordan planter fanger, behandle og tragte Solens energi hjælper naturligvis videnskabsmænd med at udvikle effektive nye energisystemer til at gøre det samme. Qian har brugt systemet til at opdage mere end 2, 100 molekylære steder, hvor redoxreaktioner sandsynligvis vil forekomme i cyanobakterier, som er vigtige for at producere biobrændstoffer.