Fælles nanopartikel har subtile virkninger på oxidative stressgener

En nanopartikel, der almindeligvis bruges i mad, kosmetik, solcreme og andre produkter kan have subtile virkninger på aktiviteten af ​​gener, der udtrykker enzymer, der adresserer oxidativ stress inde i to celletyper. Mens titandioxid (TiO2) nanopartikler betragtes som ugiftige, fordi de ikke dræber celler ved lave koncentrationer, disse cellulære effekter kan øge bekymringerne over langvarig eksponering for nanomaterialet.

Forskere ved Georgia Institute of Technology brugte screeningsteknikker med høj gennemstrømning til at studere virkningerne af titandioxid nanopartikler på ekspressionen af ​​84 gener relateret til cellulært oxidativt stress. Deres arbejde fandt ud af, at seks gener, fire af dem fra en enkelt genfamilie, blev påvirket af en 24-timers eksponering for nanopartiklerne.

Effekten blev set i to forskellige slags celler, der blev udsat for nanopartiklerne:humane HeLa -cancerceller, der almindeligvis bruges i forskning, og en række af abenyreceller. Polystyren -nanopartikler svarende til størrelse og overfladeladning til titandioxid -nanopartiklerne frembragte ikke en lignende effekt på genekspression.

"Dette er vigtigt, fordi hvert standardmål for cellesundhed viser, at celler ikke påvirkes af disse titandioxid -nanopartikler, "sagde Christine Payne, en lektor i Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. "Vores resultater viser, at der er en mere subtil ændring i oxidativ stress, der kan være skadelig for celler eller føre til langsigtede ændringer. Dette tyder på, at andre nanopartikler skal screenes for lignende effekter på lavt niveau."

Undersøgelsen blev rapporteret online den 6. maj i Journal of Physical Chemistry C . Arbejdet blev støttet af National Institutes of Health (NIH) gennem HERCULES Center på Emory University, og af et Vasser Woolley Fellowship.

Titandioxid nanopartikler hjælper med at gøre pulveriserede donuts hvide, beskytte huden mod solens stråler og reflektere lys i malede overflader. I almindeligt anvendte koncentrationer, de betragtes som giftfri, selvom flere andre undersøgelser har rejst bekymring over potentielle virkninger på genekspression, der muligvis ikke direkte påvirker cellers kortsigtede sundhed.

For at afgøre, om nanopartiklerne kan påvirke gener, der er involveret i håndtering af oxidativ stress i celler, Payne og kollega Melissa Kemp - lektor i Wallace H. Coulter -afdelingen for biomedicinsk teknik ved Georgia Tech og Emory University - designede en undersøgelse til bredt at evaluere nanopartiklens indvirkning på de to cellelinjer.

Arbejde med kandidatstuderende Sabiha Runa og Dipesh Khanal, de inkuberede separat HeLa -celler og abenyreceller med titaniumoxid i niveauer 100 gange mindre end den mindste koncentration, der vides at starte virkninger på cellesundhed. Efter inkubering af cellerne i 24 timer med TiO2, cellerne blev lyseret, og deres indhold blev analyseret ved hjælp af både PCR og Western Blot -teknikker til at studere ekspressionen af ​​84 gener forbundet med cellernes evne til at adressere oxidative processer.

Payne og Kemp var overraskede over at finde ændringer i udtrykket for seks gener, herunder fire fra peroxiredoxin -familien af ​​enzymer, der hjælper celler med at nedbryde hydrogenperoxid, et biprodukt af cellulære oxidationsprocesser. For meget hydrogenperoxid kan skabe oxidativ stress, som kan skade DNA og andre molekyler.

Den målte effekt var signifikant - ændringer på cirka 50 procent i enzymekspression i forhold til celler, der ikke var blevet inkuberet med nanopartikler. Testene blev udført i tre eksemplarer og gav hver gang lignende resultater.

"En ting, der virkelig var overraskende, var, at hele denne proteinfamilie blev påvirket, selvom nogle blev opreguleret og nogle var nedreguleret, "Kemp sagde." Disse var alle beslægtede proteiner, så spørgsmålet er, hvorfor de ville reagere forskelligt på tilstedeværelsen af ​​nanopartiklerne. "

Forskerne er ikke sikre på, hvordan nanopartiklerne binder sig til cellerne, men de formoder, at det kan involvere proteinkoronaen, der omgiver partiklerne. Corona består af serumproteiner, der normalt tjener som mad til cellerne, men adsorberes til nanopartiklerne i dyrkningsmediet. Corona -proteiner har en beskyttende virkning på cellerne, men kan også tjene som en måde, hvorpå nanopartiklerne kan binde sig til celleceptorer.

Titandioxid er kendt for sine fotokatalytiske virkninger under ultraviolet lys, men forskerne tror ikke, at det er i spil her, fordi deres dyrkning blev foretaget i omgivende lys - eller i mørket. De enkelte nanopartikler havde diametre på cirka 21 nanometer, men i cellekultur dannede meget større aggregater.

I det fremtidige arbejde, Payne og Kemp håber at lære mere om interaktionen, herunder hvor de enzymproducerende proteiner er placeret i cellerne. For det, de kan bruge HyPer-Tau, et reporterprotein, de udviklede til at spore hydrogenperoxids placering i celler.

Forskningen tyder på, at en revurdering kan være nødvendig for andre nanopartikler, der kan skabe subtile effekter, selvom de er blevet anset for sikre.

"Tidligere arbejde havde antydet, at nanopartikler kan føre til oxidativ stress, men ingen havde virkelig set på dette niveau og på så mange forskellige proteiner på samme tid, "Payne sagde." Vores forskning så på så lave koncentrationer, at det rejser spørgsmål om, hvad der ellers kan blive påvirket. Vi kiggede specifikt på oxidativ stress, men der kan være andre gener, der påvirkes, også."

Disse subtile forskelle kan have betydning, når de føjes til andre faktorer.

"Oxidativ stress er impliceret i alle former for inflammatoriske og immunresponser, "Bemærkede Kemp." Selvom titandioxid alene måske bare modulerer ekspressionsniveauerne for denne familie af proteiner, hvis det sker på samme tid, har du andre former for oxidativ stress af forskellige årsager, så kan du have en kumulativ effekt. "