Størrelsen bestemmer, hvordan nanopartikler påvirker biologiske membraner

Kejserlige forskere har testet, om guldnanopartikler kan være giftige for celler, hvordan de påvirker lipidmembraner afhænger af deres størrelse.

Nanopartikler (op til 100 nanometer i diameter) bliver i stigende grad fremstillet til brug i medicin, teknologi, kosmetik og mad, men deres mulige indvirkning på menneskers sundhed er ukendt.

Forskningen, offentliggjort i dag i Naturkommunikationskemi , viser, at små nanopartikler (5-10 nm) er mest i stand til at forstyrre membraner, som forskerne siger, skal tages i betragtning, når man designer nanopartikler til brug i kroppen.

Nanopartikler kommer i en lang række størrelser, former og materialer, og biologiske systemer er komplekse, gør det vanskeligt at afgøre, hvordan de interagerer med hinanden. Imidlertid, forskere ved, at et af de vigtigste første skridt i toksicitet er, når en partikel interagerer med membranen omkring en celle.

Partikler kan binde sig til ydersiden af ​​membraner, blive indlejret i dem, eller blive helt opslugt og gå ind i cellen. Hver af disse udfald kan påvirke cellen på forskellige måder; for eksempel, forvrængning af membranen kan påvirke dens elastiske egenskaber, potentielt påvirke dens evne til at fungere.

Nu, forskere fra Imperial College London har testet guld nanopartikler med kunstige celler, at finde ud af, at hvordan de interagerer afhænger af størrelsen af ​​nanopartiklerne, med mindre nanopartikler (5-10 nm) mest i stand til at trænge ind i cellemembraner.

Størrelse betyder noget

Ledende forsker Dr. Claudia Contini, fra Institut for Kemi ved Imperial, sagde:"Den voksende produktion af nanopartikler har ført til stigende bekymringer med hensyn til deres indvirkning på menneskers sundhed og miljøet generelt. Det er vanskeligt at identificere nanopartikler, der er farlige for naturlige organismer, i betragtning af det store udvalg af nanopartikler, deres forskellige egenskaber og kompleksiteten af ​​biologiske enheder.

"Ved at bruge et forenklet system, vi var i stand til at vise, at skæbnen for en nanopartikel i kontakt med en membran er bestemt af dens størrelse. Mindre nanopartikler har en bedre chance for at trænge ind i membranen sammenlignet med større størrelser, som bør tages i betragtning, når man forudsiger, hvilke nanopartikler der kan være farlige."

Guld nanopartikler bliver undersøgt for en række anvendelser inde i kroppen, herunder hjælp til tumordetektion og til levering af lægemidler eller genterapimidler. Nanopartiklerne er sædvanligvis 'funktionaliserede' – belagt med molekyler, der hjælper dem med at målrette mod specifikke receptorer i cellemembraner, der tillader dem at interagere med eller trænge ind i cellen.

Imidlertid, det var uvist, om funktionalisering altid var nødvendig for interaktion, eller om nanopartiklerne kunne interagere spontant. Holdet testede forskellige størrelser af ikke-funktionaliserede guldnanopartikler med kunstige celler, der efterligner egenskaberne af biologiske cellemembraner. Ved at bruge disse simple celle-efterligninger tillod dem at fokusere på membran-nanopartikel-interaktionerne.

Design af fremtidige nanopartikler

De fandt ud af, at større nanopartikler (50-60 nm) nogle gange klæbede til ydersiden af ​​membranen, men forårsagede minimal forstyrrelse, mellemstore nanopartikler (25-35 nm) klæbet oftere til overfladen og forårsagede en vis forvrængning, og mindre nanopartikler (5-10 nm) forvrængede membranen betydeligt, nogle gange bøjer det indad med flere nanopartikler stablet sammen, forårsager en rørformet forvrængning.

Mindre nanopartikler kan derfor forårsage uønskede toksiske bivirkninger i kroppen, når de ikke er funktionaliserede - en faktor, som holdet siger, bør tages i betragtning, når de designer medicinske nanopartikler.

Forskningsresultaterne har også en fordel - nogle gange er det nyttigt, hvis nanopartikler kommer ind i membranerne, for eksempel ved levering af lægemidler direkte til celler. Mindre guld-nanopartikler kan således skabe bedre lægemiddelleveringssystemer, hvis de lettere trækkes ind i cellen.