Ein fortschrittliches System zur größenabhängigen Analyse der Zytotoxizität von Siliziumdioxid

Metallische Nanomaterialien sind aufgrund ihrer einzigartigen und vielseitigen Eigenschaften aus der Industrie und Medizin nicht mehr wegzudenken. Ihre Größe, die ihnen die gewünschten physikalisch-chemischen Eigenschaften verleiht, gibt auch Anlass zu Umwelt- und Gesundheitsproblemen. Die in Nanomaterialien enthaltenen nanometrischen Partikel haben eine große Reaktivität gegenüber Biomolekülen und oft sogar Toxizität gegenüber biologischen Zellen gezeigt.

Wissenschaftler haben dieses Verhalten von Metallnanopartikeln bei der Interaktion mit Biomolekülen auf Phänomene wie Entzündungen oder oxidativen Stress zurückgeführt. Um jedoch eine sichere Verwendung von Metallnanopartikeln zu gewährleisten, ist es notwendig, die molekularen Mechanismen zu erforschen, die für die Toxizität verantwortlich sind, und zu verstehen, wie die Aufnahme von Nanopartikeln durch Zellen je nach Form, Größe, Morphologie und anderen Aspekten variiert.

Um Licht in diese Frage zu bringen, haben Assistenzprofessor Yu-ki Tanaka und Professor Yasumitsu Ogra, beide von der Graduate School of Pharmaceutical Sciences der Universität Chiba, nun die zelluläre Abgabe von Silica-Nanopartikeln (SiNP) in Abhängigkeit von ihrer Größe abgeschätzt.

In ihrem jüngsten Durchbruch veröffentlicht in Archiv für ToxikologieDie Forscher entwickelten ein AF4-ICP-MS-System (asymmetrische Flussfraktionierung mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie), das SiNPs in fünf verschiedenen Größen (10, 30, 50, 70 und 100 nm) trennte und eine quantitative Zytotoxizitätsbewertung von SiNPs ermöglichte HepG2-Zellen.

„SiNPs haben in verschiedenen Bereichen wie der Arzneimittelverabreichung, der biomedizinischen Bildgebung, bei Katalysatoren sowie bei der Umweltsanierung zur Entfernung von Schadstoffen aus Wasser und Boden an Bedeutung gewonnen. Allerdings geben ihre Umwelttoxizität und ihre möglichen Auswirkungen auf lebende Organismen auch Anlass zu ernsthafter Besorgnis.“ » sagt Dr. Tanaka, als er nach der Motivation hinter dieser Studie gefragt wird.

„Um eine Lösung für den Kompromiss zwischen industrieller Verfügbarkeit und Toxizität zu finden, haben wir beschlossen, eine Technik zu entwickeln, um die potenziellen nachteiligen Auswirkungen von SiNPs zu verstehen, indem wir quantitative Daten zur zellulären Aufnahme und toxikologischen Reaktionen kombinieren.“

Größenanalysetechniken wie Elektronenmikroskopie und dynamische Laserlichtstreuung haben es nicht geschafft, Nanopartikelproben in tiefen Schichten zu beobachten und die chemische Zusammensetzung der Nanopartikel aufzuklären. Um diesen Problemen entgegenzuwirken, übernahm das Team die neue AF4-ICP-MS-Größenanalysetechnik, die nicht nur diese Probleme überwand, sondern auch Nanopartikel mit einer Größe von nur 10 nm detektierte. Dies wäre mit herkömmlichen ICP-MS-Methoden nicht möglich gewesen.

Das Team nutzte die AF4-basierte Methode, um die zelluläre Aufnahme von SiNPs in im Labor gezüchteten menschlichen Hepatom-HepG2-Zellen zu bewerten. Die Messungen zeigten, dass etwa 17 % der SiNPs, die HepG2-Zellen ausgesetzt waren, aufgenommen wurden. Die vom Team durchgeführte Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) beobachtete das Vorhandensein von SiNP-Aggregaten in den Zellen, was auf die Fähigkeit der kleinen Nanopartikel hinweist, sich im Kulturmedium anzusiedeln und leicht in die Zellen einzudringen.

„Wir fanden heraus, dass kleinere SiNPs eine höhere Toxizität gegenüber HepG2-Zellen aufwiesen als größere, aber die AF4-ICP-MS-Analyse ergab keine signifikanten größenabhängigen Unterschiede im Volumen der von den Zellen absorbierten Partikel“, bemerkt Dr. Tanaka und hebt die Ergebnisse der Studie hervor Toxizitätsexperimente. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das hohe zytotoxische Verhalten kleiner SiNPs auf der im Vergleich zu größeren Partikeln großen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen beruht.

Die Forscher untersuchten auch die chemischen Mechanismen, die mit der Zytotoxizität verbunden sind. Die Daten zeigten, dass Zellnekrose teilweise mit oxidativem Stress zusammenhängt, der durch die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) verursacht wird. Darüber hinaus waren die Wechselwirkungen von Silanolgruppen auf der Oberfläche von SiNP und Phospholipiden in der Zellmembran für die damit verbundene Zellschädigung verantwortlich.

Insgesamt stellen die Ergebnisse die neuartige AF4-ICP-MS-Technik als leistungsstarkes Werkzeug zur quantitativen Bestimmung der durch Metallnanopartikel unterschiedlicher Größe induzierten Zytotoxizität dar. Die Ergebnisse dieser Studie bilden auch eine solide Grundlage für zukünftige Studien, die die Risikobewertung der Nanopartikel-Exposition und deren potenzielle Belastung für den menschlichen Körper untersuchen.

„Das Ziel unserer Studie war es, eine einfache Analysetechnik vorzuschlagen, die dazu beitragen würde, potenzielle Gesundheitsschäden durch Nanopartikel zu minimieren. Wir hoffen, dass die durch unsere Studie bereitgestellten toxikologischen Informationen dazu beitragen werden, Kriterien für die Verwendung und angemessene Regulierung von Nanopartikeln festzulegen.“ in der Industrie, im medizinischen Bereich und sogar in Alltagsgegenständen, die Nanopartikel enthalten“, schließt Dr. Tanaka.