Metalni nanomaterijali su postali nezaobilazni deo industrijskih i medicinskih oblasti zbog svojih jedinstvenih i raznovrsnih svojstava. Njihova veličina, koja im daje željena fizičko-hemijska svojstva, takođe je razlog za zabrinutost za životnu sredinu i zdravlje. Čestice nano veličine u nanomaterijalima pokazale su visoku reaktivnost prema biomolekulima i često čak toksičnost prema biološkim ćelijama.
Naučnici su ovo ponašanje metalnih nanočestica u interakciji sa biomolekulima pripisali pojavama poput upale ili oksidativnog stresa. Međutim, da bi se osigurala bezbedna upotreba metalnih nanočestica, potrebno je istražiti molekularne mehanizme odgovorne za toksičnost i razumeti kako se unos nanočestica od strane ćelija razlikuje u zavisnosti od njihovog oblika, veličine, morfologije i drugih aspekata.
Da bi rasvetlili ovo pitanje, docent Iu-ki Tanaka i prof. Iasumitsu Ogra, oboje sa Fakulteta farmaceutskih nauka Univerziteta Čiba, sada su procenili ćelijski unos nanočestica silicijum dioksida (SiNP) na osnovu njihovih veličina.
U svom nedavnom otkriću objavljenom u Archives of Tokicologi, istraživači su razvili sistem AF4-ICP-MS (frakcionisanje strujanja asimetričnog polja sa induktivno spregnutom plazma masenom spektrometrijom), koji je odvojio SiNP pet različitih veličina (10, 30, 50, 70, i 100 nm) i omogućila kvantitativnu procenu citotoksičnosti SiNP u HepG2 ćelijama.
„SiNP-ovi su dobili zamah u različitim oblastima kao što su isporuka lekova, biomedicinsko snimanje, katalizatori kao i sanacija životne sredine za uklanjanje zagađivača iz vode i tla. Međutim, postoji i značajna zabrinutost zbog njegove toksičnosti po životnu sredinu i potencijalnog uticaja na žive organizme,“ kaže dr Tanaka na pitanje o motivaciji iza ove studije.
„Dakle, da bismo pronašli lek za kompromis između industrijske dostupnosti i toksičnosti, odlučili smo da razvijemo tehniku za razumevanje potencijalnih štetnih efekata SiNP-a kombinovanjem kvantitativnih podataka o ćelijskom unosu i toksikološkim odgovorima.“
Tehnike analize veličine poput elektronske mikroskopije i laserskog dinamičkog rasejanja svetlosti nisu uspele da posmatraju uzorke nanočestica u dubokim slojevima i razjasne hemijski sastav nanočestica. Da bi se suprotstavio ovim problemima, tim je usvojio novu tehniku analize veličine AF4-ICP-MS, koja ne samo da je prevazišla te probleme, već je otkrila i nanočestice veličine čak 10 nm. Ovo ne bi bilo moguće sa konvencionalnim ICP-MS metodama.
Tim je koristio metodu zasnovanu na AF4 za procenu ćelijskog preuzimanja SiNP-a u laboratorijski kultivisanim ljudskim hepatomskim HepG2 ćelijama. Merenja su pokazala da je približno 17% SiNP-a izloženih ćelijama HepG2 apsorbovano. Transmisiona elektronska mikroskopija (TEM) koju je sproveo tim primetila je prisustvo SiNP agregata unutar ćelija, što ukazuje na sposobnost malih nanočestica da se talože u medijumu kulture i lako uđu u ćelije.
„Otkrili smo da su manji SiNP-ovi pokazali veću toksičnost prema HepG2 ćelijama od većih, ali AF4-ICP-MS analiza nije otkrila značajnu razliku zavisnu od veličine u zapremini čestica koje apsorbuju ćelije,“ primećuje dr Tanaka, naglašavajući ishode eksperimenata toksičnosti. Ovi rezultati sugerišu da je povišeno citotoksično ponašanje malih SiNP-a ukorenjeno u velikoj površini u odnosu na zapreminu čestica u poređenju sa većim.
Istraživači su takođe istraživali hemijske mehanizme povezane sa citotoksičnošću. Podaci su pokazali da je nekroza ćelija delimično povezana sa oksidativnim stresom izazvanim proizvodnjom reaktivnih vrsta kiseonika (ROS). Pored toga, interakcije silanolnih grupa na površini SiNP i fosfolipida u ćelijskoj membrani bile su odgovorne za povezano oštećenje ćelija.
Sve u svemu, rezultati predstavljaju novu tehniku AF4-ICP-MS kao moćno sredstvo za kvantitativno određivanje citotoksičnosti izazvane metalnim nanočesticama različitih veličina. Uvidi iz ove studije takođe pružaju solidnu osnovu za buduće studije koje se bave procenom rizika od izloženosti nanočesticama i njihovog potencijalnog opterećenja za ljudska tela.
„Cilj naše studije je bio da smislimo laku tehniku analize koja bi pomogla u misiji minimiziranja potencijalne štete po zdravlje od nanočestica. Nadamo se da će toksikološke informacije koje pruža naša studija pomoći u uspostavljanju kriterijuma za pravilno korišćenje i regulaciju nanočestica u industriji, medicinskom polju, pa čak i u predmetima za svakodnevnu upotrebu koji sadrže nanočestice“, zaključuje dr Tanaka.
