Новые методы скрининга наночастиц
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали метод скрининга для изучения взаимодействия вновь созданных наночастиц с клетками человека при различной продолжительности и дозе воздействия.
Это позволило визуализировать, как клетки человека взаимодействуют с некоторыми специфическими типами углеродных наночастиц. Метод описан в обзорной статье о токсичности углеродных наночастиц в специальном разделе выпуска журнала Journal of Physics: Condensed Matter от 23 августа 2006 года, посвященного разработкам в области нанонауки и нанотехнологий.
Наночастицы могут обладать иными физическими, химическими, электрическими и оптическими свойствами, чем объемные образцы того же материала, отчасти из-за увеличенного отношения площади поверхности к объему в наномасштабе.
«Наноматериалы демонстрируют большие перспективы, но из-за их чрезвычайно малого размера и уникальных свойств мало что известно об их воздействии на живые системы», — заявила ведущий автор Барбара Панесса-Уоррен.
Разработанная командой Брукхейвена модель in vitro — это попытка упростить исследования, устранив многие переменные, присутствующие в исследованиях на животных (in vivo).
Метод исследования
Ученые использовали клетки эпителия легких и толстой кишки, выращенные в виде монослоев, чтобы смоделировать вероятные пути воздействия наночастиц (вдыхание и проглатывание). Эти живые монослои подвергались воздействию различных доз углеродных наночастиц в течение разного времени.
Тестировались различные типы наночастиц:
- Сырая подготовка нанотрубок (в основном однослойные углеродные нанотрубки, наноканаты, графен и следовые элементы).
- Частично очищенные окисленные на воздухе углеродные нанотрубки.
- Углеродные нанопетли, используемые для переноса антител.
Оценивались жизнеспособность клеток, характеристики роста монослоя и любые изменения внутри клеток с использованием различных методов микроскопии.
Результаты
- Инженерные углеродные наночастицы типа «нанопетля», созданные в Брукхейвене, не проявляли токсичности для любого типа клеток независимо от дозы и времени.
- Клетки, подвергшиеся воздействию наночастиц из сырой подготовки нанотрубок, показали повышенную гибель с увеличением времени и дозы воздействия.
- Микроскопические исследования выявили потерю межклеточных контактов в монослоях и изменения морфологии поверхности клеток, к которой прикреплялись нанотрубки и другие наночастицы. Повреждения были серьезными как при низких, так и при высоких дозах через три часа, что позволяет предположить, что время воздействия может быть даже более показательным фактором повреждения, чем концентрация.
- В местах контакта или прикрепления углеродных наночастиц, особенно нанотрубок, к клеточной поверхности плазматические мембраны повреждались, образуя микроскопические разрывы и отверстия, обнажающие цитоплазму.
- Маленькие углеродные частицы могли проникать в клетки и включаться в клеточные ядра.
- Соседние клетки без прикрепленных наночастиц выглядели нормально и продолжали расти, что указывает на необходимость прямого контакта для возникновения повреждения.
Эти данные согласуются с недавними биохимическими исследованиями, сообщающими о выработке активных форм кислорода (свободных радикалов) и перекисном окислении липидов клеточных мембран после контакта живых клеток с другими формами углеродных наночастиц — фуллеренами («бакиболами»).
Перспективы
Метод скрининга дает быстрый способ анализа реакции клеток человека на наночастицы на визуальном макро- и микроуровне. Сейчас исследования переводятся на молекулярный и генетический уровень, чтобы определить, испытывают ли клетки стресс.
«В конечном итоге любые новые наноматериалы, предназначенные для крупномасштабного производства или использования, также должны быть протестированы in vivo... Тем не менее, наши методы дают нам возможность отсеять те наночастицы, которые вообще не должны доходить до этой стадии, или определить способы их улучшения в первую очередь», — добавила Панесса-Уоррен.
Источник: Брукхейвенская национальная лаборатория.