Новый метод быстро определяет наноматериалы, способные вызывать окислительное повреждение клеток

Инженерные наноматериалы с уникальными полупроводниковыми свойствами широко используются в потребительских товарах: от солнцезащитных кремов, косметики и красок до текстиля и солнечных батарей. Ожидается, что в ближайшие годы отрасль вырастет до $1 трлн. Однако их безопасность требует оценки.

Полупроводниковые свойства металлооксидных наноматериалов могут представлять опасность для здоровья людей, животных и окружающей среды. Поэтому критически важно разработать метод быстрого тестирования этих материалов для определения потенциальных рисков.

Исследователи из UCLA создали новую скрининговую технологию, позволяющую быстро оценивать большие партии металлооксидных наноматериалов по их способности вызывать определенные биологические реакции в клетках, обусловленные их полупроводниковыми свойствами. Работа опубликована в журнале ACS Nano.

Как и промышленные полупроводники, металлооксидные наноматериалы при контакте с клетками человека, содержащими электронно-активные молекулы, могут вызывать эффект переноса электронов. В организме эти окислительно-восстановительные реакции могут генерировать активные формы кислорода, повреждающие клетки и вызывающие острое воспаление в легких.

Ключевое открытие: для такого опасного переноса электронов и последующего окислительного повреждения энергетические уровни наноматериала (ширина запрещенной зоны, band-gap energy) и электронно-активных молекул в организме должны быть схожи.

На основе этого предсказания команда проскринировала 24 металлооксидных наночастицы, чтобы определить, какие с наибольшей вероятностью могут быть токсичными при реальном воздействии. Используя метод высокопроизводительного скрининга (с роботизированным оборудованием и автоматизированным микроскопом), они протестировали материалы на различных типах клеток за несколько часов. Шсть из них, соответствующие прогностическим критериям токсичности по ширине запрещенной зоны, вызвали окислительное повреждение клеток.

Последующие исследования на животных подтвердили гипотезу: только те материалы, которые вызвали окислительное повреждение в клетках, спровоцировали воспаление в легких мышей.

«Способность делать такие прогнозы, начиная с клеток в пробирке и экстраполируя результаты на целых животных и людей, — огромный шаг вперед в скрининге безопасности наноматериалов», — говорит старший автор работы доктор Андре Нел.

Новая технология оценки безопасности может заменить традиционное трудоемкое тестирование на животных по одному материалу, которое не раскрывает причин опасности. Подход UCLA позволяет ускорить оценку множества новых наноматериалов, не дожидаясь проявления их токсичности.

«Интеграция электронных свойств металлооксидов в прогностическую платформу высокопроизводительного скрининга может продвинуть тестирование безопасности наноматериалов в XXI веке к превентивной стратегии», — отмечает Нел.

Еще одно преимущество подхода, основанного на оценке свойств материалов, — возможность идентифицировать параметры, которые можно изменить при redesign, чтобы сделать материалы менее опасными.

Внедрение высокопроизводительного скрининга также ведет к разработке компьютерных инструментов для прогнозирования. В будущем большая часть оценки безопасности наноматериалов может проводиться с помощью программ, выполняющих интеллектуальное моделирование на основе электронных свойств.

«Теперь мы можем доработать тестирование важного класса инженерных наноматериалов до уровня, пригодного для использования регуляторными агентствами», — говорит первый автор исследования Хайюань Чжан.