Новое биологическое «лицо» вдыхаемых наночастиц

Ежедневно нас окружают потребительские товары, созданные с помощью нанотехнологий: средства личной гигиены, косметика, одежда, электроника, продукты питания и напитки.

Инвентарь потребительских товаров с нанотехнологиями (Nanotechnology Consumer Products Inventory), который ведет Международный центр ученых имени Вудро Вильсона, насчитывает 1814 таких продуктов, многие из которых могут быть опасны при вдыхании. Однако их потенциальные биологические риски во многом еще неизвестны.

Профессор Инженерного колледжа Гавайского университета в Маноа И Зуо разработал новый метод, позволяющий раскрыть молекулярный механизм взаимодействия наночастиц с биологическими системами в легких. Исследование было опубликовано в июльском выпуске 2017 года научного журнала ACS Nano под названием «Раскрытие молекулярной структуры короны легочного сурфактанта на наночастицах».

Исследование Зуо показало, что, попав в легкие, вдыхаемые наночастицы быстро покрываются биомолекулярной короной из естественного легочного сурфактанта. Вся поверхность легких выстлана пленкой легочного сурфактанта (липидно-белкового комплекса), которая выполняет важную физиологическую функцию защиты организма и снижения поверхностного натяжения. Корона из легочного сурфактанта придает вдыхаемым наночастицам новую «идентичность», которая определяет их последующее взаимодействие с биологической системой, например, скорость выведения и клеточную токсичность.

«Молекулярные взаимодействия между наночастицами и биомолекулами слишком малы и быстры, чтобы их можно было визуализировать с помощью большинства традиционных экспериментальных методов, — пояснил Зуо. — Поэтому мы изучили взаимодействие наночастиц с биосистемой с помощью виртуального эксперимента — молекулярно-динамического моделирования. Используя суперкомпьютеры, мы создали виртуальную коробку, в которой определенное количество молекул и частиц может двигаться и взаимодействовать друг с другом в течение заданного времени, следуя естественным законам физики и химии. Конечное равновесное состояние моделирования раскрывает молекулярный механизм взаимодействия».

Это исследование также может углубить понимание других загрязнителей воздуха, таких как вог — уникальное для Гавайев загрязнение воздуха из-за вулканических извержений. Учитывая воздействие вога на окружающую среду, здоровье и безопасность, существует острая необходимость в понимании его легочного риска, особенно для людей с уже существующими респираторными заболеваниями и детей, чья дыхательная система значительно более уязвима для вторжения частиц, чем у взрослых.

Зуо продолжает изучать молекулярный механизм взаимодействия наночастиц с биосистемами с помощью молекулярно-динамического моделирования и новых экспериментальных методов, разработанных в его Лаборатории биоколлоидов и биоинтерфейсов. Эта работа поможет создать полезные метрики для регулирования и контроля коммерческого применения нанотехнологий в целях более безопасного и устойчивого развития.