Токсичность наночастиц не меняется при самых малых размерах
Самые мелкие наноразмерные частицы кремнезема, используемые в биомедицине и технике, вероятно, не вызывают неожиданных биологических реакций из-за своего размера. Этот результат должен развеять опасения, что клетки и ткани будут реагировать непредсказуемо при воздействии мельчайших наноматериалов из кремнезема в промышленных или коммерческих применениях.
Нанотоксиколог Брайан Тралл и его коллеги выяснили, что в основном размер не имеет значения, используя общую площадь поверхности в качестве меры дозы, а не массу или количество частиц, и наблюдая за биологическим ответом культивируемых клеток.
«Если рассматривать площадь поверхности как метрику дозы, то вы получаете схожие типы ответов независимо от размера частицы, — сказал Тралл. — Это говорит о том, что химия, которая управляет биологическими ответами, не меняется, когда вы спускаетесь к самой маленькой наночастице».
Наночастицы — это материалы, состоящие из сферических частиц, которые в среднем в 100–1000 раз меньше ширины человеческого волоса. Они используются в шинах, биомедицинских исследованиях и косметике. Их свойства на таком размере могут давать преимущества, которых нет у стандартных материалов, например, возможность перемещаться по кровеносным сосудам для доставки лекарств.
Однако безопасность этих материалов для человека еще не ясна. Предыдущие работы в некоторых случаях предполагали, что наночастицы становятся более токсичными для клеток, чем меньше их размер.
Тралл представил эти токсикологические данные по аморфным наночастицам кремнезема на ежегодной встрече Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) в 2009 году. Он также представил данные о том, какие клеточные белки наночастицы используют для проникновения в клетки.
Одна из сложностей в измерении токсичности — отсутствие согласия о том, какую единицу дозы сравнивать. Некоторые исследователи измеряют дозу по общему весу, некоторые — по количеству частиц. Ни один из методов не позволяет отличить, обусловлена ли токсичность наноматериала его природой или изучаемым размером частиц.
«Разные метрики дозы дают разное представление о том, какие частицы более токсичны», — отметил он.
Чтобы выяснить это, Тралл и его коллеги из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) измерили дозу, при которой частицы вызывали биологический ответ. Ответом была либо гибель клетки, либо изменение в активности ее генов. Они обнаружили, что при расчете дозы по количеству или массе частиц количество, необходимое для запуска биологического ответа, было совершенно разным.
Они выяснили, что лучший способ определить токсичность частиц для клеток — рассчитывать дозу на основе общей площади поверхности наноматериала. Только при учете площади поверхности дозы они могли предсказать биологический ответ.
И этот биологический ответ, как они обнаружили, был очень схожим независимо от размера наночастиц. Внутри клеток некоторые гены реагировали на наночастицы, повышая или понижая свою активность. Более 76% этих генов вели себя одинаково для всех протестированных размеров наночастиц. Это указало исследователям, что для этих генов наночастицы не приобретали странных химических свойств при уменьшении размера.
«Большой страх заключается в том, что вы увидите уникальные биологические пути, на которые влияют на наноуровне. По большей части мы этого не увидели», — сказал Тралл.
Однако команда обнаружила некоторые гены, для которых размер имел значение. Небольшая группа генов попала в две категории: более мелкие частицы, по-видимому, влияли на гены, которые могут быть вовлечены в воспаление. Более крупные частицы, по-видимому, влияли на гены, которые транспортируют положительно заряженные атомы в клетки. Последний результат может быть связан с загрязнением металлами при приготовлении более крупных частиц, предположил Тралл.
В целом, результаты способствуют лучшему пониманию того, что происходит на наноуровне.