Широко используемые наночастицы железа проявляют токсические эффекты на нервные клетки

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что содержащие железо наночастицы, тестируемые для использования в нескольких биомедицинских приложениях, могут быть токсичны для нервных клеток и мешать формированию их сигнально-передающих отростков.

«Железо — это важное питательное вещество для млекопитающих и большинства форм жизни, и оксид железа в виде наночастиц обычно считался безопасным», — сказал Сунхо Джин, профессор материаловедения. «Однако есть недавние сообщения, что этот тип наночастиц может быть токсичен для некоторых типов клеток, и наше открытие их нанотоксичности в ещё одном типе клеток предполагает, что эти частицы могут быть не такими безопасными, как мы когда-то думали».

В своих исследованиях учёные использовали клеточную линию PC12, полученную из феохромоцитомы крысы. Нервный фактор роста заставляет клетки PC12 экспрессировать различные нейрон-специфичные гены и генерировать тонкие, похожие на ростки клеточные отростки, называемые нейритами, которые в сотни раз длиннее ширины клетки (до нескольких миллиметров).

Исследователи начали эксперименты с покрытия наночастиц оксида железа DMSA (димеркаптоянтарной кислотой), которая полимеризуется на поверхности частиц. Это покрытие предотвращает слипание частиц в водном растворе и способствует их поглощению клетками PC12 посредством эндоцитоза.

Группа Джина первоначально исследовала наночастицы для использования в исследованиях in vitro как возможный способ дистанционного манипулирования нервными клетками с помощью магнитной силы. Однако при добавлении фактора роста нервов к клеткам, содержащим наночастицы, они наблюдали токсические дозозависимые эффекты: некоторые клетки погибли, а у многих выживших наблюдалась сниженная способность производить нейриты.

В экспериментах клетки PC12, не подвергавшиеся воздействию магнитных наночастиц, генерировали три нейрита в ответ на фактор роста нервов. Однако воздействие низкой концентрации наночастиц оксида железа привело к образованию менее трёх нейритов на клетку. Увеличение концентрации в 10 раз привело к двум нейритам на клетку, а ещё одно 10-кратное увеличение — к одному нейриту на клетку. Кроме того, нейриты, образовавшиеся в присутствии наночастиц, были менее сформированы и демонстрировали аномальную морфологию.

Исследователи также изучили длинные белковые полимеры внутри клеток PC12, составляющие цитоскелетную структуру. Они обнаружили, что наночастицы оксида железа приводят к меньшему количеству и менее организованным микротрубочкам и микрофиламентам — белковым полимерам, участвующим в подвижности и форме клеток.

«Стоит отметить, что ни наночастицы оксида железа сами по себе, ни материал покрытия сами по себе явно не токсичны, но их комбинация для создания водорастворимых наночастиц имеет совершенно другой эффект», — сказал Томас Пизаник, проводивший исследования в рамках проекта докторской диссертации.

Наночастицы оксида железа считаются перспективными, поскольку ими можно манипулировать с помощью дистанционных магнитных полей, их можно покрывать различными маркерными молекулами для избирательного прикрепления к опухолям и другим целям в организме. Частицы также могут доставлять противораковые препараты или радиоактивные материалы непосредственно к опухоли. Кроме того, они могут нагреваться с помощью переменного магнитного поля для селективного уничтожения раковых клеток в процессе, называемом магнитной гипертермией.

Многие исследователи по всему миру также изучают использование содержащих железо наночастиц в генной терапии, магнитно-резонансной томографии (МРТ) и других важных медицинских приложениях.

«Наш опыт заставляет нас заключить, что любой анализ биосовместимости наночастиц должен включать не только токсикологическое изучение составных частей, но и исследование общей структуры в целом», — сказал Пизаник.