Множество потребительских товаров, с которыми мы сталкиваемся каждый день, в том числе косметика, солнцезащитные кремы, одежда и продукты питания, содержат наночастицы различных веществ.
Как правило, производители добавляют их для улучшения текстуры, уничтожения микроорганизмов, повышения срока годности или каких-то иных целей. В последнее время некоторые исследователи сходятся во мнении, что многие искусственные наночастицы могут быть токсичными для клеток человеческого организма.
Новое совместное исследование специалистов из Массачусетского технологического института (MIT) и Гарвардской школы общественного здравоохранения (HSPH) показало, что определённые частицы также способны повредить ДНК.
Учёные обнаружили, что наночастицы оксида цинка, часто используемые в солнцезащитных кремах для блокирования ультрафиолетовых лучей, значительно повреждают ДНК. Существенные повреждения вызывают также наночастицы серебра, которые добавляются при производстве игрушек, одежды, зубной пасты и множества других товаров для улучшения антимикробных свойств.
К этим выводам команда учёных пришла, анализируя данные высокоскоростного скрининга повреждений ДНК. Такой подход даёт возможность изучать потенциальную опасность наночастиц гораздо более быстрыми темпами и в более широком масштабе, нежели это было возможно ранее.
При производстве пищевых продуктов и медикаментов не требуется проверка наночастиц, если материал, из которых они сделаны, уже был признан безопасным. Тем не менее, есть данные, что содержащиеся в таких продуктах наночастицы также наносят вред организму: из-за их чрезвычайно малого размера они способны проявлять различные физические, химические и биологические свойства, а также легче проникать в сами клетки.
«Проблема в том, что если наночастицы изготовлены из материала, который считается безопасным, то считается, будто бы они не могут нанести вред, – комментирует один из авторов исследования Бевин Энгельуорд (Bevin Engelward). – Если такие продукты поступают в продажу, добиться их запрета становится практически невозможным».
В ходе исследования учёные сосредоточились на пяти типах наночастиц – серебра, оксида цинка, оксида железа, оксида церия и диоксида кремния (также известного как аморфный кремнезём). Все они используются в промышленном масштабе. Некоторые из этих наноматериалов способны производить свободные радикалы — активные формы кислорода, которые могут изменять ДНК. После того как эти частицы попадают в организм, они начинают накапливаться в тканях, причиняя вред.
«Необходимо отследить и оценить токсичность и опасность, которыми могут обладать подобные материалы, – комментирует соавтор работы Криста Уотсон (Christa Watson). – Токсикологический скрининг даёт нам возможность оценить наноматериалы, разрабатывающиеся и используемые в настоящее время».
Исследователи также надеются, что подобные скрининговые технологии могут быть использованы, чтобы в дальнейшем разработать более безопасные формы наночастиц. Так, совместно с промышленными инженерами уже сейчас разрабатываются безопасные наночастицы для УФ-блокировки.
Один из авторов исследования Филипп Демокриту (Philip Demokritou), недавно выяснил, что покрытие наночастиц цинка слоем аморфного кремнезёма может уменьшить способность частиц повреждать ДНК.
Большинство исследований токсичности наночастиц не концентрировались на выживании клеток после воздействия. Контакт с наночастицами необязательно убивает клетку, но может привести к мутациям, которые, если не компенсировать ущерб, впоследствии могут спровоцировать рост злокачественной опухоли.
Распространённый способ изучения повреждений ДНК в клетках называется «метод ДНК-комет». Эта процедура основана на ПААГ-электрофорезе — тесте, используемом для разделения белков и нуклеиновых кислот, основанный на движении заряженных биологических макромолекул в постоянном электрическом поле. Во время электрофореза повреждённая ДНК движется дальше, чем неповреждённая, оставляя след, похожий на хвост кометы. Дальность «путешествия» ДНК может показать, насколько сильным было повреждения. Эта процедура крайне чувствительна, но в то же время занимает массу времени.
В 2010 году Энгельуорд и её коллега Сангита Бхатия (Sangeeta Bhatia) разработали гораздо более быстрый вариант этой процедуры, получивший название CometChip. С помощью микротехнологий отдельные клетки могут быть пойманы в ловушку из крошечных лунок в матрице.
С помощью такого подхода можно одновременно обрабатывать более тысячи образцов (в то время как по предыдущему методу — лишь 30). Эта технология крайне важна для развивающейся области нанотоксикологии и должна помочь оценить возможные неблагоприятные последствия для здоровья, связанные с искусственными наночастицами.
С помощью CometChip специалисты рассмотрели влияние наночастиц на два типа клеток, стандартно используемых для исследований токсичности: человеческих кровяных клеток лимфобластоидов и клеток яичника китайского хомячка.
Оксид цинка и серебра вызвали наибольшие повреждения ДНК в обеих клеточных линиях. Концентрация в 10 микрограммов на миллилитр недостаточно высока, чтобы убить все клетки, но она вызывает большое количество разрывов в одноцепочечной ДНК. Диоксид кремния, который обычно добавляется при производстве пищевых продуктов и медикаментов, вызвал достаточно незначительные повреждения ДНК, как и оксиды железа и церия.
Для того чтобы определить, как именно наночастицы оксидов металла влияют на человеческий организм в целом, необходимы дополнительные исследования. Учёные уверены, что эффект зависит от дозы, а значит, необходимо выяснить, при какой концентрации негативные последствия начинают проявляться. Также они считают, что дети и эмбрионы более потенциально подвержены риску от контакта с наночастицами, так как их клетки делятся чаще, делая их более уязвимыми к повреждениям ДНК.
Наиболее распространённые сценарии попадания наночастиц в организм — через кожу, лёгкие и желудок, так что исследователи в настоящее время сосредоточились на изучении генотоксичности наночасиц на этих типах клеток.
Учёные также планируют рассмотреть воздействие на организм других инженерных наночастиц, в том числе оксидов металлов, используемых в принтерах и копировальных тонерах, так как они могут распространяться по воздуху и попадать в лёгкие.
Научная статья с полным обзором была опубликована в издании ACS Nano.
Автор: Маргарита Паймакова