migliaia di prodotti di consumo, compresi cosmetici, creme solari, e abbigliamento:contengono nanoparticelle aggiunte dai produttori per migliorare la consistenza, uccidere i microbi, o aumentare la durata di conservazione, tra gli altri scopi. Però, diversi studi hanno dimostrato che alcune di queste nanoparticelle ingegnerizzate possono essere tossiche per le cellule.

Un nuovo studio del MIT e della Harvard School of Public Health (HSPH) suggerisce che anche alcune nanoparticelle possono danneggiare il DNA. Questa ricerca è stata condotta da Bevin Engelward, un professore di ingegneria biologica al MIT, e professore associato Philip Demokritou, direttore del Centro di HSPH per le nanotecnologie e la nanotossicologia.

I ricercatori hanno scoperto che le nanoparticelle di ossido di zinco, spesso usato nella protezione solare per bloccare i raggi ultravioletti, danneggiare significativamente il DNA. Argento su nanoscala, che è stato aggiunto ai giocattoli, dentifricio, capi di abbigliamento, e altri prodotti per le sue proprietà antimicrobiche, produce anche danni sostanziali al DNA, hanno trovato.

Le scoperte, pubblicato in un recente numero della rivista ACS Nano , fatto affidamento su una tecnologia di screening ad alta velocità per analizzare il danno al DNA. Questo approccio consente di studiare i potenziali pericoli delle nanoparticelle a un ritmo molto più rapido e su una scala più ampia di quanto fosse possibile in precedenza.

La Food and Drug Administration non richiede ai produttori di testare additivi su scala nanometrica per un determinato materiale se è già stato dimostrato che il materiale sfuso è sicuro. Però, ci sono prove che la forma delle nanoparticelle di alcuni di questi materiali potrebbe non essere sicura:a causa delle loro dimensioni immensamente piccole, questi materiali possono esibire fisici diversi, chimico, e proprietà biologiche, e penetrano più facilmente nelle cellule.

"Il problema è che se una nanoparticella è composta da qualcosa che è considerato un materiale sicuro, è generalmente considerato sicuro. Ci sono persone là fuori che sono preoccupate, ma è una battaglia dura perché una volta che queste cose entrano in produzione, è molto difficile da annullare, "dice Engelward.

I ricercatori si sono concentrati su cinque tipi di nanoparticelle ingegnerizzate:argento, ossido di zinco, ossido di ferro, ossido di cerio, e biossido di silicio (noto anche come silice amorfa), che vengono utilizzati industrialmente. Alcuni di questi nanomateriali possono produrre radicali liberi chiamati specie reattive dell'ossigeno, che può alterare il DNA. Una volta che queste particelle entrano nel corpo, possono accumularsi nei tessuti, provocando ulteriori danni.

"È essenziale monitorare e valutare la tossicità o i pericoli che questi materiali possono presentare. Ci sono così tante varianti di questi materiali, in diverse dimensioni e forme, e vengono incorporati in così tanti prodotti, "dice Christa Watson, un postdoc presso HSPH e l'autore principale del documento. "Questa piattaforma di screening tossicologico ci offre un metodo standardizzato per valutare i nanomateriali ingegnerizzati che vengono sviluppati e utilizzati attualmente".

I ricercatori sperano che questa tecnologia di screening possa essere utilizzata anche per aiutare a progettare forme più sicure di nanoparticelle; stanno già lavorando con partner del settore per progettare nanoparticelle che bloccano i raggi UV più sicure. Il laboratorio di Demokritou ha recentemente dimostrato che il rivestimento di particelle di ossido di zinco con uno strato nanosottile di silice amorfa può ridurre la capacità delle particelle di danneggiare il DNA.

Analisi rapida

Fino ad ora, la maggior parte degli studi sulla tossicità delle nanoparticelle si è concentrata sulla sopravvivenza delle cellule dopo l'esposizione. Pochissimi hanno esaminato la genotossicità, o la capacità di danneggiare il DNA, un fenomeno che potrebbe non uccidere necessariamente una cellula, ma uno che può portare a mutazioni cancerose se il danno non viene riparato.

Un modo comune per studiare il danno al DNA nelle cellule è il cosiddetto "test della cometa, " chiamato per lo striscio a forma di cometa che ha danneggiato le forme del DNA durante il test. La procedura si basa sull'elettroforesi su gel, un test in cui viene applicato un campo elettrico al DNA posto in una matrice, costringendo il DNA a muoversi attraverso il gel. Durante l'elettroforesi, il DNA danneggiato viaggia più lontano del DNA non danneggiato, producendo una forma a coda di cometa.

Misurare quanto lontano può viaggiare il DNA rivela quanti danni al DNA si sono verificati. Questa procedura è molto delicata, ma anche molto noioso.

Nel 2010, Engelward e il professore del MIT Sangeeta Bhatia hanno sviluppato una versione molto più rapida del test della cometa, noto come CometChip. Utilizzando la tecnologia di microfabbricazione, singole cellule possono essere intrappolate in piccoli micropozzetti all'interno della matrice. Questo approccio consente di elaborare fino a 1, 000 campioni nel tempo impiegato per elaborare solo 30 campioni, consentendo ai ricercatori di testare dozzine di condizioni sperimentali alla volta, che può essere analizzato utilizzando un software di imaging.

Wolfgang Kreyling, un epidemiologo presso il Centro di ricerca tedesco per la salute ambientale che non è stato coinvolto nello studio, afferma che questa tecnologia dovrebbe aiutare i tossicologi a raggiungere il rapido tasso di implementazione delle nanoparticelle ingegnerizzate (ENP).

"C'è un disperato bisogno di piattaforme di screening ad alto rendimento, " Kreyling dice. "L'approccio proposto non sarà solo uno strumento importante per i nanotossicologi che sviluppano strategie di screening ad alto rendimento per la valutazione dei possibili effetti negativi sulla salute associati alle ENP, ma anche di grande importanza per gli scienziati dei materiali che lavorano allo sviluppo di nuovi ENP e approcci più sicuri fin dalla progettazione."

Utilizzando il CometChip, i ricercatori del MIT e dell'HSPH hanno testato gli effetti delle nanoparticelle su due tipi di cellule comunemente utilizzate per gli studi di tossicità:un tipo di cellule del sangue umano chiamate linfoblastoidi, e una linea immortalata di cellule ovariche di criceto cinese.

L'ossido di zinco e l'argento hanno prodotto il maggior danno al DNA in entrambe le linee cellulari. A una concentrazione di 10 microgrammi per millilitro, una dose non abbastanza alta da uccidere tutte le cellule, questi hanno generato un gran numero di rotture del DNA a singolo filamento.

Biossido di silicio, che viene comunemente aggiunto durante la produzione di alimenti e farmaci, generato livelli molto bassi di danno al DNA. Anche l'ossido di ferro e l'ossido di cerio hanno mostrato una bassa genotossicità.

Quanto è troppo?

Sono necessari ulteriori studi per determinare quanta esposizione alle nanoparticelle di ossido di metallo potrebbe essere pericolosa per l'uomo, dicono i ricercatori.

"La sfida più grande che abbiamo come persone interessate alla biologia dell'esposizione è decidere quando è qualcosa di pericoloso e quando no, in base al livello di dose. A bassi livelli, probabilmente queste cose vanno bene, " Dice Engelward. "La domanda è:a quale livello diventa problematico, e quanto tempo ci vorrà per accorgercene?"

Una delle aree di maggiore preoccupazione è l'esposizione professionale alle nanoparticelle, dicono i ricercatori. Anche i bambini e i feti sono potenzialmente a maggior rischio perché le loro cellule si dividono più spesso, rendendoli più vulnerabili ai danni al DNA.

Le vie più comuni che le nanoparticelle ingegnerizzate seguono nel corpo sono attraverso la pelle, polmoni, e stomaco, quindi i ricercatori stanno ora studiando la genotossicità delle nanoparticelle su quei tipi di cellule. Stanno anche studiando gli effetti di altre nanoparticelle ingegnerizzate, compresi gli ossidi metallici utilizzati nel toner di stampanti e fotocopiatrici, che può disperdersi nell'aria ed entrare nei polmoni.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.