Esperimenti a basso costo per testare la tossicità dei nanomateriali incentrati su popolazioni di nematodi. Gli scienziati della Rice University sono stati in grado di testare 20 nanomateriali in breve tempo, e vedono il loro metodo come un modo per determinare quali nanomateriali dovrebbero essere sottoposti a test più approfonditi. Credito:Zhong Lab/Rice University
L'umile ascaridi è la stella di un ambizioso progetto della Rice University per misurare la tossicità delle nanoparticelle.
Il basso costo, studio ad alto rendimento degli scienziati della Rice Weiwei Zhong e Qilin Li misura gli effetti di molti tipi di nanoparticelle non solo su singoli organismi ma anche su intere popolazioni.
I ricercatori della Rice hanno testato 20 tipi di nanoparticelle e hanno determinato che cinque, comprese le molecole di carbonio-60 ("buckyballs") scoperte a Rice nel 1985, ha mostrato poca o nessuna tossicità.
Altri erano moderatamente o altamente tossici per Caenorhabditis elegans , diverse generazioni di cui i ricercatori hanno osservato per vedere gli effetti delle particelle sulla loro salute.
I risultati sono stati pubblicati dalla rivista dell'American Chemical Society Scienze e tecnologie ambientali . Sono disponibili anche sul sito web open source dei ricercatori.
"Le nanoparticelle sono fondamentalmente nuovi materiali, e non sappiamo molto di cosa faranno alla salute umana e alla salute dell'ecosistema, " disse Li, professore associato di ingegneria civile e ambientale e di scienza dei materiali e nanoingegneria. "Ci sono state molte pubblicazioni che mostrano che alcuni nanomateriali sono più tossici di altri. Quindi, prima di realizzare più prodotti che incorporano questi nanomateriali, è importante comprendere che non stiamo immettendo nulla di tossico nell'ambiente o nei prodotti di consumo.
"La domanda è, Quanto costi possiamo sostenere?" ha detto. "È un processo lungo e costoso fare uno studio tossicologico approfondito di qualsiasi sostanza chimica, non solo nanomateriali." Ha detto che a causa della grande varietà di nanomateriali prodotti ad alta velocità e su larga scala, c'è "un urgente bisogno di tecniche di screening ad alto rendimento per dare la priorità a quali studiare più ampiamente".
Il ricercatore post-dottorato della Rice University Sang-Kyu Jung controlla un test di nematodi come quelli usati per testare la tossicità delle nanoparticelle. Gli scienziati del riso hanno sviluppato un a basso costo, sistema ad alto rendimento che potrebbe ridurre i costi per determinare quali nanoparticelle dovrebbero essere ulteriormente studiate per le applicazioni e per i loro effetti sull'ambiente. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Lo studio pilota di Rice dimostra che è possibile raccogliere molti dati sulla tossicità a basso costo, ha detto Zhong, un assistente professore di scienze biologiche, che ha condotto studi approfonditi su C. elegans , in particolare sulle loro reti di geni. Solo materiali per ogni saggio, compresi i vermi e i batteri che hanno consumato e i terreni di coltura, costa circa 50 centesimi, lei disse.
I ricercatori hanno utilizzato quattro test per vedere come reagiscono i vermi alle nanoparticelle:fitness, movimento, crescita e durata della vita. Il test di tossicità più sensibile è stato l'idoneità. In questa prova, i ricercatori hanno mescolato le nanoparticelle in soluzioni con i batteri consumati dai vermi. La misurazione della quantità di batteri che hanno mangiato nel tempo è servita come misura della "forma fisica" dei vermi.
"Se la salute dei vermi è influenzata dalle nanoparticelle, si riproducono di meno e mangiano di meno, " Zhong ha detto. "Nel test di fitness, monitoriamo i vermi per una settimana. Questo è abbastanza lungo da permetterci di monitorare gli effetti di tossicità accumulati attraverso tre generazioni di vermi". C. elegans ha un ciclo di vita di circa tre giorni, e poiché ciascuno può produrre molti figli, una popolazione che parte da 50 anni ne conta più di 10, 000 dopo una settimana. Un numero così elevato di animali testati ha inoltre consentito al test di idoneità di essere altamente sensibile.
Il sistema "QuantWorm" dei ricercatori ha consentito un rapido monitoraggio dell'idoneità dei vermi, movimento, crescita e durata della vita. Infatti, il monitoraggio dei worm è stata probabilmente la parte meno dispendiosa in termini di tempo del progetto. Ogni nanomateriale ha richiesto una preparazione specifica per assicurarsi che fosse solubile e potesse essere consegnato ai vermi insieme ai batteri. Anche le proprietà chimiche di ciascun nanomateriale dovevano essere caratterizzate in dettaglio.
I ricercatori hanno studiato un campionamento rappresentativo di tre classi di nanoparticelle:metallo, ossidi metallici e a base di carbonio. "Non abbiamo fatto nanoparticelle polimeriche perché il tipo di polimeri che puoi avere è infinito, "Li ha spiegato.
Hanno esaminato la tossicità di ciascuna nanoparticella a quattro concentrazioni. I loro risultati hanno mostrato C-60 fullereni, fullerol (un derivato del fullerene), diossido di titanio, i nanotubi decorati con biossido di titanio e il biossido di cerio erano i meno dannosi per le popolazioni di vermi.
Il loro test di "idoneità" ha confermato la tossicità dose-dipendente per il nerofumo, nanotubi di carbonio a parete singola e multipla, grafene, ossido di grafene, nanoparticelle d'oro e biossido di silicio fumato.
Hanno anche determinato il grado in cui la chimica di superficie ha influenzato la tossicità di alcune particelle. Mentre i nanotubi multiparete funzionalizzati con ammine si sono dimostrati altamente tossici, i nanotubi idrossilati avevano la minor tossicità, con differenze significative nella forma fisica, lunghezza del corpo e durata della vita.
Una tabella di tossicità completa e interattiva per tutti i materiali testati è disponibile online.
Zhong ha affermato che il metodo potrebbe dimostrare il suo valore come un modo rapido per le aziende farmaceutiche o di altro tipo per restringere la gamma di nanoparticelle che desiderano sottoporre a costi più elevati, test tossicologici dedicati.
"Prossimo, speriamo di aggiungere variabili ambientali ai saggi, Per esempio, imitare l'esposizione ai raggi ultravioletti o le condizioni dell'acqua del fiume nella soluzione per vedere come influenzano la tossicità, " ha detto. "Vogliamo anche studiare il meccanismo biologico attraverso il quale alcune particelle sono tossiche per i vermi".
