Macrofagi di topo (rosso) inghiottono nanoparticelle di silice (verde)
Gli scienziati hanno dimostrato che un processo noto come stress ossidativo è all'opera durante gli incontri tra determinate nanoparticelle e cellule immunitarie, modificando selettivamente le proteine sui macrofagi, un tipo di cellula immunitaria. Le scoperte, dai ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy, sono stati pubblicati sulla rivista ACS Nano .
Mentre lo stress ossidativo è un modo comune per il verificarsi del danno cellulare, i risultati sono stati una sorpresa in qualche modo.
"Lo stress ossidativo si verifica in modo selettivo anche a bassi livelli di esposizione alle nanoparticelle, " ha detto Brian Thrall, un esperto di nanotossicologia al PNNL e un corrispondente autore dello studio. "Abbiamo dimostrato un approccio abbastanza sensibile da rilevare gli effetti delle nanoparticelle sui macrofagi molto prima che queste cellule muoiano. Questo ci dà l'opportunità di comprendere i bersagli cellulari più sensibili dello stress ossidativo e i percorsi coinvolti in modo più completo di prima.
"Si tratta di informazioni importanti per comprendere come le nanoparticelle possono alterare la funzione cellulare e per iniziare a identificare le funzioni che consentono alle cellule di adattarsi rispetto a quelle potenzialmente coinvolte negli effetti avversi, "Ha aggiunto schiavo.
Le nanoparticelle sono generalmente più piccole di 100 nanometri di larghezza, meno di un millesimo della larghezza di un capello umano. Se una palla da basket standard fosse gonfiata fino alle dimensioni della Terra, una nanoparticella ingrandita in proporzione avrebbe all'incirca le dimensioni di un pallone da spiaggia in confronto. Le particelle sono ampiamente utilizzate in applicazioni biomediche, capi di abbigliamento, l'industria elettronica, cosmetici, imballaggi per alimenti e creme solari; sono anche un componente in molte forme di inquinamento atmosferico.
Poiché gli scienziati hanno affinato la loro capacità di produrre una varietà di nanoparticelle utilizzate nei manufatti, c'è una maggiore necessità di studiare i loro potenziali effetti. spesso, questi studi esaminano se l'esposizione alle particelle provoca o meno la morte cellulare. Lo studio PNNL è più sfumato, esaminando in modo più approfondito proteine specifiche nelle cellule che sono i bersagli del danno ossidativo causato dalle nanoparticelle.
"Questo studio mostra che alcune nanoparticelle che consideriamo non tossiche possono avere molti effetti sui macrofagi, " disse il chimico analitico Wei-Jun Qian, anche un corrispondente autore dello studio.
I risultati dipendono da un metodo recentemente sviluppato dagli scienziati del PNNL per misurare l'ossidazione delle proteine in siti molto specifici nelle cellule come i macrofagi. Qian ha sviluppato una misura molto sensibile delle modifiche proteiche nelle cellule per consentire agli scienziati di esaminare siti specifici nella cellula in cui gli scienziati sanno che vengono svolte determinate funzioni. Il metodo, noto come approccio quantitativo di proteomica redox, utilizza uno spettrometro di massa avanzato per esaminare simultaneamente migliaia di siti coinvolti nelle reazioni redox.
I team di Thrall e Qian hanno lavorato insieme per analizzare le modifiche in tutte le proteine nelle cellule di topo. Il gruppo ha esaminato gli effetti di tre tipi di nanoparticelle che variano nel loro potenziale di causare stress ossidativo e morte cellulare:
Il team ha esaminato da vicino più di 2, 000 hotspot cellulari in cui un processo noto come S-glutationilazione, un tipo specifico di modificazione proteica nota per essere coinvolta nelle funzioni immunitarie quando una cellula è sotto stress ossidativo, si verifica.
Nei macrofagi esposti a nanoparticelle, il team ha trovato "impronte" molecolari di attività, un aumento della S-glutationilazione. Però, il modello specifico delle modificazioni ossidative sulle proteine variava a seconda del tipo di nanoparticella. Osservando queste modifiche, i ricercatori sono stati in grado di identificare percorsi molecolari specifici più sensibili ai bassi livelli di stress ossidativo, e distinguere quelli da altri percorsi che erano associati ad alti livelli di stress ossidativo legati alla morte cellulare.
L'idea che una nanoparticella danneggi i macrofagi del corpo non è una sorpresa:i macrofagi sono i primi soccorritori del corpo quando si tratta di riconoscere e neutralizzare un invasore. Alcune nanoparticelle possono indebolire la capacità dei macrofagi di riconoscere, trattenere e inghiottire le particelle.
Due anni fa, Il team di Thrall ha dimostrato che quando i macrofagi sono esposti a nanoparticelle, le cellule non funzionano altrettanto bene e sono meno in grado di riconoscere e rimuovere la polmonite da Streptococcus, la principale causa di polmonite acquisita in comunità. Il modello dei cambiamenti proteici identificato in questo studio fornisce nuovi indizi sui tipi di nanoparticelle che causano questi effetti e sulle proteine coinvolte.
Qian ha sviluppato il metodo come parte del suo lavoro studiando le reazioni redox che svolgono un ruolo importante nella regolazione della fotosintesi nelle piante. Capire come le piante catturano, elaborare e incanalare l'energia del sole aiuta naturalmente gli scienziati a sviluppare nuovi sistemi energetici efficienti per fare lo stesso. Qian ha usato il sistema per scoprire più di 2, 100 posizioni molecolari in cui è probabile che si verifichino reazioni redox nei cianobatteri, importanti per la produzione di biocarburanti.
