Una nanoparticella comunemente usata negli alimenti, cosmetici, la crema solare e altri prodotti possono avere effetti sottili sull'attività dei geni che esprimono gli enzimi che affrontano lo stress ossidativo all'interno di due tipi di cellule. Mentre le nanoparticelle di biossido di titanio (TiO2) sono considerate non tossiche perché non uccidono le cellule a basse concentrazioni, questi effetti cellulari potrebbero aumentare le preoccupazioni sull'esposizione a lungo termine al nanomateriale.

I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno utilizzato tecniche di screening ad alto rendimento per studiare gli effetti delle nanoparticelle di biossido di titanio sull'espressione di 84 geni correlati allo stress ossidativo cellulare. Il loro lavoro ha scoperto che sei geni, quattro di loro da un'unica famiglia di geni, sono stati colpiti da un'esposizione di 24 ore alle nanoparticelle.

L'effetto è stato osservato in due diversi tipi di cellule esposte alle nanoparticelle:cellule cancerose umane HeLa comunemente utilizzate nella ricerca, e una linea di cellule renali di scimmia. Le nanoparticelle di polistirene simili per dimensioni e carica elettrica superficiale alle nanoparticelle di biossido di titanio non hanno prodotto un effetto simile sull'espressione genica.

"Questo è importante perché ogni misura standard della salute delle cellule mostra che le cellule non sono influenzate da queste nanoparticelle di biossido di titanio, "ha detto Christine Payne, professore associato presso la School of Chemistry and Biochemistry della Georgia Tech. "I nostri risultati mostrano che c'è un cambiamento più sottile nello stress ossidativo che potrebbe essere dannoso per le cellule o portare a cambiamenti a lungo termine. Ciò suggerisce che altre nanoparticelle dovrebbero essere sottoposte a screening per effetti di basso livello simili".

La ricerca è stata segnalata online il 6 maggio nel Journal of Physical Chemistry C . Il lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health (NIH) attraverso il Centro HERCULES dell'Emory University, e da una borsa di studio di Vasser Woolley.

Le nanoparticelle di biossido di titanio aiutano a rendere bianche le ciambelle in polvere, proteggono la pelle dai raggi solari e riflettono la luce nelle superfici verniciate. Nelle concentrazioni comunemente usate, sono considerati atossici, sebbene diversi altri studi abbiano sollevato preoccupazioni sui potenziali effetti sull'espressione genica che potrebbero non avere un impatto diretto sulla salute a breve termine delle cellule.

Per determinare se le nanoparticelle potrebbero influenzare i geni coinvolti nella gestione dello stress ossidativo nelle cellule, Payne e la collega Melissa Kemp, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria biomedica di Wallace H. Coulter presso la Georgia Tech e l'Emory University, hanno progettato uno studio per valutare ampiamente l'impatto della nanoparticella sulle due linee cellulari.

Lavorando con gli studenti laureati Sabiha Runa e Dipesh Khanal, hanno incubato separatamente cellule HeLa e cellule renali di scimmia con ossido di titanio a livelli 100 volte inferiori alla concentrazione minima nota per avviare effetti sulla salute delle cellule. Dopo aver incubato le cellule per 24 ore con il TiO2, le cellule sono state lisate e il loro contenuto analizzato utilizzando sia la PCR che le tecniche Western Blot per studiare l'espressione di 84 geni associati alla capacità delle cellule di affrontare i processi ossidativi.

Payne e Kemp furono sorpresi di trovare cambiamenti nell'espressione di sei geni, tra cui quattro della famiglia di enzimi perossiredossina che aiuta le cellule a degradare il perossido di idrogeno, un sottoprodotto dei processi di ossidazione cellulare. Troppo perossido di idrogeno può creare stress ossidativo che può danneggiare il DNA e altre molecole.

L'effetto misurato è stato significativo:cambiamenti di circa il 50 percento nell'espressione degli enzimi rispetto alle cellule che non erano state incubate con nanoparticelle. I test sono stati condotti in triplicato e hanno prodotto risultati simili ogni volta.

"Una cosa che è stata davvero sorprendente è che questa intera famiglia di proteine ​​è stata colpita, sebbene alcuni fossero up-regolati e altri down-regolati, "Kemp ha detto. "Queste erano tutte proteine ​​correlate, quindi la domanda è perché risponderebbero in modo diverso alla presenza delle nanoparticelle".

I ricercatori non sono sicuri di come le nanoparticelle si leghino alle cellule, ma sospettano che possa coinvolgere la corona proteica che circonda le particelle. La corona è costituita da proteine ​​del siero che normalmente servono come cibo per le cellule, ma adsorbire alle nanoparticelle nel mezzo di coltura. Le proteine ​​corona hanno un effetto protettivo sulle cellule, ma può anche servire come modo per le nanoparticelle di legarsi ai recettori cellulari.

Il biossido di titanio è ben noto per i suoi effetti fotocatalitici alla luce ultravioletta, ma i ricercatori non pensano che sia in gioco qui perché la loro coltura è stata fatta alla luce dell'ambiente o al buio. Le singole nanoparticelle avevano diametri di circa 21 nanometri, ma nella coltura cellulare si formano aggregati molto più grandi.

Nel lavoro futuro, Payne e Kemp sperano di saperne di più sull'interazione, compreso il punto in cui le proteine ​​che producono gli enzimi si trovano nelle cellule. Per quello, possono usare HyPer-Tau, una proteina reporter che hanno sviluppato per tracciare la posizione del perossido di idrogeno all'interno delle cellule.

La ricerca suggerisce che potrebbe essere necessaria una rivalutazione per altre nanoparticelle che potrebbero creare effetti sottili anche se sono state ritenute sicure.

"Il lavoro precedente aveva suggerito che le nanoparticelle possono portare a stress ossidativo, ma nessuno aveva davvero guardato a questo livello e a così tante proteine ​​diverse allo stesso tempo, " Payne ha detto. "La nostra ricerca ha esaminato concentrazioni così basse da sollevare dubbi su cos'altro potrebbe essere interessato. Abbiamo esaminato in particolare lo stress ossidativo, ma potrebbero esserci altri geni che sono colpiti, pure."

Queste sottili differenze possono essere importanti quando vengono aggiunte ad altri fattori.

"Lo stress ossidativo è implicato in tutti i tipi di risposte infiammatorie e immunitarie, "Kemp ha osservato. "Mentre il biossido di titanio da solo può semplicemente modulare i livelli di espressione di questa famiglia di proteine, se ciò accade contemporaneamente hai altri tipi di stress ossidativo per motivi diversi, allora potresti avere un effetto cumulativo."