I nanomateriali metallici sono diventati una parte indispensabile dei settori industriale e medico grazie alle loro proprietà uniche e versatili. La loro dimensione, che conferisce loro le proprietà fisico-chimiche desiderate, è anche motivo di preoccupazioni per l'ambiente e la salute. Le nanoparticelle nei nanomateriali hanno mostrato un'elevata reattività nei confronti delle biomolecole e spesso anche tossicità nei confronti delle cellule biologiche.
Gli scienziati hanno attribuito questo comportamento delle nanoparticelle metalliche nell'interazione con le biomolecole a fenomeni come l'infiammazione o lo stress ossidativo. Tuttavia, per garantire un utilizzo sicuro delle nanoparticelle metalliche, è necessario esplorare i meccanismi molecolari responsabili della tossicità e comprendere come l'assorbimento delle nanoparticelle da parte delle cellule varia in base alla loro forma, dimensione, morfologia e altri aspetti.
Per far luce su questo problema, il professore assistente Yu-ki Tanaka e il prof. Yasumitsu Ogra, entrambi della Graduate School of Pharmaceutical Sciences dell'Università di Chiba, hanno ora stimato l'assunzione cellulare di nanoparticelle di silice (SiNP) in base alle loro dimensioni.
Nella loro recente svolta pubblicata su Archives of Toxicology , i ricercatori hanno sviluppato un sistema AF4-ICP-MS (frazionamento del flusso in campo di flusso asimmetrico con spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente), che separava SiNP di cinque diverse dimensioni (10, 30, 50, 70 e 100 nm) e consentiva la valutazione quantitativa di citotossicità dei SiNP nelle cellule HepG2.
"I SiNP hanno guadagnato slancio in vari campi come la somministrazione di farmaci, l'imaging biomedico, i catalizzatori e la bonifica ambientale per rimuovere contaminanti dall'acqua e dal suolo. Tuttavia, esiste anche una preoccupazione significativa sulla loro tossicità ambientale e sul potenziale impatto sugli organismi viventi." dice il dottor Tanaka quando gli viene chiesto della motivazione dietro questo studio.
"Quindi, per trovare un rimedio al compromesso tra disponibilità industriale e tossicità, abbiamo deciso di sviluppare una tecnica per comprendere i potenziali effetti avversi dei SiNP combinando dati quantitativi sull'assorbimento cellulare e risposte tossicologiche."
Le tecniche di analisi delle dimensioni come la microscopia elettronica e la diffusione dinamica della luce basata sul laser non sono riuscite a osservare i campioni di nanoparticelle negli strati profondi e a chiarire le composizioni chimiche delle nanoparticelle. Per contrastare questi problemi, il team ha adottato la nuova tecnica di analisi delle dimensioni AF4-ICP-MS, che non solo ha superato questi problemi ma ha anche rilevato nanoparticelle di dimensioni fino a 10 nm. Ciò non sarebbe stato possibile con i metodi ICP-MS convenzionali.
Il team ha utilizzato il metodo basato su AF4 per valutare l’assorbimento cellulare dei SiNP nelle cellule HepG2 di epatoma umano coltivate in laboratorio. Le misurazioni hanno mostrato che circa il 17% dei SiNP esposti alle cellule HepG2 veniva assorbito. La microscopia elettronica a trasmissione (TEM) effettuata dal team ha osservato la presenza di aggregati SiNP all'interno delle cellule, indicando la capacità di piccole nanoparticelle di depositarsi nel mezzo di coltura e di entrare facilmente nelle cellule.
"Abbiamo scoperto che i SiNP più piccoli mostravano una tossicità maggiore nei confronti delle cellule HepG2 rispetto a quelle più grandi, ma l'analisi AF4-ICP-MS non ha rilevato differenze significative dipendenti dalle dimensioni nel volume delle particelle assorbite dalle cellule", osserva il dottor Tanaka, evidenziando i risultati degli esperimenti di tossicità. Questi risultati hanno suggerito che l'elevato comportamento citotossico dei piccoli SiNP era radicato nell'ampia area superficiale rispetto al volume delle particelle rispetto a quelli più grandi.
I ricercatori hanno anche studiato i meccanismi chimici associati alla citotossicità. I dati hanno indicato che la necrosi cellulare era in parte collegata allo stress ossidativo causato dalla produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS). Inoltre, le interazioni dei gruppi silanolo sulla superficie del SiNP e dei fosfolipidi nella membrana cellulare erano responsabili del danno cellulare associato.
Nel complesso, i risultati presentano la nuova tecnica AF4-ICP-MS come un potente strumento per determinare quantitativamente la citotossicità indotta da nanoparticelle metalliche di varie dimensioni. Le intuizioni di questo studio forniscono anche una solida base per studi futuri che esaminano la valutazione dei rischi di esposizione alle nanoparticelle e il loro potenziale impatto sul corpo umano.
"L'obiettivo del nostro studio era quello di elaborare una tecnica di analisi semplice che aiutasse a ridurre al minimo i potenziali danni alla salute causati dalle nanoparticelle. Ci auguriamo che le informazioni tossicologiche fornite dal nostro studio contribuiscano a stabilire criteri per il corretto utilizzo e la regolazione delle nanoparticelle nelle industrie, nel campo medico e persino negli articoli di uso quotidiano contenenti nanoparticelle", conclude il dottor Tanaka.
Ulteriori informazioni: Yu-ki Tanaka et al, Determinazione quantitativa dell'assorbimento intracellulare di nanoparticelle di silice utilizzando il frazionamento del flusso in campo di flusso asimmetrico accoppiato con la spettrometria di massa ICP e la loro citotossicità nelle cellule HepG2, Archivi di tossicologia (2024). DOI:10.1007/s00204-023-03672-4
Fornito dall'Università di Chiba
