Grootte bepaalt hoe nanodeeltjes biologische membranen beïnvloeden

Keizerlijke onderzoekers hebben getest of gouden nanodeeltjes giftig kunnen zijn voor cellen, en ontdekken hoe ze lipidemembranen beïnvloeden, hangt af van hun grootte.

Nanodeeltjes (met een diameter tot 100 nanometer) worden steeds vaker vervaardigd voor gebruik in de geneeskunde, technologie, cosmetica en voedsel, maar hun mogelijke gevolgen voor de menselijke gezondheid zijn onbekend.

Het onderzoek, vandaag gepubliceerd in Nature Communications Chemistry, laat zien dat kleine nanodeeltjes (5-10 nm) het meest in staat zijn om membranen te verstoren, waarmee volgens de onderzoekers rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van nanodeeltjes voor gebruik in het lichaam.

Nanodeeltjes zijn er in een grote verscheidenheid aan maten, vormen en materialen, en biologische systemen zijn complex, waardoor het moeilijk is om te bepalen hoe ze met elkaar omgaan. Onderzoekers weten echter dat een van de belangrijkste eerste stappen in toxiciteit is wanneer een deeltje in wisselwerking staat met het membraan rond een cel.

Deeltjes kunnen zich hechten aan de buitenkant van membranen, erin worden ingebed, of volledig worden verzwolgen en de cel binnendringen. Elk van deze uitkomsten kan de cel op verschillende manieren beïnvloeden; het vervormen van het membraan kan bijvoorbeeld de elastische eigenschappen aantasten, waardoor het vermogen om te functioneren mogelijk wordt aangetast.

Nu hebben onderzoekers van Imperial College London gouden nanodeeltjes getest met kunstmatige cellen, waarbij ze ontdekten dat hun interactie afhangt van de grootte van de nanodeeltjes, waarbij kleinere nanodeeltjes (5-10 nm) het meest in staat zijn om celmembranen binnen te gaan.

Grootte doet er toe

Hoofdonderzoeker Dr. Claudia Contini, van het Departement Chemie bij Imperial, zei: “De groeiende productie van nanodeeltjes heeft geleid tot toenemende bezorgdheid over hun impact op de menselijke gezondheid en het milieu in het algemeen. Het identificeren van nanodeeltjes die gevaarlijk zijn voor natuurlijke organismen is moeilijk gezien de grote verscheidenheid aan nanodeeltjes, hun diverse eigenschappen en de complexiteit van biologische entiteiten.

“Met behulp van een vereenvoudigd systeem konden we aantonen dat het lot van een nanodeeltje in contact met een membraan wordt bepaald door de grootte. Kleinere nanodeeltjes hebben een betere kans om het membraan binnen te dringen dan grotere formaten, waarmee rekening moet worden gehouden. bij het voorspellen welke nanodeeltjes gevaarlijk kunnen zijn. “

Gouden nanodeeltjes worden onderzocht voor een aantal toepassingen in het lichaam, waaronder het helpen bij het opsporen van tumoren en voor het afleveren van medicijnen of gentherapiemiddelen. De nanodeeltjes zijn meestal ‘gefunctionaliseerd’ – bedekt met moleculen die hen helpen zich te richten op specifieke receptoren in celmembranen waardoor ze kunnen interageren met of de cel kunnen binnendringen.

Het was echter niet bekend of functionalisatie altijd nodig was voor interactie, of dat de nanodeeltjes spontaan konden interageren. Het team testte verschillende formaten van niet-gefunctionaliseerde gouden nanodeeltjes met kunstmatige cellen die de eigenschappen van biologische celmembranen nabootsen. Met behulp van deze eenvoudige cel-nabootsers konden ze zich concentreren op de interacties tussen membraan en nanodeeltjes.

Ontwerpen van toekomstige nanodeeltjes

Ze ontdekten dat grotere nanodeeltjes (50-60 nm) soms aan de buitenkant van het membraan hechtten, maar minimale verstoring veroorzaakten, middelgrote nanodeeltjes (25-35 nm) hechtten vaker aan het oppervlak en veroorzaakten enige vervorming, en kleinere nanodeeltjes ( 5-10 nm) vervormde het membraan aanzienlijk, waarbij het soms naar binnen werd gebogen met meerdere nanodeeltjes op elkaar gestapeld, waardoor een buisvormige vervorming werd veroorzaakt.

Kleinere nanodeeltjes kunnen daarom ongewenste toxische bijwerkingen in het lichaam veroorzaken als ze niet functioneren – een factor die volgens het team in aanmerking moet worden genomen bij het ontwerpen van medische nanodeeltjes.

De onderzoeksresultaten hebben ook een keerzijde: soms is het nuttig als nanodeeltjes de membranen binnendringen, bijvoorbeeld wanneer medicijnen rechtstreeks aan cellen worden toegediend. Kleinere gouden nanodeeltjes kunnen dus betere medicijnafgiftesystemen maken als ze gemakkelijker de cel in worden getrokken.