Новый механизм повреждений ДНК наночастицами?
Согласно результатам исследования, опубликованным 5 ноября в on-line версии журнала Nature Nanotechnology в статье «Nanoparticles can cause DNA damage across a cellular barrier», наночастицы могут повреждать ДНК даже без непосредственного контакта. Эти данные поднимают новые вопросы касательно безопасности наноматериалов, используемых в клинической практике.
Ассоциированные с наночастицами повреждения ДНК описаны для многих разновидностей наночастиц, однако все известные до сих пор типы повреждений возникают при непосредственном контакте наночастиц с ДНК. Авторы впервые описали механизм опосредованного губительного действия наночастиц на ДНК.
Ученые используют современные нанотехнологии в разработке систем для доставки в различные органы и ткани лекарств и визуализирующих агентов, однако результаты некоторых работ свидетельствуют о токсичности таких частиц. Например, уже доказана взаимосвязь между вдыханием наночастиц или нанотрубок и развитием кардиореспираторной патологии. Кроме того, известно, что наночастицы из кобальтохромового сплава (CoCr), которые могут высвобождаться металлическими протезами суставов, повреждают человеческие клетки в культуре.
Для боле детального изучения токсичности кобальтохромовых наночастиц ученые из университета Бристоля (Великобритания), работающие под руководством Чарльза Патрика Кейза (Charles Patrick Case), проанализировали состояние человеческих фибробластов, подвергавшихся воздействию наночастиц непосредственно в культуре или через барьер из живых клеток (в условиях живого организма таким барьером может являться плацента или легочной эпителий). Они создали барьер путем культивирования толстого слоя линии человеческих клеток BeWo, часто используемой для создания барьеров в различных экспериментальных моделях, на пористой пластиковой вставке, которую впоследствии помещали на культуру фибробластов. Спустя 24 часа воздействия наночастиц авторы оценивали уровень повреждений ДНК в фибробластах. Они выявили значительное количество повреждений ДНК во всех клетках, как подвергавшихся непосредственному воздействию наночастиц, так и защищенных барьером из клеток BeWo. Аналогичные результаты были получены и в параллельных экспериментах с использованием микрочастиц.
При планировании экспериментов исследователи рассчитывали на эффективность BeWo-барьера, поэтому их очень удивило, что уровень повреждений ДНК в защищенных им клетках был таким же высоким, как в клетках, подвергавшихся непосредственному воздействию наночастиц.
Анализ культуральной среды под пластиковой вставкой не выявил присутствия наночастиц. Это говорит о том, что BeWo-барьер, толщина которого достигала четырех слоев клеток, эффективно задерживал наночастицы.
При использовании только пластиковой вставки и значительно более крупных кобальто-хромовых микрочастиц, не проникающих через ее поры, ДНК фибробластов повреждалась намного меньше, чем при наличии дополнительной изоляции в виде барьера из BeWo-клеток. Согласно этому неожиданному наблюдению, сам BeWo-барьер каким-то образом опосредует или усиливает процессы повреждения ДНК.
Исследователи предположили, что воздействие частиц вызывает изменения в клетках внешнего слоя барьера. Этот эффект каким-то образом передается нижележащим клеткам и, в конечном итоге, вызывает наблюдаемые повреждения ДНК.
Блокирование с помощью различных химических соединений межклеточных щелевидных контактов между фибробластами, нарушающее химические взаимодействия между клетками, снижало уровень повреждений ДНК. Это факт свидетельствует в пользу предположения, что повреждающий эффект передаётся клеткам, не подвергающимся непосредственному воздействию наночастиц, с помощью химических сигналов. Результаты дальнейшей проверки показали, что на одном из этапов этого процесса происходит высвобождение АТФ, являющейся внеклеточной сигнальной молекулой.
По словам Стефана Штерна (Stephan Stern), не принимавшего участия в работе токсиколога из Лаборатории по исследованию нанотехнологий (Nanotechnology Characterization Lab), входящей в структуру Национального института рака США, до сих пор он не видел ни одного опосредованного механизма воздействия наночастиц, кроме иммунных реакций, опосредуемых цитокинами и вторичными мессенджерами. Судя по всему, эти частицы способны оказывать воздействие посредством системы вторичных мессенджеров, не оказывая прямого влияния на клетки-мишени.
Авторы подчеркивают, что созданная ими экспериментальная система очень сильно отличается от реальных условий in vivo. Во-первых, в ней используется гораздо более высокая концентрация кобальто-хромовых наночастиц, чем может предположительно быть в организме. Во-вторых, BeWo-барьер не эквивалентен естественным клеточным барьерам, таким как плацента. Таким образом, результаты исследования демонстрируют возможный механизм, посредством которого наночастицы могут оказывать влияние на клетки, однако пока нет никаких доказательств того, что это действительно будет происходить в организме. Как полезный наглядный пример Штерн приводит наночастицы из диоксида титана, которые, согласно экспериментальным данным, оказывают разрушительное действие на ДНК in vitro, однако в условиях организма подавляют канцерогенез.
Кроме того, авторы изучили действие только одного типа наночастиц и продемонстрировали, что воздействие более крупных микрочастиц оказывает аналогичный эффект. Они подчеркивают, что полученные данные не распространяются на все типы наночастиц, а выявленный феномен не является их исключительным свойством. Однако результаты исследования указывают на возможное опосредованное воздействие наночастиц на ДНК, что необходимо учитывать при разработке различных нанотехнологий.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам The Scientist: New mechanism for nano damage?
09.11.2009