Nanohiukkasten perimämyrkyllisyyden perusta

Tiivistelmä

Projekti selvittää teollisesti tuotettujen nanohiukkasten perimämyrkyllisyyden syitä keskittymällä erityisesti syöpävaarallisiksi arvioituihin pitkiin ja neulamaisiin hiilinanoputkiin, jotka aiheuttavat hiirten keuhkoissa voimakkaan tulehduksen ja DNA-vaurioita.

Nanohiukkasten riskinarvioinnin kannalta on keskeistä ymmärtää, syntyykö perimämyrkyllinen vaikutus tulehduksen (esim. tulehdussolujen toiminnan) seurauksena vai onko se tulehduksesta riippumaton ilmiö. Edellisessä tapauksessa perimämyrkyllisellä vaikutuksella on kynnysarvo, jälkimmäisessä luultavasti ei. Toinen ongelmallinen nanomateriaaliryhmä ovat osittain liukoiset metallihiukkaset, joiden korkea perimämyrkyllisyys johtuu ehkä siitä, että ne kulkeutuvat soluihin hiukkasina ja liukenevat solun sisällä (Troijan hevonen -ilmiö). Nanopartikkelit saattavat liueta nopeammin kuin suuremmat hiukkaset ja olla siksi myrkyllisempiä.

Hiilinanoputkien genotoksisuuden ja tulehdusvaikutuksen yhteyttä selvitetään tutkimalla näiden ilmiöiden aikataulua normaaleilla, geenimuunnelluilla ja hiilinanoputkille mahdollisesti alttiilla astmahiirillä sekä tarkastelemalla tulehdussolujen vaikutuksia soluviljelmissä. Osittain liukoisten nanohiukkasten osalta tutkitaan, liittyykö nano- ja suurempikokoisen metallioksidin pääsy soluihin ja liukeneminen solun sisällä perimämyrkyllisyyteen.

Työssä käytetään viimeisimpiä tekniikoita, mm. hyperspektraalista ja konfokaalimikroskooppia.

Tutkimustuloksiset ovat käytettävissä vuoden 2016 alussa.

Hankkeen vastuuhenkilö

Hannu Norppa

Tiedote

Nanomateriaalien genotoksisesta vaikutuksesta uutta tietoa

Inhalaatioaltistus syöpävaarallisille, suorille moniseinäisille hiilinanoputkille (MWCNT-S) johti hiirten keuhkoissa selkeään genotoksiseen vaikutukseen keuhkosyövän kohdesoluissa. Tulehdussolujen tuottamilla genotoksisilla tekijöillä on ilmeisesti siis merkitystä genotoksisen vaikutuksen synnyssä, todetaan Työterveyslaitoksen tuoreessa tutkimuksessa.

Nanomateriaalien genotoksista vaikutusta keuhkosyövän kohdesoluissa ei ole aiemmin kuvattu hiirellä. Taipuisat moniseinäiset hiilinanoputket eivät olleet genotoksisia. Hiilinanoputkilla ei ollut genotoksista vaikutusta luuytimessä, verisoluissa tai pernan soluissa.

Genotoksisuus saattaa olla tärkeä osatekijä MWCNT-S:n syöpävaarallisuudessa, ja keuhkotulehduksella arvellaan olevan merkitystä havaittujen vaikutuksen synnyssä. MWCNT-S-käsiteltyjen hiirten keuhkohuuhtelunäytteen soluilla näytti olevan kyky tuottaa genotoksisia tekijöitä, sillä DNA-vauriot lisääntyivät ihmisen epiteelisoluissa, joita kasvatettiin samassa viljelyliuoksessa keuhkohuuhtelunäytteen solujen kanssa. Eräissä tulehdusreaktioissa tärkeä reseptori IL1R ei kuitenkaan ollut välttämätön genotoksisen vaikutuksen synnylle, sillä MWCNT-S-inhalaatio aiheutti genotoksisen vaikutuksen keuhkoissa myös poistogeenisillä hiirillä, joilla ei ollut IL1R-geeniä.

Työsuojelurahasto on tukenut Työterveyslaitoksen tutkimushanketta. Tutkimusta on johtanut tutkimusprofessori Hannu Norppa.

Astmaisten hiirten DNA-vaurioiden perustaso selkeästi kohonnut

Astmaiset hiiret eivät olleet terveitä eläimiä herkempiä MWCNT-S:n genotoksisille vaikutuksille – itse asiassa MWCNT-S-altistuksen genotoksinen vaikutus voitiin osoittaa vain terveillä hiirillä.

Astmaisilla hiirillä  hiirten DNA-vaurioiden perustaso oli selkeästi kohonnut MWCNT-S:stä riippumatta sekä keuhkoissa että veren valkosoluissa. Astmaan liittyvä tulehdus tai oksidatiivinen stressi saivat siis aikaan yleisen genotoksisen vaikutuksen.

Nanohiukkaset ovat toksisempia kuin suuremmat hiukkaset

Sekä nanokokoinen että hiukkaskooltaan suurempi hienojakoinen sinkkioksidi (ZnO) olivat solutoksisia ihmisen keuhkoepiteelisoluissa kapealla ja alhaisella annosalueella ja aiheuttivat mikrotumia 48 tunnin käsittelyssä. Vain nanokokoinen ZnO lisäsi DNA-vaurioita 3 ja 6 tunnin käsittelyllä.

Tulokset selittyvät sillä, että ZnO nanohiukkaset liukenivat solun sisällä hyvin nopeasti – niitä ei näkynyt lainkaan hyperspektraalimikroskoopissa tunnin kuluttua käsittelystä. Hienojakoisilla ZnO-hiukkasilla liukeneminen kestänee hieman kauemmin.

Nanokokoiset kuparioksidihiukkaset (CuO) tuottivat DNA-vaurioita selvästi alhaisemmilla annoksilla kuin mikrokokoiset CuO-hiukkaset. CuO-nanohiukkaset aiheuttivat soluissa myös mikrotumia ja hidastivat solusykliä.

Hyperspektraalimikroskoopissa CuO-nanohiukkaset täyttivät paljon suuremman osan soluista kuin mikrohiukkaset.

Epiteelisolut näyttivät siis ottavan tehokkaammin sisään nano- kuin mikrohiukkasia. Luultavasti Cu+2-ionien solunsisäinen pitoisuus kohoaa nopeammin korkeammalle nano- kuin mikrohiukkasten kohdalla, mikä osaltaan lisää nanokoisen CuO:n genotoksisuutta.

Genotoksista vaikutusta ei ehkä synny ilman tulehdusta

Hiilinanoputkien genotoksisuuden ilmeinen yhteys tulehdukseen voi tarkoittaa tutkijoiden mukaan sitä, että genotoksista vaikutusta ei synny ilman tulehdusta, jolloin altistumistasojen pitäminen riittävän alhaisina suojelisi työntekijöitä paitsi tulehdukselta myös genotoksisilta vaikutuksilta ja keuhkosyövältä.

Toisaalta aktivoituneet tulehdussolut saattavat tuottaa genotoksisia tekijöitä myös ilman selkeästi todettavaa tulehdusta, eikä tällä hetkellä ole riittävästi tietoa genotoksisista vaikutuksista pitemmällä aikavälillä. Siksi altistuminen hiilinanoputkille työpaikoilla tulee minimoida. Vaikka vain yhden tyyppinen, pitkä ja suora, hiilinanoputki on tällä hetkellä luokiteltu syöpävaaralliseksi, myös muihin hiilinanoputkiin tulee suhtautua samalla varovaisuudella.

Astmaan näyttää liittyvän mahdollisesti tulehduksesta tai oksidatiivisesta stressistä johtuva, selkeä lisääntyminen DNA-vaurioiden perustasossa keuhkoissa ja verisoluissa. Tämä saattaa tarkoittaa sitä, että työperäinen altistuminen erilaisille astmaa aiheuttaville tekijöille ja kemikaaleille johtaa genotoksisen vaurion lisääntymiseen ja – etenkin jos genotoksinen vaikutus kestää pitkään – kohonneeseen syöpäriskiin.

Osittain liukoiset ZnO ja CuO ovat genotoksisia, ja nanohiukkasilla on voimakkaampi vaikutus kuin suuremmilla hiukkasilla. Hiukkaskoolla voidaan olettaa olevan merkitystä myös ihmisen hengitysteitse tapahtuvassa altistumisessa.

Suorat ja paksuhkot hiilinanoputket ovat genotoksisia, mutta taipuisilla hiilinanoputkilla ei näytä olevan samanlaista vaikutusta. Jatkossa tulisi selvittää hiilinanoputkien fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien ja genotoksisten vaikutusten välistä yhteyttä systemaattisesti. Tätä varten tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jolla DNA-vaurioita voidaan tutkia histologisista valmisteista.

Toimittaja
Terhi Friman

Aineisto

Hannu Norppa, Kirsi Siivola, Kukka Aimonen, Satu Suhonen, Saila Pesonen, Gerard Vales, Hanna Lindberg, Joonas Koivisto, Kai Savolainen, Julia Catalán. Avaa

Työterveyslaitos. 2017

ISBN 978-952-261-744-6  (nid.) ISBN 978-952-261-743-9  (PDF)