107231 Tutkimus

Nanopartikkeleiden terveysvaikutusten tutkiminen proteomiikan avulla

Nanopartikkeleiden terveysvaikutusten tutkiminen proteomiikan avulla

11.12.2007

Teollisuuden hyödyntämät nanopartikkelit ovat koostumukseltaan ja rakenteeltaan uusia materiaaleja, joiden terveysvaikutuksista tiedetään hyvin vähän. Nämä pienhiukkaset ovat elävää solua pienempiä ja saattavat sen takia käyttäytyä elimistössä poikkeavasti sekä kemialliseen yhdisteeseen että tavanomaiseen partikkelimaiseen materiaaliin verrattuna.

Nanopartikkelialtistumisen aiheuttamia proteomimuutoksia tutkitaan ihmisen makrofaagi- ja keuhkosoluviljelmissä. Myös mahdollisen oksidatiivisen stressin aiheuttamia soluvaurioita selvitetään. Testattavia nanomateriaaleja ovat erilaiset nanokokoluokan muodot metallioksideista ja hiilinanoputkista.

Solut fraktioidaan, jolloin tutkimus voidaan kohdentaa tuman, soluliman ja mitokodrioiden proteomien tutkimiseen, jotka ovat solun kokoproteomia huomattavasti yksinkertaisempia ja siten helpommin analysoitavissa. Tutkimuksessa sovelletaan differentiaalia kaksisuuntaista geelielektroforeesi (DIGE)-analysointitekniikkaa proteiinierojen havaitsemiseen ja massaspektrometriaa proteiinien tunnistamiseen.

Havaitut muutokset valottavat mahdollisten soluvaurioiden mekanismeja ja luovat mahdollisuuksia parempaan riskinarviointiin ja altistumista kuvaavien biomonitorointimenetelmien kehittämiseen.

Hankkeen vastuuhenkilö
Harri Alenius

Aineistoa Materials-välilehdellä.

Proteiinitutkimuksesta uutta valoa nanoainesten turvallisuustutkimukseen

17.2.2011

Työterveyslaitoksen tutkijaryhmä selvitti nanopartikkeleiden terveysvaikutuksia tutkimalla nanomateriaalien ja biologisten systeemien vuorovaikutuksia. Keinoina olivat proteomiikan ja solumallien hyödyntäminen. Proteiinin ja nanomateriaalin sitoutumiskokeet sekä proteomiikka tarjoavat uuden näkökulman nanomateriaalien turvallisuustutkimukseen. Työsuojelurahasto rahoitti tutkimusta.

Proteomiikka tutkii koko proteomia eli kaikkia proteiineja, joita eliön tai sen solun genomi tuottaa. Genomilla eli perimällä tarkoitetaan eliön kaikkia geenejä.
 
Nanomateriaaleilla tarkoitetaan alle sadan nanometrin rakenteita. Teollisuus hyödyntää niitä yhä enemmän. Koska nanomateriaalit ovat elävää solua pienempiä, ne voivat käyttäytyä eri tavoin kuin kemiallinen yhdiste tai tavanomainen partikkelimainen materiaali.
 
Nanomateriaalien terveysvaikutuksien arviointi edellyttää altistumisen ensivaiheiden ymmärtämistä. Kun vieraat molekyylit joutuvat elimistöön, ne päällystyvät välittömästi proteiineilla ja muilla biomolekyyleillä. Biomolekyylien ja nanomateriaalien yhteistoimintaan vaikuttavat mekanismit tunnetaan huonosti. Mekanismien tunteminen hyödyttäisi nanomateriaalien kulkeutumisen ja elimistöstä poistamisen ymmärtämistä ja turvallisuuden arviointia.
 
Kaikki testatut nanomateriaalit kulkeutuivat solutyyppeihin
 
Työterveyslaitoksen tutkijat testasivat yhdeksää erityyppistä nanomateriaalia ja kahta mikrokokoista partikkelia. Kaikkien niiden kulkeutumista ihmisen epiteeli- ja makrofaagisoluihin analysoitiin elektronimikroskooppileikkeistä, altistumisen jälkeen.
 
Kaikki testatut nanomateriaalit kulkeutuivat molempien solutyyppien sisään ja ne olivat suurimmaksi osaksi kalvorakenteiden sisällä. Tumasta ei löytynyt nanomateriaaleja altistuksen jälkeen.

Materiaalien pinnat säätelevät vuorovaikutusta
 
Materiaalien pintaominaisuudet vaikuttavat eniten nanomateriaalien ja proteiinien välisiin vuorovaikutuksiin. Nanomateriaalin koko, pinta-ala ja -varaus eivät korreloi tarttuneiden proteiinien määrän kanssa. Sen sijaan pinnan reaktiivisuus vaikuttaa sitoutuneiden proteiinien määrään ja laatuun.

Nanomateriaalialtistus aiheuttaa selkeän puolustusvasteen solun sytoplasman proteomissa. Löydetyt proteiinit toimivat hapetusmuutosten torjunnassa tai aktivoituvat radikaalien ilmestyessä soluun.

Nanomateriaalit kerääntyivät solujen sisälle ja olivat suurimmaksi osaksi kalvorakenteiden ympäröiminä. Kenties tarttuminen solujen pienten rakkuloiden proteiineihin hajottaa kalvon ja päästää nanomateriaalit solulimaan. Tämän jälkeen nanomateriaalit pystyvät häiritsemään sytoplasman proteiinien ylläpitämiä soluntoimintoja, mikä voi laukaista solukuoleman.

Nanomateriaalin ja plasmaproteiinin vuorovaikutus näyttää tapahtuvan riippumatta nanomateriaalin ominaisuuksista. Sen sijaan solulysaattiproteiinien tarttumiseen materiaalin pintaominaisuudet vaikuttavat merkittävästi. Niinpä plasma- ja soluproteiinien sitoutumista voi taustoittaa kaksi erilaista mekanismia.
 
Pintareaktiivisuus näyttää määräävän materiaalin kykyä sitoa soluproteiineja. Sytoplasman proteomia tutkimalla saadaan ennakkoluuloton kokonaiskuva altistuksen aiheuttamista proteiinien ilmentymismuutoksista ja soluvasteesta. Havaitut muutokset kertovat tällöin happiradikaalien synnystä ja oksidatiivisesta rasituksesta.
 
Kohti nanomateriaalien turvatestejä
 
Proteiinin ja nanomateriaalin vuorovaikutuskokeita voisi tulevaisuudessa käyttää nanomateriaalien turvallisuuden testaamisessa ja pinnan biologisen reaktiivisuuden määrittämisessä.

Osaa löydetyistä altistusvasteproteiineista on käytetty oksidatiivisen stressin tai syövän merkkiaineina. Tarvitaan kuitenkin lisää testejä laajemmilla näytemäärillä erilaisista biologista lähteistä. Sitten nähdään löydettyjen proteiinimuutosten soveltuvuus nanomateriaalialtistumisen riskin arviointiin.

Tuloksista on tehty neljä esitystä kansainvälisiin alan kokouksiin. Lisäksi julkaistaan kaksi artikkelia kansainvälisissä, vertaisarvioiduissa alan julkaisuissa.

Toimittaja
Hannu Kaskinen

Aineistoa Materials-välilehdellä.

Nanopartikkeleiden terveysvaikutusten tutkiminen proteomiikan avulla

Sund Jukka, Puustinen Anne, Alenius Harri. Nanopartikkeleiden terveysvaikutusten tutkiminen proteomiikan avulla. Loppuraportti Työsuojelurahastolle. Hankenumero 107231. 28.12.2010. Työterveyslaitos, Immunotoksikologian yksikkö, Terveys ja Työkyky -osaamiskeskus.
107231Loppuraportti.pdf (5248.6 kt)

Sund Jukka, Alenius Harri, Vippola Minnamari, Savolainen Kai, Puustinen Anne. 2011. Proteomic Characterization of Engineered NanomaterialProtein Interactions in Relation to Surface Reactivity. ACS Nano 5 (6), 4300-4309. DOI: 10.1021/nn101492k
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn101492k

Hanketiedot

  • HakijaTyöterveyslaitos
  • ToteuttajaTyöterveyslaitos
  • Lisätietoja
  • Harri Alenius
    030 474 2175
    harri.alenius@ttl.fi
    030 474 2116
  • Toteutusaika
  • 2.1.2008 - 1.9.2010
  • Arvioitu valmistumisaika
  • 1.9.2010
  • Työsuojelurahaston päätös
  • 11.12.2007
    129 000 euroa
  • Kokonaiskustannukset
  • 373 618 euroa
  • Tulokset valmistuneet 24.1.2011

Aiheluokitus