Les nanomatériaux métalliques sont devenus un élément indispensable des domaines industriels et médicaux en raison de leurs propriétés uniques et polyvalentes. Leur taille, qui leur confère les propriétés physico-chimiques recherchées, est également à l’origine de préoccupations environnementales et sanitaires. Les particules nanométriques contenues dans les nanomatériaux ont montré une grande réactivité envers les biomolécules et souvent même une toxicité envers les cellules biologiques.
Les scientifiques ont attribué ce comportement des nanoparticules métalliques en interaction avec des biomolécules à des phénomènes comme l’inflammation ou le stress oxydatif. Cependant, pour garantir une utilisation sûre des nanoparticules métalliques, il est nécessaire d’explorer les mécanismes moléculaires responsables de la toxicité et de comprendre comment l’absorption des nanoparticules par les cellules varie en fonction de leur forme, de leur taille, de leur morphologie et d’autres aspects.
Pour faire la lumière sur cette question, le professeur adjoint Yu-ki Tanaka et le professeur Yasumitsu Ogra, tous deux de la Graduate School of Pharmaceutical Sciences de l’Université de Chiba, ont maintenant estimé l’apport cellulaire de nanoparticules de silice (SiNP) en fonction de leur taille.
Dans leur récente percée publiée dans Archives de toxicologieles chercheurs ont développé un système AF4-ICP-MS (fractionnement en flux asymétrique avec spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif), qui séparait les SiNP de cinq tailles différentes (10, 30, 50, 70 et 100 nm) et permettait une évaluation quantitative de cytotoxicité des SiNP dans les cellules HepG2.
« Les SiNP ont pris de l’ampleur dans divers domaines tels que l’administration de médicaments, l’imagerie biomédicale, les catalyseurs ainsi que l’assainissement de l’environnement pour éliminer les contaminants de l’eau et du sol. Cependant, leur toxicité environnementale et leur impact potentiel sur les organismes vivants suscitent également de vives inquiétudes. » » déclare le Dr Tanaka lorsqu’on l’interroge sur la motivation derrière cette étude.
« Ainsi, pour trouver un remède au compromis entre disponibilité industrielle et toxicité, nous avons décidé de développer une technique permettant de comprendre les effets indésirables potentiels des SiNP en combinant des données quantitatives sur l’absorption cellulaire et les réponses toxicologiques. »
Les techniques d’analyse de taille telles que la microscopie électronique et la diffusion dynamique de la lumière par laser n’ont pas permis d’observer des spécimens de nanoparticules dans des couches profondes ni d’élucider les compositions chimiques des nanoparticules. Pour contrer ces problèmes, l’équipe a adopté la nouvelle technique d’analyse de taille AF4-ICP-MS, qui a non seulement surmonté ces problèmes, mais a également détecté des nanoparticules d’une taille aussi faible que 10 nm. Cela n’aurait pas été possible avec les méthodes ICP-MS conventionnelles.
L’équipe a utilisé la méthode basée sur AF4 pour évaluer l’absorption cellulaire des SiNP dans les cellules HepG2 d’hépatome humain cultivées en laboratoire. Les mesures ont montré qu’environ 17 % des SiNP exposés aux cellules HepG2 étaient absorbés. La microscopie électronique à transmission (TEM) réalisée par l’équipe a observé la présence d’agrégats de SiNP au sein des cellules, indiquant la capacité des petites nanoparticules à se décanter dans le milieu de culture et à pénétrer facilement dans les cellules.
« Nous avons constaté que les SiNP plus petits présentaient une toxicité plus élevée envers les cellules HepG2 que les plus grandes, mais l’analyse AF4-ICP-MS n’a révélé aucune différence significative dépendante de la taille dans le volume de particules absorbées par les cellules », remarque le Dr Tanaka, soulignant les résultats des expériences de toxicité. Ces résultats suggèrent que le comportement cytotoxique élevé des petits SiNP était enraciné dans la grande surface par rapport au volume des particules par rapport aux plus grandes.
Les chercheurs ont également étudié les mécanismes chimiques associés à la cytotoxicité. Les données ont indiqué que la nécrose cellulaire était en partie liée au stress oxydatif provoqué par la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). De plus, les interactions des groupes silanol à la surface du SiNP et des phospholipides dans la membrane cellulaire étaient responsables des dommages cellulaires associés.
Dans l’ensemble, les résultats présentent la nouvelle technique AF4-ICP-MS comme un outil puissant pour déterminer quantitativement la cytotoxicité induite par des nanoparticules métalliques de différentes tailles. Les conclusions de cette étude fournissent également une base solide pour de futures études portant sur l’évaluation des risques d’exposition aux nanoparticules et de leur charge potentielle sur le corps humain.
« Le but de notre étude était de proposer une technique d’analyse simple qui contribuerait à minimiser les dommages potentiels pour la santé causés par les nanoparticules. Nous espérons que les informations toxicologiques fournies par notre étude aideront à établir des critères pour l’utilisation et la régulation appropriées des nanoparticules. dans l’industrie, le domaine médical et même dans les objets d’usage quotidien contenant des nanoparticules », conclut le Dr Tanaka.
Plus d’information:
Yu-ki Tanaka et al, Détermination quantitative de l’absorption intracellulaire de nanoparticules de silice à l’aide d’un fractionnement en flux asymétrique couplé à la spectrométrie de masse ICP et de leur cytotoxicité dans les cellules HepG2, Archives de toxicologie (2024). DOI : 10.1007/s00204-023-03672-4