Un team di scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha dimostrato che quando alcune naoparticelle incontrano le cellule immunitarie si innesca il processo noto come stress ossidativo, modificando selettivamente le proteine dei macrofagi, un tipo di cellule immunitarie.
Lo studio che riporta i risultati della ricerca, “Quantitative Profiling of Protein S-Glutathionylation Reveals Redox-Dependent Regulation of Macrophage Function During Nanoparticle-induced Oxidative Stress” è stato pubblicato su ACS Nano e gli scienziati del PNNL sottolineano che «Mentre lo stress ossidativo è un percorso comune per il verificarsi dei danni delle cellule, per certi versi i risultati sono stati una sorpresa».
Uno dei principali autori dello studio, l’esperto di nanotossicologia Brian Thrall, spiega che «Lo stress ossidativo si verifica selettivamente anche a bassi livelli di esposizione alle nanoparticelle. Abbiamo illustrato un approccio abbastanza sensibile da poter rilevare gli effetti delle nanoparticelle sui macrofagi molto prima che queste cellule muoiano. Questo ci dà l'opportunità di capire quali sono targets cellulari più sensibili allo stress ossidativo e le vie coinvolte, in modo più completo rispetto a prima. Si tratta di informazioni importanti per capire come le nanoparticelle possono alterare la funzione delle cellule e iniziare ad identificare le funzioni che permettono alle cellule di adattarsi rispetto a quelle che sono potenzialmente coinvolte negli effetti negativi.
Le nanoparticelle sono solitamente inferiori a 100 nanometri, meno di un millesimo della larghezza di un capello umano, e sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni biomediche, nell’abbigliamento, nell'industria elettronica, nei cosmetici, negli imballaggi alimentari e nelle creme solari, ma sono anche uno dei componenti dell’inquinamento atmosferico. Dato che le nanoparticelle sono sempre più presenti nella nostra vita, cresce la necessità di studiare i loro potenziali effetti sull’ambiente e la salute umana. Si tratta spesso di studi che puntano a capire se l'esposizione alle nanoparticelle porti alla morte cellulare, invece lo studio del PNNL analizza più in profondità gli effetti su specifiche proteine nelle cellule che sono gli obiettivi del danno ossidativo causato dalle nanoparticelle. Un altro dei ricercatori coinvolti, il chimico Wei-Jun Qian, sottolinea che «Questo studio dimostra che alcune nanoparticelle che riteniamo non tossiche possono avere molti effetti sui macrofagi».
I risultati sono stati ottenuti grazie a un metodo recentemente sviluppato dagli scienziati PNNL per misurare l'ossidazione delle proteine in siti molto specifici in cellule come macrofagi. Qian ha sviluppato una misurazione molto sensibile delle modificazioni delle proteine nelle cellule, che consentire agli scienziati di esaminare siti specifici nella cellula, noti per svolgere alcune funzioni. Il metodo, noto come quantitative redox proteomics approach, utilizza uno spettrometro di massa avanzata per esaminare contemporaneamente migliaia di siti coinvolti nelle reazioni redox.
Qian ha sviluppato il suo metodo mentre studiava le reazioni redox che svolgono un ruolo importante nella regolazione della fotosintesi nelle piante. Capire come le piante di catturano, processano e incanalano naturalmente l'energia del sole aiuta gli scienziati a sviluppare nuovi sistemi energetici efficienti Qian ha utilizzato il sistema per scoprire più di 2.100 locazioni molecolari nelle quali le reazioni redox possono verificarsi nei cianobatteri, che sono importanti per la produzione di biocarburanti.
Poi i team di Thrall e di Qian hanno lavorato insieme per analizzare le modifiche in tutte le proteine nelle cellule di topo. Il team PNNL ha esaminato gli effetti di tre tipi di nanoparticelle che hanno un potenziale diverso per causare lo stress ossidativo e la morte cellulare: l’ossido di silicio, noto anche come silice amorfa, che gli scienziati considerano una nanoparticella a bassa tossicità; l’ossido di ferro, che produce livelli di stress ossidativo moderato, ma generalmente non è sufficiente ad uccidere le cellule; l’ossido di cobalto, che causa elevati livelli di stress ossidativo e può anche causare la morte cellulare e tossicità polmonare.
Il team ha anche esaminato molto attentamente più di 2.000 hotspot cellulari, dove si verifica un processo noto come S-glutationilazione, un tipo specifico di modifica proteina coinvolta nelle funzioni immunitarie che si verifica quando una cellula è sotto stress ossidativo.
Nei macrofagi esposti alle nanoparticelle, il team di ricercatori ha trovato "impronte" molecolari di attività: un aumento della S-glutationilazione, ma evidenzia che «Tuttavia, il modello specifico di modificazioni ossidative nelle proteine varia a seconda del tipo di nanoparticelle». Analizzando queste modifiche, i ricercatori sono stati in grado di «identificare percorsi molecolari specifici che sono più sensibili ai bassi livelli di stress ossidativo, e distinguere quelli provenienti da altri percorsi che sono associati ad alti livelli di stress ossidativo, legato alla morte cellulare.
Al PNNL dicono che «L'idea che una nanoparticella danneggerebbe i macrofagi del corpo non è una sorpresa: quando si tratta di riconoscere e neutralizzare un invasore, i macrofagi sono primi soccorritori del corpo. Alcune nanoparticelle possono indebolire la capacità dei macrofagi di riconoscere, combattere e fagocitare le particelle».
Due anni fa, con lo studio “Dysregulation of Macrophage Activation Profiles by Engineered Nanoparticles” pubblicato su ACS Nano, il team di Thrall aveva di mostrato che «Quando i macrofagi sono esposti alle nanoparticelle, le cellule non funzionano bene e sono meno in grado di riconoscere e rimuovere lo Streptococcus pneumoniae, la principale causa di polmonite acquisita nelle comunità». Il modello di cambiamenti proteici identificati in questo nuovo studio fornisce nuovi indizi sui tipi di nanoparticelle che provocano questi effetti e sulle proteine coinvolte.
