Nanotoxicologie : sélection de particules

Table des matières:


Sélection de nanoparticules pour les études de toxicologie

Les innovations en nanotechnologie génèrent un large éventail de nanoparticules déjà incorporées dans une grande variété de produits de consommation. En raison de leur commercialisation rapide et du potentiel d’exposition correspondant, la sécurité des nanoparticules suscite des inquiétudes. Au sein de la communauté de la nanotoxicologie, un débat considérable a eu lieu sur les nanomatériaux les plus pertinents pour déterminer le danger et le risque.  

Un défi majeur dans la prévision de la toxicité potentielle des nanoparticules est leur complexité. La toxicité de chaque nanomatériau dépend non seulement des caractéristiques primaires des particules (par exemple, chimie du noyau, taille, forme, cristallinité, état de surface et d'agrégation), mais également de caractéristiques secondaires qui dépendent de l'interaction des nanoparticules avec les systèmes biologiques cibles ( par exemple couronne protéique, taux de dissolution, biodistribution). La détermination des propriétés qui sont les principaux facteurs de toxicité est compliquée par le fait que la majorité des nanomatériaux disponibles dans le commerce sont hétérogènes, non purifiés et sont accompagnés de peu d'informations concernant leur processus de fabrication. Les profils toxicologiques réalisés avec ces matériaux sont difficiles à interpréter car la complexité du matériau de départ rend floue la corrélation des propriétés physicochimiques avec la réponse du paramètre final. Les expériences réalisées avec des ensembles de nanomatériaux fabriqués avec précision et bien caractérisés avec une seule propriété modifiée (par exemple, la chimie du noyau, la taille, la forme ou la surface) donnent un aperçu de la réponse biologique de la propriété variée. Cependant, pour la plupart des nanomatériaux d’intérêt, de tels ensembles de matériaux ne sont pas disponibles dans le commerce ou sont longs et difficiles à produire et à caractériser pour les chercheurs en nanotoxicologie dans leurs propres laboratoires au cours de leurs expériences.

Chez nanoComposix, nous avons travaillé avec des chercheurs de premier plan de la communauté nanotoxicologique pour développer des formulations de nanoparticules pour la recherche en toxicologie. Nous fournissons 3 des 5 étalons d'argent de l'OCDE et disposons de plus de 200 variantes de nanoparticules hautement caractérisées pour les études de nanotoxicologie. Plus de 70 universités, instituts de recherche et agences gouvernementales différentes utilisent les matériaux de nanoComposix pour l'évaluation toxicologique. Les premiers résultats montrent des corrélations claires entre les propriétés physico-chimiques des matériaux et leurs profils de toxicité. 1 , 2 , 3

Deux classes de nanoparticules sont utiles pour réaliser des tests de nanotoxicité :

  1. Nanoparticules conçues avec précision dont les propriétés physiques et chimiques importantes sont étroitement contrôlées
  2. Nanoparticules susceptibles d'être rejetées, produites en grandes quantités et présentant une forte probabilité d'être rejetées dans l'environnement. 

Ces deux systèmes matériels sont importants et sont décrits ci-dessous :

NANOPARTICULES CONÇUES AVEC PRÉCISION

L’un des objectifs de la recherche en nanotoxicologie est de relier les propriétés physicochimiques à la toxicité. Pour y parvenir, des nanoparticules fabriquées avec précision doivent être utilisées pour sonder chacune des propriétés chimiques et physiques d’une nanoparticule. 

 TEM images of BioPure silver nanoparticles.

Des exemples de nanoparticules conçues avec précision sont les NP BioPure Silver et Gold. Ces particules sont généralement achetées pour des travaux in vitro et in vivo où chaque propriété physicochimique est étroitement contrôlée et surveillée. La gamme BioPure est composée de nanoparticules d'un diamètre allant de 10 nm à 100 nm avec une distribution de taille étroite (<12 % CV). De plus, chaque formulation est lavée des précurseurs résiduels qui peuvent conférer une toxicité non liée aux propriétés physicochimiques uniques des NP. Le lavage et la concentration des NP sans induire l’agrégation sont une technologie de base chez NCX. Cette technologie permet également au NCX de délivrer des nanoparticules à des concentrations plus élevées que celles généralement disponibles. Par exemple, l'argent colloïdal est généralement produit à une concentration de 0,02 mg/ml. Le stock BioPure est disponible à une concentration de 50x (1 mg/ml), ce qui est important pour les chercheurs menant des expériences de télémétrie et d'exposition aiguë. NCX est capable de concentrer des matériaux au-delà de ceux de la gamme BioPure sur une base personnalisée. Des exemples de micrographies de NP d’argent BioPure sont présentés ci-dessous.

Comprendre les effets de la taille

La taille est un paramètre critique pour la conception d’expériences de nanotoxicologie. Cependant, ce qui n’est pas souvent souligné, c’est la nature dynamique de la taille des particules due à l’agglomération. La taille primaire est définie comme étant la dimension d’une nanoparticule individuelle dans une suspension. La taille primaire est importante pour calculer la surface par unité de masse, les taux de dissolution, le point de fusion et pour définir la plus petite dimension pour les études de diffusion, d'absorption et de biodistribution. Lorsque les nanoparticules s'agrègent, elles forment des amas de dizaines, de centaines, voire de milliers de nanoparticules qui ont une taille effective beaucoup plus grande que les nanoparticules individuelles. Le diamètre hydrodynamique des agrégats peut être mesuré à l’aide d’un instrument de diffusion dynamique de la lumière ou d’un granulomètre centrifuge et fournit des informations précieuses sur l’état d’agrégation à différents moments de l’expérience. Pour des paramètres importants tels que le taux de sédimentation et la biodistribution, c'est la taille hydrodynamique et non la taille primaire qui constitue la dimension critique.

Pour concevoir des expériences qui sondent les effets de la taille, nous suggérons,

  1. Utiliser si possible des suspensions de nanoparticules initialement non agglomérées
  2. Sélectionnez des particules dont la surface est cohérente dans la gamme de tailles qui vous intéresse
  3. Comprenez le taux d'agrégation lors de l'exposition à des fluides similaires à ceux utilisés dans vos expériences. Par exemple, avant d’introduire vos nanoparticules dans une expérience de culture cellulaire, déterminez comment les particules se comportent uniquement dans le milieu de culture cellulaire. Pour de nombreuses nanoparticules, les propriétés optiques des particules changent lorsqu'elles s'agglomèrent et la couleur de la solution peut être utilisée comme indicateur de la stabilité des particules. 
  4. Si possible, obtenez la même taille de particules avec des surfaces différentes. Par exemple, bon nombre de nos particules sont disponibles en surfaces tanniques/citrate/PVP. Pour les nanoparticules contenant des agents stabilisants facilement déplacés tels que le citrate, d'autres molécules peuvent être échangées à la surface simplement en exposant les particules à une concentration élevée du nouveau stabilisant.
  5. Ajustez vos protocoles en fonction du taux d’agglomération. Pour certains systèmes, l’agglomération se produit instantanément, pour d’autres, cela peut prendre plusieurs jours. Le timing devient essentiel pour maintenir la reproductibilité, car un faible niveau de particules agglomérées peut se comporter complètement différemment des particules agglomérées en grands amas.

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Comprendre les effets de la forme

La forme est un autre paramètre qui intéresse la communauté de la nanotoxicologie. Par exemple, il est bien connu que les fibres longues présentent une toxicité accrue, en partie à cause de la difficulté d'élimination. Dans d’autres cas, les nanoparticules façonnées ont des structures cristallines bien définies qui absorbent préférentiellement différentes protéines en solution. 

Un certain nombre de variantes de forme de nanoparticules d'argent et d'or sont disponibles, notamment des nanofils d'argent et des nanoplaques d'argent. Comme beaucoup de nos autres particules, la surface des particules peut être échangée contre différents stabilisants ou encapsulée dans une coque de silice. Des images de particules de différentes formes et leurs liens correspondants sont fournis ci-dessous. 

TEM image of nanoComposix silver nanowires.

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Comprendre les effets de la surface

La stabilité, l’absorption et la couronne protéique des nanoparticules dans les essais de toxicité sont dominées par les effets de surface. Différentes molécules de surface déterminent si les particules sont chargées positivement ou négativement, hydrophobes ou hydrophiles, lipophobes ou lipophiles, et dans quelle mesure elles interagiront avec d'autres molécules ou déclencheront une réponse immunitaire. Une technologie de base chez NCX est la capacité de fonctionnaliser ou de recouvrir la surface de nanoparticules artificielles avec une variété de polymères, de biomolécules, de coques et d'autres groupes fonctionnels de surface. Des exemples de matériaux de surface couramment utilisés chez nanoComposix sont le PEG, le PVP, le citrate, la silice, le phosphate, l'acide tannique et les biomolécules telles que les anticorps et l'ADN. 

 


Citrate


Acide tannique


JcJ

Identifier et quantifier l’état de surface d’une nanoparticule est important pour comprendre comment la surface des nanoparticules change au cours d’une expérience. Une fois qu'une nanoparticule est exposée à un système biologique, des changements importants peuvent avoir lieu à la surface, ce qui peut être un déterminant important de la toxicité ultime des nanoparticules. Les outils utilisés chez nanoComposix comprennent la mesure des modifications de la charge de surface et du point isoélectrique d'une nanoparticule, à l'aide du spectromètre de masse à désorption et ionisation laser assisté par matrice (MALDI-MS), à la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et à la spectroscopie Raman. L'identification des protéines est réalisée en dissociant la protéine de la surface des nanoparticules et analysée via LC MS/MS. 

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Comprendre les effets du taux de dissolution

Il a été démontré que la dissolution des nanoparticules en leurs ions et complexes ioniques constitutifs est un élément important de la toxicité de certains nanomatériaux. Les ions argent sont plus toxiques que les nanoparticules d'argent sur une base de charge massique et des corrélations directes entre la concentration en ions argent des suspensions de nanoparticules et la toxicité ont été établies. Un modèle de toxicité des nanoparticules est que les nanoparticules fournissent une source de libération d’ions métalliques toxiques sur une grande surface. Des études ont démontré que le taux de libération des nanoparticules est corrélé à la surface par unité de masse, des surfaces plus grandes (c'est-à-dire des particules plus petites) conduisant à des taux de libération d'ions plus élevés. Pour les particules telles que l’argent, il s’agit d’un facteur majeur expliquant pourquoi une toxicité accrue est mesurée à des tailles primaires plus petites.   

Le taux de libération des ions des nanoparticules dépend de la taille, de la forme, de la cristallinité et du revêtement de surface des particules. Le taux de libération est également modulé par la concentration en ions dans la solution et les conditions de stockage telles que la température, l'exposition à l'oxygène/soufre et l'exposition à la lumière. La concentration ionique est mesurée en séparant les nanoparticules du milieu de suspension par ultracentrifugation, chromatographie ou filtration/dialyse. Une fois séparée, la concentration en ions peut être mesurée par ICP-MS. Veuillez nous contacter si vous souhaitez plus d'informations sur la façon de mesurer le taux de dissolution des nanoparticules.   

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Réactifs résiduels

Selon la méthode de fabrication des nanomatériaux, des réactifs résiduels peuvent être présents dans la suspension de nanoparticules. Lors du test de toxicité d’un nanomatériau, il est important de faire la différence entre les effets toxiques des nanoparticules et les effets toxiques des réactifs résiduels. Les contrôles des réactifs résiduels peuvent être effectués en faisant tourner l’échantillon de nanoparticules dans une ultracentrifugeuse, en garantissant que tous les solides sont compactés en une pastille et en éliminant le surnageant. L’exécution du surnageant comme contrôle permettra de tester les effets résiduels des réactifs. 

La gamme BioPure que nous produisons est soumise à un processus rigoureux de lavage et de purification pour éliminer les excès de précurseurs de synthèse résiduels utilisés dans le processus de synthèse humide. Les résidus sont réduits à <5 pg/ml. Cependant, les nanoparticules d'argent constituent une source continue d'ions argent dont la toxicité est connue. Même avec tous les réactifs résiduels retirés du système, les surnageants peuvent toujours être toxiques en raison de la libération d'ions de la surface des nanoparticules d'argent. 

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Normes pour les tests de nanotoxicité

Diverses organisations identifient des nanomatériaux manufacturés pour des tests complets :

L'OCDE a créé un groupe de travail sur les nanomatériaux manufacturés (WPMN) qui a élaboré une liste des nanomatériaux manufacturés et des paramètres sur lesquels les pays et les parties prenantes doivent enquêter. NanoComposix fournit actuellement des normes de nanoparticules pour cet effort.

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Les références

  1. Monteiro-Riviere, NA, SJ Oldenburg et AO Inman, Interactions des nanoparticules d'aluminium avec les kératinocytes épidermiques humains. Journal de toxicologie appliquée, 2010. 30(3) : p. 276-285. Retour
  2. Samberg, ME, SJ Oldenburg et NA Monteiro-Riviere, Évaluation de la toxicité des nanoparticules d'argent dans la peau in vivo et dans les kératinocytes in vitro. Perspectives en matière de santé environnementale, 2009. 118(3) : p. 407-413. Retour
  3. Lankveld, D., Oomen, AG, Krystek, P., Neigh, A., Troost-De Jong, A., Noorlander, CW, Van Eijkeren, JC, Geertsma, RE, De Jong WH, La cinétique de la distribution tissulaire de nanoparticules d'argent de différentes tailles. Biomatériaux, 2010. 31(32) : p. 8350-8361. Retour

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