L'image montre des cellules HeLa incubées pendant 24 heures avec des nanoparticules de TiO2 enrobées de sérum (les protéines sont marquées avec un fluorophore rouge). Les noyaux cellulaires sont colorés au DAPI (bleu). Crédit :Georgia Tech
Une nanoparticule couramment utilisée dans les aliments, produits de beauté, la crème solaire et d'autres produits peuvent avoir des effets subtils sur l'activité des gènes exprimant des enzymes qui s'attaquent au stress oxydatif à l'intérieur de deux types de cellules. Alors que les nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) sont considérées comme non toxiques car elles ne tuent pas les cellules à de faibles concentrations, ces effets cellulaires pourraient ajouter aux préoccupations concernant l'exposition à long terme au nanomatériau.
Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont utilisé des techniques de criblage à haut débit pour étudier les effets des nanoparticules de dioxyde de titane sur l'expression de 84 gènes liés au stress oxydatif cellulaire. Leurs travaux ont révélé que six gènes, quatre d'entre eux d'une même famille de gènes, ont été affectés par une exposition de 24 heures aux nanoparticules.
L'effet a été observé dans deux types différents de cellules exposées aux nanoparticules :les cellules cancéreuses humaines HeLa couramment utilisées dans la recherche, et une lignée de cellules rénales de singe. Les nanoparticules de polystyrène de taille et de charge électrique de surface similaires aux nanoparticules de dioxyde de titane n'ont pas produit un effet similaire sur l'expression des gènes.
« Ceci est important car chaque mesure standard de la santé cellulaire montre que les cellules ne sont pas affectées par ces nanoparticules de dioxyde de titane, " a déclaré Christine Payne, professeur agrégé à l'École de chimie et de biochimie de Georgia Tech. "Nos résultats montrent qu'il existe un changement plus subtil du stress oxydatif qui pourrait endommager les cellules ou entraîner des changements à long terme. Cela suggère que d'autres nanoparticules devraient être examinées pour des effets similaires à faible niveau."
La recherche a été publiée en ligne le 6 mai dans le Journal de chimie physique C . Le travail a été soutenu par les National Institutes of Health (NIH) par le biais du Centre HERCULES de l'Université Emory, et par une bourse Vasser Woolley.
Les nanoparticules de dioxyde de titane aident à blanchir les beignets en poudre, protéger la peau des rayons du soleil et réfléchir la lumière sur les surfaces peintes. Dans les concentrations couramment utilisées, ils sont considérés comme non toxiques, bien que plusieurs autres études aient soulevé des inquiétudes quant aux effets potentiels sur l'expression des gènes qui pourraient ne pas avoir d'impact direct sur la santé à court terme des cellules.
Pour déterminer si les nanoparticules pourraient affecter les gènes impliqués dans la gestion du stress oxydatif dans les cellules, Payne et sa collègue Melissa Kemp - professeur agrégé au département de génie biomédical Wallace H. Coulter de Georgia Tech et de l'Université Emory - ont conçu une étude pour évaluer globalement l'impact de la nanoparticule sur les deux lignées cellulaires.
Travaillant avec les étudiants diplômés Sabiha Runa et Dipesh Khanal, ils ont incubé séparément des cellules HeLa et des cellules de rein de singe avec de l'oxyde de titane à des niveaux 100 fois inférieurs à la concentration minimale connue pour initier des effets sur la santé cellulaire. Après incubation des cellules pendant 24 heures avec le TiO2, les cellules ont été lysées et leur contenu analysé à l'aide des techniques PCR et Western Blot pour étudier l'expression de 84 gènes associés à la capacité des cellules à traiter les processus oxydatifs.
Payne et Kemp ont été surpris de trouver des changements dans l'expression de six gènes, dont quatre de la famille des enzymes peroxiredoxines qui aident les cellules à dégrader le peroxyde d'hydrogène, un sous-produit des processus d'oxydation cellulaire. Trop de peroxyde d'hydrogène peut créer un stress oxydatif qui peut endommager l'ADN et d'autres molécules.
L'effet mesuré était significatif - des changements d'environ 50 pour cent dans l'expression enzymatique par rapport aux cellules qui n'avaient pas été incubées avec des nanoparticules. Les tests ont été effectués en triple et ont produit des résultats similaires à chaque fois.
La professeure agrégée de Georgia Tech Christine Payne et l'étudiante diplômée Sabiha Runa sont présentées dans un laboratoire de microscopie utilisé pour étudier l'interaction des nanoparticules de dioxyde de titane avec les cellules. Sur l'écran est une image de microscopie fluorescente de cellules cancéreuses humaines. Crédit :Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
"Une chose vraiment surprenante, c'est que toute cette famille de protéines a été affectée, bien que certains aient été régulés à la hausse et d'autres à la baisse, " a déclaré Kemp. "Ce sont toutes des protéines apparentées, donc la question est de savoir pourquoi ils réagiraient différemment à la présence des nanoparticules."
Les chercheurs ne savent pas comment les nanoparticules se lient aux cellules, mais ils soupçonnent que cela peut impliquer la couronne de protéines qui entoure les particules. La couronne est constituée de protéines sériques qui servent normalement de nourriture aux cellules, mais adsorbent sur les nanoparticules dans le milieu de culture. Les protéines corona ont un effet protecteur sur les cellules, mais peut également servir de moyen pour les nanoparticules de se lier aux récepteurs cellulaires.
Le dioxyde de titane est bien connu pour ses effets photo-catalytiques sous lumière ultraviolette, mais les chercheurs ne pensent pas que cela soit en jeu ici parce que leur culture a été effectuée à la lumière ambiante - ou dans l'obscurité. Les nanoparticules individuelles avaient des diamètres d'environ 21 nanomètres, mais en culture cellulaire formé des agrégats beaucoup plus gros.
Dans les travaux futurs, Payne et Kemp espèrent en savoir plus sur l'interaction, y compris où les protéines productrices d'enzymes sont situées dans les cellules. Pour ça, ils peuvent utiliser HyPer-Tau, une protéine rapporteur qu'ils ont développée pour suivre l'emplacement du peroxyde d'hydrogène dans les cellules.
La recherche suggère qu'une réévaluation peut être nécessaire pour d'autres nanoparticules qui pourraient créer des effets subtils même si elles ont été jugées sûres.
"Des travaux antérieurs avaient suggéré que les nanoparticules peuvent entraîner un stress oxydatif, mais personne n'avait vraiment regardé ce niveau et autant de protéines différentes en même temps, " Payne a déclaré. "Nos recherches ont porté sur des concentrations si faibles qu'elles soulèvent des questions sur ce qui pourrait être affecté d'autre. Nous nous sommes penchés spécifiquement sur le stress oxydatif, mais il peut y avoir d'autres gènes qui sont affectés, trop."
Ces différences subtiles peuvent avoir de l'importance lorsqu'elles sont ajoutées à d'autres facteurs.
"Le stress oxydatif est impliqué dans toutes sortes de réponses inflammatoires et immunitaires, « . si cela se produit en même temps que vous avez d'autres types de stress oxydatif pour différentes raisons, alors vous pouvez avoir un effet cumulatif."
