Um novo estudo revela que a forma, não apenas a substância, das nanofibras desempenha um papel basic na toxicidade pulmonar. A pesquisa descobre pistas no nível da proteína que podem ajudar a projetar nanomateriais mais seguros e inteligentes.
Crédito da imagem: Sarawut KH/Shutterstock.com
Um novo papel em Nano hoje Fornece informações sobre um fator crítico, mas muitas vezes esquecido, na segurança nanomaterial: morfologia. Os pesquisadores mostraram que a forma e o tamanho das nanofibras (NFs), especificamente seu comprimento, diâmetro e rigidez, podem influenciar drasticamente como as células pulmonares respondem à exposição. A equipe identificou marcadores moleculares usando o perfil proteômico avançado de macrófagos alveolares de rato, o que pode um dia ajudar a prever a toxicidade de diferentes tipos de fibras.
Este estudo muda a conversa da nanotoxicologia da composição química para a estrutura, mostrando como a forma de fibra sozinha pode gerar inflamação e danos celulares. Essas descobertas podem ser um passo para projetar mais seguro nanomateriais e reduzir a dependência de testes em animais.
Morfologia de nanofibra
Nanofibras são cada vez mais usadas em armazenamento de energiaAssim, Purificação da águaremédio e muito mais, graças à sua alta área superficial e propriedades físicas adaptadas. Mas sua estrutura fina e alongada pode causar problemas, principalmente quando inalada. A Organização Mundial da Saúde outline “fibras críticas” como aquelas mais finas que três mícrons, mais de cinco mícrons e com proporções de aspecto acima de 3: 1, dimensões intimamente associadas a doenças como fibrose pulmonar e mesotelioma.
O paradigma de patogenicidade da fibra liga a durabilidade e a forma das fibras à toxicidade, mas um fator variável importante, rigidez, tem sido frequentemente ignorado. Essa rigidez é um problema quando os macrófagos nos pulmões encontram fibras longas e rígidas; Eles não podem envolvê -los totalmente. Essa resposta imune fracassada, conhecida como fagocitose frustrada, leva a inflamação persistente. O novo estudo mergulha profundamente nesse campo de batalha celular, com o objetivo de desenvolver ferramentas para previsão de toxicidade sem testes em animais.
Retirada da forma da substância
Para explorar como somente a morfologia afeta a toxicidade, os pesquisadores testaram o carboneto de silício (sic) e o dióxido de titânio (TIO2) em suas formas intactas e mecanicamente fundamentais. Esses dois nanofibras amplamente utilizados foram moídos para encurtar e alterar suas proporções, ajudando a isolar os efeitos da forma da composição química.
Eles expuseram células de macrófagos alveolares de rato (NR8383) a cada tipo e usaram uma combinação de ensaios celulares e espectrometria de massa de cromatografia líquida (LC-MS/MS) para rastrear as respostas. Os ensaios mediram indicadores-chave do estresse celular: lactato desidrogenase (dano da membrana celular), peróxido de hidrogênio (estresse oxidativo), β-glucuronidase (vazamento lisossômico) e TNF-α (inflamação).
A microscopia eletrônica de varredura confirmou que as fibras SiC intactas tiveram uma média de 9,5 mícrons de comprimento e 156 nanômetros de diâmetro, enquanto o TIO2 As fibras eram mais curtas e mais finas. A moagem reduziu drasticamente o comprimento da fibra, permitindo a internalização whole por células e menos efeitos tóxicos.
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Proteômica revelam uma impressão digital tóxica
A morfologia teve um impacto direto na toxicologia. Nanofibras intactas levaram ao piercing da membrana, fagocitose frustrada e sinais inflamatórios elevados. As fibras terrestres, por outro lado, foram mais facilmente internalizadas e causaram interrupções mínimas, mesmo em concentrações mais altas.
A análise proteômica mostrou que a exposição a fibras SiC intactas alterou a abundância de mais de 1.000 proteínas após 18 horas. As fibras do solo afetaram apenas 10. Tio intacto2 Fibras alteradas 266 proteínas; Seus colegas de terreno alteraram cinco. A análise de componentes principais agrupou as amostras de terra, confirmando ainda mais a morfologia como o fator dominante.
Várias proteínas relacionadas à inflamação, como arginase-1 e antagonista do receptor de interleucina-1, foram comprovadamente reguladas em resposta às fibras intactas. O sulfóxido de metionina, um marcador de estresse oxidativo, foi elevado particularmente em células tratadas com SiC. Enquanto isso, as proteínas lisossômicas foram encontradas no meio circundante e não dentro das células, confirmando a ruptura lisossômica. Marcadores de necrose foram mais proeminentes do que os da morte celular programada.
Uma impressão digital common para nanotoxicidade
Com base nesses resultados, a equipe propôs um painel de 58 proteínas como uma impressão digital de toxicidade acionada por morfologia. Este conjunto abrange vias relacionadas à inflamação, integridade lisossômica, metabolismo e morte celular. Fundamentalmente, a impressão digital parece ser independente do materials, o que significa que poderia ser usado para prever a toxicidade em diferentes tipos de nanofibras.
As implicações são significativas. Em vez de confiar apenas nos testes em animais, os pesquisadores poderiam usar in vitro Ensaios apoiados por esta impressão digital proteômica para rastrear nanomateriais no início do processo de design. Essa abordagem suporta o princípio 3R (substituição, redução, refinamento) em toxicologia e alinha -se com o crescente interesse regulatório e da indústria em métodos de teste alternativos.
Em direção a nanotecnologia mais segura
Esta pesquisa oferece uma nova perspectiva sobre a segurança de nanofibras. À medida que as nanofibras se tornam mais comuns em bens de consumo, aplicações industriais e até mesmo saúde, entender suas interações biológicas é mais urgente do que nunca.
Ao focar nas respostas em nível molecular, o estudo esclarece os mecanismos por trás da toxicidade da nanofibra e aponta o caminho para engenharia de materiais mais seguros e estruturas regulatórias mais inteligentes.
A equipe pede validação adicional de sua impressão digital de proteínas nas células humanas primárias e em estudos imitando a exposição a longo prazo. A expansão do método entre vários nanomateriais e modelos biológicos ajudará a refinar seu poder preditivo.
Referência do diário
Stobernack, T., et al. (2025). Prevendo a patogenicidade acionada por morfologia de nanofibras através do perfil proteômico. nanotoday102812 (65). Doi: 10.1016/j.nantod.2025.102812, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s1748013225001847