Toxiciteitsstudie van zink oxide-nanodeeltjes in de celkweek en in Drosophila melanogaster

Nanotechnologie verwijst naar de toepassing van nano-sized materialen die worden gebruikt in alle wetenschappelijke gebieden, met inbegrip van de geneeskunde, materialen wetenschap, en biochemie. Bijvoorbeeld, ZnO NPs die bekend staan om hun ultraviolet verstrooiing, chemische sensing, en anti-microbiële eigenschappen, evenals hoge elektrische geleidbaarheid, worden gebruikt in de productie van verschillende consumentenproducten zoals voedsel verpakking, cosmetica, textiel, rubbers, accu’s, katalysator voor de behandeling van auto-staart gassen, en biomedische-gerelateerde toepassingen^1,2,3.

De ontluikende toepassingen van ZnO-producten op basis van NP, die leiden tot een toegenomen menselijke blootstelling aan ZnO NPs, hebben echter bezorgdheid geuit over hun potentiële nadelige gevolgen voor de menselijke gezondheid. Een aantal in vitro cellulaire studies hebben aangetoond dat ZnO NPs kan induceren oxidatieve stress, autophagy-gerelateerde cytotoxiciteit, ontsteking, en genotoxiciteit^4,5,6,7,8 . Met name, de toxiciteit van ZnO NPs wordt verondersteld te worden veroorzaakt door de ontbinding van Zn tot vrije Zn^{2 +} ionen, evenals de oppervlakte reactiviteit van ZnO, resulterend in de cellulaire Ionische en metabole onevenwichtigheden die zijn gekoppeld aan verminderde Ionische homeostase en een remming van Ion transport^4,7,9,10. Belangrijk, studies hebben aangetoond dat de generatie van reactieve zuurstof soorten (ROS) is een van de primaire mechanismen onderliggende ZnO NPs-geassocieerde toxiciteit. Onvoldoende anti-oxidatieve activiteit na ROS-belediging is aangetoond dat zij verantwoordelijk zijn voor het opwekken van de cytotoxiciteit en DNA-schade⁹. De toxische effecten van ZnO NPs zijn ook gerapporteerd in diermodellen, waaronder knaagdieren¹, zebravis^11,12, evenals de ongewerveld Drosophila¹³.

Drosophila fungeert als een goed opgezet alternatief diermodel voor toxiciteits screening van chemische entiteiten en nanomaterialen (nm’s)^14,15. Belangrijk is dat er een hoge mate van genetische en fysiologische gelijkenis bestaat tussen humaan en Drosophila die het gebruik van Drosophila rechtvaardigt als een in vivo model voor het evalueren van biologische reacties op milieuverontreinigingen zoals nm’s ¹⁶. Bovendien zijn er veel voordelen van het gebruik van Drosophila vanwege zijn geringe omvang, korte levensduur, genetische geschiktheid en eenvoudig en kosteneffectief onderhoud. Bovendien is Drosophila op grote schaal goedgekeurd voor de studie van genetica, moleculaire en ontwikkelingsbiologie, sinds zijn volledige genoom jaren geleden volledig is gesequenced terug in 2000, waardoor het geschikt is voor een verscheidenheid aan hoge doorvoer screening en voor het aanpakken van onopgeloste biologische vragen^{17,18,19,20,21}. In de afgelopen jaren zijn een aantal studies gerelateerd aan immunotoxiciteit met behulp van verschillende soorten NPs in Drosophila gemeld^15,22,23,24. Deze fundamentele nieuwe kennis verkregen uit de studies met Drosophila heeft geholpen om meer inzicht te geven in ons begrip van nano toxicologie.

ROS is een bekende boosdoener voor cytotoxiciteit en genotoxiciteit veroorzaakt door NPs, in het bijzonder, op metaal gebaseerde NPs²⁵. ROS zijn zuurstof bevattende chemische soorten met hogere reactieve eigenschappen dan moleculaire zuurstof. Vrije radicalen zoals superoxide radicaal (O₂^–) en zelfs, niet-radicale moleculen zoals waterstofperoxide (H₂O₂) kunnen fungeren als Ros. Onder normale fysiologische aandoening, ze zijn vereist voor het handhaven van cellulaire homeostase²⁶, echter, buitensporige Ros als gevolg van overproductie of disregulatie van de antioxidant afweersysteem kan oxidatieve stress veroorzaken, wat leidt tot schade aan eiwitten, lipiden en deoxyribonucleïnezuur (DNA)²⁷. Bijvoorbeeld, als ROS niveaus toenemen en glutathion (GSH) niveau tegelijkertijd afneemt, verstoring van adenosinetrifosfaat (ATP) synthese plaatsvindt en lactaat dehydrogenase (LDH) niveau verhogingen in het medium, culmineren in celdood²⁷.

Hier bieden we protocollen voor het uitvoeren van cellulaire en genetische analyses met behulp van gekweekte zoogdieren cellen en Drosophila om te bepalen van de mogelijke nadelige effecten van ZnO NPs. Een overzicht van de methode die wordt gebruikt voor de toxiciteitsstudie van ZnO NPs wordt weergegeven in Figuur 1.