یافتههای یک پژوهش جدید نشان میدهد آنچه ریه را در برابر نانوالیاف آسیبپذیر میکند، تنها جنس ماده نیست، بلکه شکل، اندازه و سختی آن است. این مطالعه با رمزگشایی از تغییرات پروتئینی در سلولهای ایمنی ریه، مسیر تازهای برای طراحی نانومواد ایمنتر و کاهش وابستگی به آزمونهای حیوانی پیشنهاد میکند.
آسیبزایی نانوالیافها بیشتر به شکل آنها وابسته است تا ترکیب شیمیایی
یک پژوهش منتشرشده در نشریه Nano Today نگاه تازهای به ایمنیسنجی نانومواد ارائه میدهد؛ نگاهی که نه بر ترکیب شیمیایی، بلکه بر «مورفولوژی» یا همان شکل و نسبتهای هندسی نانوالیاف تأکید دارد. نتایج این مطالعه نشان میدهد طول، قطر و سختی نانوالیاف میتواند پاسخ سلولهای ریه را دگرگون کند و در مواردی آنها را در معرض التهاب شدید، آسیب غشایی و اختلال عملکرد قرار دهد.
پژوهشگران در این بررسی، با استفاده از روشهای پیشرفته پروتئومیکس، واکنش ماکروفاژهای آلوئولی موش را در برابر انواع نانوالیاف از جمله سیلیسیمکاربید (Silicon Carbide) و دیاکسید تیتانیوم (Titanium Dioxide) تحلیل کردهاند. نکته محوری این بود که شکل نانوالیاف چگونه رفتار سلولهای ایمنی را تغییر میدهد و چه پروتئینهایی میتوانند نقش نشانگرهای زیستی را برای پیشبینی سمیت ایفا کنند.
ریشه یک چالش نانویی؛ چرا شکل اینقدر مهم است؟ نانوالیاف بهدلیل سطح ویژه بالا و ویژگیهای فیزیکی مطلوبشان در حوزههایی مانند ذخیرهسازی انرژی، پزشکی، تصفیه آب و مهندسی مواد استفاده میشوند. اما ساختار کشیده و نازک آنها میتواند هنگام استنشاق دردسرساز شود. سازمان بهداشت جهانی «الیاف بحرانی» را الیافی با قطر کمتر از سه میکرون، طول بیش از پنج میکرون و نسبت طول به قطر بالاتر از سه تعریف میکند؛ ویژگیهایی که با خطراتی مانند فیبروز ریوی و مزوتلیوما همراه هستند.
در الگوی معروف «پاتوژنز الیافی»، سختی و دوام الیاف نقشی کلیدی دارند. زمانی که ماکروفاژها با الیاف بلند و سفت روبهرو میشوند، نمیتوانند آنها را کامل ببلعند. این فرآیند ناتمام، که به «فاگوسیتوز ناکام» مشهور است، منجر به التهاب مزمن، ترشح رادیکالهای مخرب و آسیبدیدگی سلولی میشود. مطالعه جدید تلاش کرده بود این رفتار را نه با نگاه شیمیایی، بلکه با تمرکز بر مورفولوژی بررسی کند.
برای اینکه مشخص شود شکل بهتنهایی چه تأثیری دارد، پژوهشگران دو نوع نانوالیاف رایج، یعنی سیلیسیمکاربید و دیاکسید تیتانیوم، را در حالت دستنخورده و خردشده آزمایش کردند. خردکردن، طول و نسبتهای هندسی الیاف را کاهش میدهد و اجازه میدهد اثر خالص «مورفولوژی» از ماهیت شیمیایی جدا شود.
پس از قرار دادن سلولها در معرض این نانوالیاف، پژوهشگران شاخصهایی مانند آسیب غشایی، استرس اکسیداتیو، نشت لیزوزومی و میزان التهاب را با آزمونهای سلولی و طیفسنجی جرمی LC-MS/MS اندازهگیری کردند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان داد الیاف سیلیسیمکاربید دستنخورده با میانگین طول ۹٫۵ میکرون و قطر ۱۵۶ نانومتر، بسیار بلندتر و ضخیمتر از الیاف دیاکسید تیتانیوم هستند. پس از خردکردن، طول الیاف بهطور قابلتوجهی کاهش یافت و امکان جذب کامل آنها توسط سلولها فراهم شد؛ موضوعی که شدت سمیت را بهطور چشمگیری کم کرد.
تحلیل پروتئومیکس نشان داد الیاف دستنخورده بیشترین اختلال را در سلولهای ریه ایجاد میکنند. مواجهه با سیلیسیمکاربید دستنخورده باعث تغییر بیان بیش از هزار پروتئین شد، درحالیکه نوع خردشده تنها ده پروتئین را تحت تأثیر قرار داد. برای دیاکسید تیتانیوم، این رقم بهترتیب ۲۶۶ پروتئین و پنج پروتئین بود. این اختلاف چشمگیر تأکید میکند که مورفولوژی الیاف نسبت به ماهیت شیمیایی، عامل غالب در بروز سمیت است.
پروتئینهایی مانند Arginase-1 و IL-1Ra که با التهاب مرتبط هستند، در مواجهه با الیاف دستنخورده بهطور معناداری افزایش یافتند. حضور نشانگرهایی از استرس اکسیداتیو و نشت پروتئینهای لیزوزومی در محیط سلولی نیز تأیید کرد که این الیاف میتوانند به غشای سلولی و لیزوزومی آسیب بزنند. افزون بر آن، الگوهای پروتئینی بهروشنی نشان دادند که مرگ سلولها بیشتر بهصورت نکروز رخ میدهد تا مرگ برنامهریزیشده.
پژوهشگران مجموعهای شامل ۵۸ پروتئین را معرفی کردند که میتواند بهعنوان «اثر انگشت پروتئینی سمیت ناشی از مورفولوژی» مورد استفاده قرار گیرد. این مجموعه مسیرهایی مانند التهاب، سلامت لیزوزومی، متابولیسم و مرگ سلولی را پوشش میدهد و مهمتر از همه، مستقل از جنس ماده است. بنابراین میتوان از آن بهعنوان ابزار پیشبینی ایمنی در مراحل ابتدایی طراحی نانومواد استفاده کرد، بدون نیاز به حجم گستردهای از آزمونهای حیوانی.
این یافتهها با هدفهای سهگانه کاهش، جایگزینی و اصلاح آزمونهای حیوانی همخوانی دارد و مسیر توسعه چارچوبهای ایمنیسنجی هوشمند را هموار میکند؛ چارچوبهایی که هم صنعت و هم نهادهای نظارتی سالهاست بهدنبال آن هستند.
با گسترش کاربرد نانوالیاف در کالاهای مصرفی، صنایع انرژی، زیستپزشکی و محیطزیست، شناخت تعاملات زیستی آنها برای توسعه مواد ایمنتر حیاتی است. تمرکز این پژوهش بر سطح مولکولی، درک ما از سازوکارهای سمیت را دقیقتر کرده و فرصتی فراهم میآورد تا طراحی نانومواد از مرحله نخست با رویکرد ایمنیمحور انجام شود.
پژوهشگران پیشنهاد کردهاند مرحله بعد، ارزیابی این اثر انگشت پروتئینی در سلولهای انسانی و مدلهای طولانیمدت است تا کارایی آن برای پیشبینی خطرهای واقعی محیطی و صنعتی تأیید شود.