2) взаимодействие с белками
3) взаимодействие с ДНК (+)
4) взаимодействие с углеводами
Взаимодействие наноматериалов с ДНК рассматривается как ключевая молекулярно-биологическая характеристика их потенциальной генотоксичности. Наночастицы могут проникать в клетку за счёт эндоцитоза, а при эндосомальном ускользании — достигать ядра. Прямое связывание с ДНК обусловлено электростатическим притяжением между положительно заряженной поверхностью частицы и отрицательно заряженным фосфатным остовом ДНК, а также интеркаляцией между парами азотистых оснований, связыванием с большой или малой бороздкой и образованием координационных либо ковалентных комплексов.
Повреждение генетического материала может возникать и опосредованно: наноматериал стимулирует образование активных форм кислорода, вызывает окислительный стресс, нарушение работы митохондрий и воспалительный ответ. Следствием становятся окислительные модификации оснований, например образование 8-оксогуанина, одно- и двунитевые разрывы ДНК, межнитевые сшивки, ошибки репликации и хромосомные аберрации. Поэтому взаимодействие с ДНК имеет принципиальное значение для оценки мутагенности, канцерогенного риска и безопасности наноматериалов.
Белки, липиды и углеводы также могут связывать наночастицы: в биологических жидкостях формируется белковая корона , а мембранные липиды и гликокаликс участвуют в контакте с поверхностью частицы. Однако именно воздействие на ДНК отражает наиболее значимый молекулярный механизм генотоксичности и является основанием для выбора варианта 3.
| Механизм взаимодействия | Мишень или условие | Молекулярное последствие | Основные признаки оценки |
|---|---|---|---|
| Электростатическое связывание | Фосфатный остов ДНК и положительно заряженная поверхность наночастицы | Изменение конформации ДНК, нарушение репликации и транскрипции | Снижение интенсивности связывания флуоресцентных зондов, спектроскопические и электрофоретические изменения |
| Интеркаляция | Вставка плоских наноструктур между парами оснований | Увеличение расстояния между основаниями, блокада репликации, возможные мутации | Изменение температуры плавления и спектров ДНК, появление мутагенного эффекта |
| Связывание с бороздками ДНК | Большая или малая бороздка двойной спирали | Нарушение взаимодействия ДНК с транскрипционными факторами и ферментами репарации | Изменение экспрессии генов и показателей репарации повреждений |
| Окислительное повреждение | ДНК, ядерные белки и мембраны при избытке активных форм кислорода | Образование 8-оксогуанина, разрывов цепей и аберрантных оснований | Тест комет, определение 8-OHdG, анализ активных форм кислорода |
| Прямое химическое взаимодействие | Металлические наночастицы или высвобождаемые ионы металлов | Аддукты, межнитевые сшивки и ингибирование ферментов репарации | γ-H2AX, анализ клеточного цикла, выявление хромосомных повреждений |
| Клеточные последствия генотоксичности | Накопление повреждений при недостаточной репарации | Апоптоз, остановка клеточного цикла, мутации и нестабильность генома | Микроядерный тест, кариотипирование, оценка жизнеспособности и апоптоза |
Выраженность взаимодействия определяется размером, формой, химическим составом, зарядом, растворимостью и покрытием наночастиц. Белковая корона может изменять их доставку к клетке и доступность для ядерных мишеней, поэтому результаты необходимо интерпретировать с учётом биологической среды. Для комплексной оценки применяют сочетание теста комет, определения γ-H2AX, микроядерного теста и маркеров окислительного стресса. Таким образом, взаимодействие с ДНК является центральным критерием оценки генотоксического действия наноматериалов.