Kulstof nanostrukturer -- eliksir eller gift?

En toksikolog fra Los Alamos National Laboratory og et tværfagligt team af forskere har dokumenteret potentiel cellulær skade fra "fullerener" - fodbold-boldformet, burlignende molekyler sammensat af 60 kulstofatomer. Holdet bemærkede også, at denne særlige type skade kan rumme håb om behandling af Parkinsons sygdom, Alzheimers sygdom, eller endda kræft.

Forskningen dukkede for nylig op i Toksikologi og anvendt farmakologi og repræsenterer den første observation af denne art nogensinde for sfæriske fullerener, også kendt som buckyballs, som tager deres navne fra afdøde Buckminster Fuller, fordi de ligner det geodætiske kuppelkoncept, som han populariserede.

Konstruerede kulstofnanopartikler, som inkluderer fullerener, er stigende i brug på verdensplan. Hver buckyball er et skeletbur af kulstof på størrelse med en virus. De viser potentiale for at skabe stærkere, lettere strukturer eller fungerer som små leveringsmekanismer for designerlægemidler eller antibiotika, blandt andre anvendelser. Omkring fire til fem tons kulstofnanopartikler fremstilles årligt.

"Nanomaterialer er det 21. århundredes revolution, " sagde Los Alamos toksikolog Rashi Iyer, den primære forskningsleder og medforfatter til papiret. "Vi bliver nødt til at leve med dem og håndtere dem, og spørgsmålet bliver, "Hvordan skal vi maksimere vores brug af disse materialer og minimere deres indvirkning på os og miljøet?"

Iyer og hovedforfatter Jun Gao, også en Los Alamos toksikolog, udsat dyrkede menneskelige hudceller for flere forskellige typer buckyballs. Forskellene i buckyballs lå i det rumlige arrangement af korte grene af molekyler, der kommer ud af den primære buckyball-struktur. En buckyball variation, kaldet "tris"-konfigurationen, havde tre molekylære forgreninger fra hovedstrukturen på en halvkugle; en anden variation, kaldet "hexa"-konfigurationen, havde seks grene fra hovedstrukturen i et nogenlunde symmetrisk arrangement; den sidste type var en almindelig buckyball.

Forskerne fandt ud af, at celler udsat for tris-konfigurationen gennemgik for tidlig alderdom - hvad der kan beskrives som en tilstand af suspenderet animation. Med andre ord, cellerne døde ikke, som celler normalt burde, heller ikke delte de sig eller voksede. Denne standsning af den naturlige cellulære livscyklus efter eksponering for de tris-konfigurerede buckyballs kan kompromittere normal organudvikling, fører til sygdom i en levende organisme. Kort sagt, tris buckyballs var giftige for menneskelige hudceller.

I øvrigt, cellerne, der blev udsat for tris-arrangementet, forårsagede unikke reaktioner på molekylært niveau, hvilket tyder på, at tris-fullerener potentielt kan interferere med normale immunresponser induceret af vira. Holdet forfølger nu forskning for at afgøre, om celler udsat for denne form for fullerener kan være mere modtagelige for virusinfektioner.

Ironisk, opdagelsen kan også føre til en ny behandlingsstrategi til bekæmpelse af flere invaliderende sygdomme. Ved sygdomme som Parkinsons eller Alzheimers, nerveceller dør eller degenererer til en ikke-funktionel tilstand. En mekanisme til at inducere senescens i specifikke nerveceller kunne forsinke eller eliminere sygdommenes begyndelse. Tilsvarende en sygdom som kræft, som spredes og trives gennem ureguleret replikation af kræftceller, kan bekæmpes gennem induceret alderdom. Denne strategi kunne stoppe cellerne i at dele sig og give lægerne mere tid til at dræbe de unormale celler.

På grund af den lille størrelse af nanomaterialer, den primære fare forbundet med dem har været potentiel indånding – svarende til bekymringen over asbesteksponering.

"Allerede, fra et toksikologisk synspunkt, denne forskning er nyttig, fordi den viser, at hvis du har valget mellem at bruge et tris- eller et hexa-arrangement til en applikation, der involverer buckyballs, hexa-arrangementet er nok det bedre valg, " sagde Iyer. "Disse undersøgelser kan give vejledning til nyt nanomateriale design og udvikling."

Disse resultater var udløbere fra en undersøgelse (Shreve, Wang, og Iyer) finansieret for at forstå interaktionerne mellem buckyballs og biologiske membraner. Los Alamos National Laboratory har påtaget sig en proaktiv rolle ved at igangsætte et biovurderingsprogram for nanomaterialer med den hensigt at holde sine nanomaterialearbejdere sikre og samtidig lette opdagelsen af ​​høj-funktion, lav-bioimpact nanomaterialer med potentiale til at gavne nationale sikkerhedsmissioner. Ud over Gao og Iyer, LANL-programmet inkluderer Jennifer Hollingsworth, Yi Jiang, Jian sang, Paul Welch, Hsing Lin Wang, Srinivas Iyer, og Gabriel Montaño.

Los Alamos National Laboratory-forskere vil fortsætte med at forsøge at forstå de potentielle virkninger af eksponering for nanomaterialer på nogenlunde samme måde, som Los Alamos var en verdensomspændende førende i at forstå virkningerne af stråling i laboratoriets tidlige historie. Los Alamos-arbejdere, der bruger nanomaterialer, vil fortsætte med at følge protokoller, der giver den højeste grad af beskyttelse mod potentiel eksponering.

i mellemtiden, Los Alamos forskning i nanomaterialer giver en advarselshistorie for nanomaterialebrug, samt et tidligt grundlag for arbejdstagerbeskyttelse. Lige nu, der er ingen føderale regler for brugen af ​​nanomaterialer. Offentliggørelse af brug af virksomheder eller enkeltpersoner er frivillig. Efterhånden som brugen af ​​nanomateriale stiger, forståelsen af ​​deres potentielle farer bør også øges.