Humant enzym nedbryder potentielt giftige nanomaterialer

En international undersøgelse baseret på University of Pittsburgh giver den første identifikation af et menneskeligt enzym, der kan bionedbryde kulstofnanorør - de superstærke materialer, der findes i produkter fra elektronik til plastik - og i laboratorietests opvejer de potentielt skadelige sundhedseffekter ved at blive udsat for de små komponenter, ifølge resultater offentliggjort online i Natur nanoteknologi .

Resultaterne kunne åbne døren til brugen af ​​kulstofnanorør som et sikkert værktøj til levering af lægemidler og kunne også føre til udviklingen af ​​en naturlig behandling for mennesker, der udsættes for nanorør, enten i miljøet eller på arbejdspladsen, holdet rapporterede. Forskerne fandt ud af, at kulstofnanorør nedbrudt med det humane enzym myeloperoxidase (hMPO) ikke producerede den lungebetændelse, som intakte nanorør har vist sig at forårsage. Desuden, neutrofiler, de hvide blodlegemer, der indeholder og udsender hMPO for at dræbe invaderende mikroorganismer, kan rettes til specifikt at angribe kulstofnanorør.

"Den vellykkede medicinske anvendelse af kulstofnanorør er afhængig af deres effektive nedbrydning i kroppen, men kulstof nanorør er også notorisk holdbare, "sagde hovedforsker Valerian Kagan, en professor og næstformand i Institut for Miljø og Arbejdsmiljø i Pitt's Graduate School of Public Health. "HMPO's evne til at bionedbryde kulnanorør afslører, at denne nedbrydning er en del af en naturlig inflammatorisk reaktion. Det næste trin er at udvikle metoder til at stimulere den inflammatoriske reaktion og reproducere bionedbrydningsprocessen inde i en levende organisme."

Kagan og hans forskergruppe ledede holdet på mere end 20 forskere fra fire universiteter sammen med laboratoriegrupperne fra Alexander Star, en assisterende professor i kemi ved Pitt's School of Arts and Sciences, og Judith Klein-Seethharaman, en adjunkt i strukturbiologi i Pitt's School of Medicine. Yderligere Pitt-forskere inkluderede Yulia Tyurina, en Pitt-assistentprofessor i miljø- og arbejdsmiljø ved Graduate School of Public Health, og Donna Stolz, en lektor i cellebiologi og fysiologi ved Pitts medicinske skole; andre forskere er fra Sveriges Karolinska Institute, Trinity College i Irland, det nationale institut for arbejdsmiljø, og West Virginia University.

Carbon nanorør er et-atom tykke ruller af grafit 100, 000 gange mindre end et menneskehår og alligevel stærkere end stål. De bruges til at forstærke plastik, keramik, eller beton; er fremragende ledere af elektricitet og varme; og er følsomme kemiske sensorer. Imidlertid, et nanorørs overflade indeholder også tusindvis af atomer, der kunne reagere med den menneskelige krop på ukendte måder. Test på mus har vist, at inhalation af nanorør resulterer i alvorlig lungebetændelse kombineret med en tidlig indtræden af ​​fibrose. Rørenes holdbarhed vækker yderligere bekymring for korrekt bortskaffelse og oprydning. I 2008, Star og Kagan rapporterede i Nano Letters, at kulstofnanorør forringes, når de udsættes for planteenzymet peberrodsperoxidase, men deres forskning fokuserede på oprydning efter utilsigtet spild under fremstilling eller i miljøet.

For den aktuelle undersøgelse, forskerne fokuserede på menneskelig MPO, fordi det virker via frigivelsen af ​​stærke syrer og oxidanter - svarende til de kemikalier, der bruges til at nedbryde kulstofnanorør. De rugede først kort, enkeltvæggede nanorør i en hMPO- og hydrogenperoxidopløsning - hydrogenperoxiden gnister og opretholder hMPO-aktiviteten - i 24 timer, hvorefter strukturen og bulken af ​​røret var fuldstændig degenereret. Nanorørene degenererede endnu hurtigere, når natriumchlorid blev tilsat til opløsningen for at producere hypochlorit, en stærk oxiderende forbindelse, der er kendt for at nedbryde nanorør.

Efter at have fastslået effektiviteten af ​​hMPO til at nedbryde kulstofnanorør, holdet udviklede en teknik til at få neutrofiler til at angribe nanorør ved at fange dem og udsætte dem for enzymet. De implanterede en prøve af nanorør med antistoffer kendt som immunoglobulin G (IgG), hvilket gjorde dem til specifikke neutrofile mål. Efter 12 timer, 100 procent af IgG -nanorør blev nedbrudt mod 30 procent af dem uden IgG. Forskerne testede også makrofagernes evne, et andet hvidt blodlegeme, at nedbryde nanorør, men efter to dage, kun 50 procent af rørene var degenereret.

I efterfølgende laboratorieundersøgelser, lungevæv udsat for de nedbrudte nanorør i syv dage udviste ubetydelig ændring sammenlignet med ueksponeret væv. På den anden side, væv udsat for ubehandlede nanorør udviklede alvorlig betændelse.