Kunstige nanopartikler påvirker hjertefrekvensen

I lyset af den stigende efterspørgsel efter kunstige nanopartikler i medicin og industri, det er vigtigt for producenterne at forstå, hvordan disse partikler påvirker kropsfunktioner, og hvilke mekanismer der er i spil – spørgsmål, som der har været mangel på viden om.

Undersøgelser af hjertepatienter har i årtier vist, at partikler har en negativ effekt på det kardiovaskulære system. Endnu, det forblev uklart, om nanopartiklerne gør deres skade direkte eller indirekte, fx gennem stofskifteprocesser eller betændelsesreaktioner. Kroppens reaktioner er simpelthen for komplekse.

Ved at bruge et såkaldt Langendorff-hjerte – et isoleret gnaverhjerte skyllet med en næringsopløsning i stedet for blod – kunne forskere fra Helmholtz Zentrum Muenchen og TU Muenchen for første gang vise, at nanopartikler har en tydeligt målbar effekt på hjertet . Når de udsættes for en række almindeligt anvendte kunstige nanopartikler, hjertet reagerede på visse typer partikler med en øget hjertefrekvens, hjertearytmi og ændrede EKG-værdier, der er typiske for hjertesygdomme. "Vi bruger hjertet som en detektor, " forklarer professor Reinhard Nießner, Direktør for Institut for Hydrokemi ved TU Muenchen. "På den måde kan vi teste, om specifikke nanopartikler har en effekt på hjertefunktionen. En sådan mulighed har ikke eksisteret hidtil."

Forskere kan også bruge denne nye model hjerte til at kaste lys over den mekanisme, hvorved nanopartiklerne påvirker hjertefrekvensen. For at gøre dette, de forbedrede Langendorffs eksperimentelle opsætning for at tillade næringsopløsningen at blive ført tilbage i løkken, når den er fløjet gennem hjertet. Dette gør det muligt for forskerne at berige stoffer, der frigives af hjertet, og forstå hjertets reaktion på nanopartiklerne.

Ifølge Stampfl og Nießner, det er meget sandsynligt, at neurotransmitteren noradrenalin er ansvarlig for den øgede hjertefrekvens, som nanopartikler forårsager. Noradrenalin frigives af nerveender i hjertets indre væg. Det øger hjertefrekvensen og spiller også en vigtig rolle i centralnervesystemet - et tip om, at nanopartikler også kan have en skadelig effekt der.

Stampfl og hans team brugte deres hjertemodel til at teste carbon black og titaniumdioxid nanopartikler, samt gnist-genereret kulstof, som fungerer som model for luftbårne forurenende stoffer, der stammer fra dieselforbrænding. Ud over, siliciumdioxid, forskellige Aerosil silicaer brugt f.eks. som fortykkelsesmidler i kosmetik, og polystyren blev testet. Kulsort, gnist-genereret kulstof, titaniumdioxid og siliciumdioxid førte til en stigning i hjertefrekvensen på op til 15 procent med ændrede EKG-værdier, der ikke normaliserede, selv efter at nanopartikeleksponeringen var afsluttet. Aerosil silica og polystyren viste ingen effekt på hjertefunktionen.

Denne nye hjertemodel kan vise sig at være særlig nyttig i medicinsk forskning. Her, kunstige nanopartikler bliver i stigende grad indsat som transportkøretøjer. Deres iboende store overflader giver ideelle docking-grunde for aktive midler. Nanopartiklerne transporterer derefter de aktive stoffer til deres destination i menneskekroppen, f.eks. en tumor. De fleste af de oprindelige prototyper af sådanne "nanobeholdere" er carbon- eller silikatbaserede. Indtil nu, virkningen af ​​disse stoffer på den menneskelige krop er stort set ukendt. Den nye hjertemodel kunne således fungere som et testorgan til at hjælpe med at udvælge de partikeltyper, der ikke påvirker hjertet negativt.

Kunstige nanopartikler er også brugt i mange industriprodukter - nogle af dem siden årtier. Deres lille størrelse og deres store overflader (sammenlignet med deres volumen) giver disse partikler unikke egenskaber. Det store overfladeareal af titaniumdioxid (TiO2), for eksempel, fører til et stort brydningsindeks, der får stoffet til at fremstå strålende hvidt. Det bruges således ofte i hvide overtræksmalinger eller som UV-blokker i solcremer. Såkaldt carbon black er også en meget brugt nanopartikel (hovedsageligt i bildæk og plastik) med over 8 millioner tons produceret årligt. Den lille størrelse af disse nanopartikler (de måler kun 14 nanometer i diameter) gør dem velegnede som farvestoffer, f.eks. i printere og kopimaskiner.

Med deres forbedrede Langendorff-hjerte, forskerne har nu for første gang udviklet et måleopsætning, der kan bruges til at analysere virkningerne af nanopartikler på en komplet, intakt organ uden at blive påvirket af andre organers reaktioner. Hjertet er et særligt godt testobjekt. "Den har sin egen impulsgenerator, sinusknuden, gør det muligt at fungere uden for kroppen i flere timer, "Andreas Stampfl, første forfatter til undersøgelsen, forklarer. "Desuden ændringer i hjertefunktionen kan tydeligt genkendes ved hjælp af puls- og EKG-diagrammet."

"Vi har nu en model for et overlegent organ, der kan bruges til at teste påvirkningen af ​​kunstige nanopartikler, " Nießner forklarer yderligere. "Den næste ting, vi vil gøre, er at finde ud af, hvorfor nogle nanopartikler påvirker hjertefunktionen, mens andre slet ikke påvirker hjertet." Både fremstillingsproces og form kan spille en vigtig rolle. Derfor, forskerne planlægger yderligere undersøgelser for at undersøge overfladerne af forskellige typer nanopartikler og deres interaktioner med cellerne i hjertevæggen.