Biologisk risikopotentiale for nanopartikler undersøgt

Kulstofnanopartikler er et lovende værktøj til biomedicinske anvendelser, for eksempel, til målrettet transport af biologisk aktive forbindelser ind i celler. Et team af forskere fra fysik, Medicin og kemi afdelinger ved Heinrich Heine Universitetet i Düsseldorf (HHU) har nu undersøgt, om disse partikler er potentielt farlige for organismen, og hvordan celler håndterer dem, når de er blevet inkorporeret. Resultaterne af den tværfaglige undersøgelse er netop blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

Nanopartikler er mindre end fem nanometer - en nanometer er en milliontedel af en millimeter - hvilket svarer omtrent til størrelsen af ​​makromolekyler. Sådanne små partikler absorberes meget let i kroppens celler. Der er to aspekter ved denne funktion. For det første, det gør nanopartikler til gode vehikler til at transportere en bred vifte af forbindelser eller stoffer knyttet til dem ind i normale syge celler på en målrettet måde.

På den anden side, de kan også udgøre sundhedsrisici, fx i forbindelse med partikler. En af måderne, partikelstof skabes på, er i forbrændingsprocesser, og en del af det kan klassificeres som nanopartikler. Disse ekstremt små partikler kan overvinde blod-luft-barrieren og trænge ind i kroppen:Bronkiernes slimhinde i lungerne filtrerer ikke partiklerne fra. I stedet, de går ind i lungealveolerne og derfra ind i blodbanen.

Sammen med arbejdsgrupper fra Kemiafdelingen, HHU-forskere fra Institute of Experimental Condensed Matter Physics, der arbejder under Prof. Dr. Thomas Heinzel og fra Institut for Hæmatologi, Onkologi og klinisk immunologi, der arbejder under prof. Dr. Rainer Haas, har nu undersøgt, hvad der sker, når kropsceller absorberer sådanne nanopartikler. Forskerne brugte nanopartikler lavet af grafen; dette er en speciel form for kulstof, der består af todimensionelle lag af sekskantede kulstofringe. De tilføjede disse til specielle hæmatopoietiske stamceller kaldet CD34+ stamceller. Disse celler er særligt følsomme over for skadelige miljøpåvirkninger på grund af deres evne til at dele sig gennem hele deres levetid. Antagelsen er, at disse celler ville blive beskadiget mere af nanopartikler - hvis overhovedet - end de mere robuste andre celletyper.

Det tværfaglige team af forskere baseret i Düsseldorf var i stand til at demonstrere, at kulstofnanopartiklerne trænger ind i cellerne, hvor de er indkapslet i specielle organeller kaldet lysosomer. Lysosomerne fungerer som en form for affaldsfjernelsesenhed for kroppen, hvor fremmedlegemer ophobes og normalt nedbrydes ved hjælp af enzymer. Imidlertid, forskerne observerede ikke nogen sådan proces i løbet af eksperimenterne, som varede i flere dage.

Når man sammenligner de aktive gener ("genekspression") af stamceller med og uden tilsætning af nanopartikler, fandt forskerne ud af, at kun én af i alt 20, 800 optagne udtryk var ændret; mindre effekter blev bestemt i yderligere 1, 171 genudtryk.

Prof. Heinzel havde dette at sige om resultaterne:"Indkapsling af nanopartiklerne i lysosomerne sikrer, at disse partikler opbevares sikkert i mindst et par dage - i løbet af vores eksperimenter - og ikke kan beskadige cellen. Det betyder, at cellen forbliver levedygtig uden nogen større ændring i genekspression." Denne indsigt er vigtig, hvis nanopartikler skal bruges til at levere lægemidler ind i cellen. Den eksperimentelle ramme, der anvendes her, tillader ikke nogen langsigtede udsagn om øget sandsynlighed for cellemutation, der resulterer i cancer.

Forskningen er udført som et tæt samarbejde mellem HHU's Fakultet for Matematisk og Naturvidenskab og Det Medicinske Fakultet og Universitetshospitalet Düsseldorf. Düsseldorf School of Oncology (ledet af prof. Dr. Sebastian Wesselborg) finansierede førsteforfatteren Stefan Fasbenders doktorgradsstipendium. Prof. Haas sagde:"Nærheden til hospitalet og universitetet og deres tætte forbindelser med hensyn til indhold giver HHU et særligt frugtbart miljø for translationel forskning, hvor indsigt og ekspertise fra grundforskning kombineres med behandlingsrelevante aspekter."