Nanopartikler fremstillet ved afbrænding af kul resulterer i skader på musenes lunger, tyder på toksicitet for mennesker

Virginia Tech-forskere har opdaget, at utroligt små partikler af et usædvanligt og meget giftigt titaniumoxid, der findes i kulsmog og aske, kan forårsage lungeskader hos mus efter en enkelt eksponering. med langvarige skader, der opstår på kun seks uger.

Testene blev ledet af Irving Coy Allen, en professor ved Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine, med samarbejdspartnere fra hele Virginia Tech og forskere ved University of Colorado, University of North Carolina ved Chapel Hill, East Carolina University, og East China Normal University i Shanghai. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Grænser i immunologi .

De følger resultaterne fra 2017 af Virginia Tech geoforsker Michael Hochella, at brændende kul - når røg ikke fanges af avancerede filtre, der i øjeblikket findes i amerikanske kraftværker - udsender små partikler kendt som titaniumsuboxidnanopartikler i atmosfæren. Sådanne nanopartikler blev fundet af Hochellas hold af videnskabsmænd i aske indsamlet fra byens gader, fortove, og i damme og bugter nær amerikanske og kinesiske byer.

Brug af musemodeller i en labindstilling, disse mindste af nanopartikler - helt ned til 100 milliontedele af en meter - kom ind i lungerne efter at have været indåndet. En gang inde i lungerne, nanopartiklerne stødte på makrofager, lungernes defensive celler, der fanger og fjerner fremmedlegemer. Typisk, disse celler beskytter lungerne mod patogener, såsom bakterier og vira. Men mod disse nanopartikler, makrofagerne vakler.

"De kan ikke nedbryde titanium nanopartiklerne, så cellerne begynder at dø, og denne proces rekrutterer flere makrofager. Disse processer begynder en feedback-loop med hver runde af døende celler, der koncentrerer sig omkring nanopartiklerne, " sagde Allen, medlem af Institut for Biomedicinske Videnskaber og Patobiologi. "Den døende, celler, der indeholder nanopartikler, begynder derefter at danne aflejringer i lungerne, og disse aflejringer forårsager problemer. Vi begynder at se negative indvirkninger på lungefunktionen, og dybest set kan lungerne ikke fortsætte med at fungere korrekt."

I det, Allen kalder et "slående fund, " hans team opdagede negative effekter efter kun én eksponering for de giftige nanopartikler. Langsigtede skader fra aflejringerne kan forekomme på så lidt som seks uger, rejser bekymringer for stærkt forurenede byer. "Vi indså, hvis nogen bor i nærheden af ​​et kraftværk, eller i nærheden af ​​en af ​​disse kulforbrændingskilder, de ville ikke blive udsat for en enkelt dosis, de ville blive udsat for dette dagligt, "sagde han." Vi så heller ikke lungeclearance efter en uge, så når disse ting er i dine lunger, bliver de der, og de bliver der i længere tid."

Mere så, beskadigede lunger kan føre til højere modtagelighed for virus eller bakteriel infektion, og kan forværre symptomer forbundet med astma eller kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL).

Imidlertid, de nøjagtige virkninger af disse giftige nanopartikler på mennesker, andre dyr, vegetation, og vandsystemer er ikke kendte og kræver yderligere undersøgelser af internationale forskere, sagde Allen.

"Mus og menneskelige lunger er funktionelt ens, men anatomisk anderledes på en række subtile måder, "Føjede Allen. "Mens undersøgelserne i denne artikel almindeligvis bruges til at modellere luftvejslidelser hos mennesker, mere direkte kliniske data er nødvendige for fuldt ud at forstå den menneskelige virkning af eksponering for disse nanopartikler."

Titaniumsuboxidnanopartiklerne - kaldet Magnéli-faser af forskere - blev engang anset for sjældne, fundet på jorden i nogle meteoritter, fra et lille område af visse klipper i det vestlige Grønland, og af og til i månesten. Imidlertid, Hochella, samarbejde med andre forskere i 2017, fundet, at disse nanopartikler faktisk er udbredt globalt fra afbrænding af kul.

Ifølge den tidligere undersøgelse, offentliggjort i Nature Communications, næsten alt kul indeholder små mængder af mineralerne rutil eller anatase, både "normale, " naturligt forekommende, og relativt inerte titaniumoxider. Men når man brænder, disse mineraler omdannes til titaniumsuboxid. Nanopartiklerne bliver så luftbårne, hvis kraftværket ikke er udstyret med højteknologiske partikelfælder, som dem i USA. For lande uden strenge regler, nanopartiklerne kan flyde væk i luftstrømme lokalt, regionalt, og endda globalt, sagde Hochella. (Han tilføjede, at USA først begyndte at bruge elektrostatiske udfældere på kulstabler i 1920'erne.)

Tidlige biotoksicitetsundersøgelser udført af Hochellas gruppe med zebrafiskembryoner viste tegn på negativ biologisk påvirkning fra nanopartiklerne, tyder på potentiel skade på mennesker. Nu, med denne undersøgelse, oddsene for toksicitet for mennesker er meget større. "Problemet med disse nanopartikler er, at der ikke er nogen nem eller praktisk måde at forhindre deres dannelse under kulafbrænding, " sagde Hochella, University Distinguished Professor Emeritus of Geosciences ved Virginia Tech College of Science, efter den tidligere undersøgelses udgivelse for to år siden.

Hochella og hans team stødte på titaniumsuboxidnanopartiklerne helt ved et uheld, mens de studerede nedstrømsbevægelsen af ​​et kulaskeudslip i 2014 i Dan-floden i North Carolina. Gruppen producerede senere de samme titanium-suboxid-nanopartikler, når de brændte kul i laboratoriesimuleringer. Denne potentielle sundhedsfare bygger på etablerede resultater fra Verdenssundhedsorganisationen:Mere end 3,3 millioner for tidlige dødsfald forekommer på verdensplan om året på grund af forurenet luft, og alene i Kina, 1,6 millioner for tidlige dødsfald anslås årligt på grund af hjerte- og luftvejsskader som følge af luftforurening.

Dette rejser flere spørgsmål:Absorberes nanopartiklerne gennem kroppen på andre måder, såsom kontakt med øjne eller hud? Kan de finde vej til vegetation - herunder mad - selvom jord? Hvis så, hvad er konsekvenserne for mave-tarmkanalen? Er de til stede i drikkevand? Hvis en mus oplever langvarig skade efter seks uger, hvad betyder det for mennesker, der indånder luften?

Allen opfordrer indtrængende til, at test går over til menneske-fokuserede undersøgelser.

"Vi har identificeret et unikt forurenende stof i miljøet, og vi har vist, at der er en potentiel sundhedsmæssig bekymring for mennesker, så det giver os en biomarkør, som vi kan overvåge nærmere, " sagde han. "Vi bør begynde at se nærmere på disse partikler, efterhånden som vi bliver mere opmærksomme på de farer, disse nanopartikler udgør. Det er spørgsmål, der skal stilles. "

den vej, selv om det er indlysende, er måske ikke så simpelt, etisk eller politisk. Forskere kan ikke udsætte menneskelige forsøgspersoner for kulsmog eller aske og de giftige nanopartikler. Derfor, et sandsynligt scenarie:Forskere kunne studere disse partikler i humant lungevæv fra lungebiopsier og kliniske prøver. Imidlertid, mange klinikere har været tilbageholdende med at deltage i denne indsats i mange af de lande med størst risiko. Allen sagde, at en årsag kan være den følsomhed, som disse lande har over for luftkvalitetsproblemer.