Kolnanopartiklar är ett lovande verktyg för biomedicinska tillämpningar, till exempel, för riktad transport av biologiskt aktiva föreningar till celler. Ett team av forskare från fysiken, Medicinska och kemiska avdelningarna vid Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) har nu undersökt om dessa partiklar är potentiellt farliga för organismen och hur celler hanterar dem när de väl har införlivats. Resultaten av den tvärvetenskapliga studien har just publicerats i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

Nanopartiklar är mindre än fem nanometer - en nanometer som är en miljonedel av en millimeter - vilket motsvarar ungefär storleken på makromolekyler. Sådana små partiklar absorberas mycket lätt i kroppens celler. Det finns två aspekter av denna funktion. För det första, det gör nanopartiklar till goda fordon för att transportera ett brett spektrum av föreningar eller ämnen som är fästa vid dem till normala sjuka celler på ett riktat sätt.

Å andra sidan, de kan också utgöra hälsorisker, till exempel i samband med partiklar. Ett av de sätt som partiklar skapas är i förbränningsprocesser, och en del av det kan klassificeras som nanopartiklar. Dessa extremt små partiklar kan övervinna blod-luftbarriären och tränga in i kroppen:Bronkialslemhinnan i lungorna filtrerar inte bort partiklarna. Istället, de tar sig in i lungalveolerna och därifrån in i blodomloppet.

Tillsammans med arbetsgrupper från kemiavdelningen, HHU -forskare från Institute of Experimental Condensed Matter Physics som arbetar under Prof. Dr. Thomas Heinzel och från Institutionen för hematologi, Onkologi och klinisk immunologi som arbetar under Prof. Dr. Rainer Haas har nu studerat vad som händer när kroppsceller absorberar sådana nanopartiklar. Forskarna använde nanopartiklar gjorda av grafen; detta är en speciell form av kol som består av tvådimensionella lager av sexkantiga kolringar. De lade till dessa i speciella hematopoetiska stamceller som kallas CD34+ stamceller. Dessa celler är särskilt känsliga för skadliga miljöpåverkan på grund av deras förmåga att dela sig under hela deras livslängd. Antagandet är att dessa celler skulle skadas mer av nanopartiklar - om alls - än de mer robusta andra celltyperna.

Det tvärvetenskapliga teamet av forskare baserade i Düsseldorf kunde visa att kolnanopartiklarna kommer in i cellerna, där de är inkapslade i speciella organeller kallade lysosomer. Lysosomerna fungerar som en typ för avfallshantering för kroppen där främmande kroppar ackumuleras och normalt bryts ner med hjälp av enzymer. Dock, forskarna observerade ingen sådan process under experimentens längd, som varade i flera dagar.

När man jämför stamcellernas aktiva gener ("genuttryck") med och utan tillsats av nanopartiklar, forskarna fann att endast en av totalt 20, 800 inspelade uttryck hade förändrats; mindre effekter bestämdes i ytterligare 1, 171 genuttryck.

Professor Heinzel hade detta att säga om resultaten:"Inkapsling av nanopartiklarna i lysosomerna säkerställer att dessa partiklar lagras säkert åtminstone i några dagar - under våra experiment - och kan inte skada cellen. Detta betyder att cellen förblir livskraftig utan någon större förändring i genuttryck. " Denna insikt är viktig om nanopartiklar ska användas för att leverera läkemedel in i cellen. Det experimentella ramverket som används här tillåter inte några långsiktiga uttalanden om någon ökad sannolikhet för cellmutation som resulterar i cancer.

Forskningen genomfördes som ett nära samarbete mellan HHU:s fakultet för matematik och naturvetenskap och Medicinska fakulteten och Universitetssjukhuset Düsseldorf. Düsseldorfskolan för onkologi (som leds av prof. Dr. Sebastian Wesselborg) finansierade doktorandstipendiet till första författaren Stefan Fasbender. Professor Haas sa:"Närheten till sjukhuset och universitetet och deras nära länkar när det gäller innehåll ger HHU en särskilt fruktbar miljö för translationell forskning, där insikter och expertis från grundforskning kombineras med aspekter som är relevanta för behandlingen. "