En toxikolog från Los Alamos National Laboratory och ett tvärvetenskapligt team av forskare har dokumenterat potentiella cellskador från "fullerener" - fotbollsformade, burliknande molekyler som består av 60 kolatomer. Teamet noterade också att denna speciella typ av skada kan ge hopp om behandling av Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom, eller till och med cancer.

Forskningen dök nyligen upp i Toxikologi och tillämpad farmakologi och representerar den första observationen av detta slag någonsin för sfäriska fullerener, även känd som buckyballs, som tar deras namn från den sena Buckminster Fuller eftersom de liknar det geodetiska kupolkonceptet som han populariserade.

Konstruerade kolnanopartiklar, som inkluderar fullerener, ökar i användning över hela världen. Varje buckyball är en skelettbur av kol ungefär lika stor som ett virus. De visar potential att skapa starkare, lättare strukturer eller fungerar som små leveransmekanismer för designdroger eller antibiotika, bland annat användningsområde. Cirka fyra till fem ton kolnanopartiklar tillverkas årligen.

"Nanomaterial är 2000-talets revolution, " sa Los Alamos toxikolog Rashi Iyer, uppsatsens främsta forskningsledare och medförfattare. "Vi kommer att behöva leva med dem och hantera dem, och frågan blir, "Hur ska vi maximera vår användning av dessa material och minimera deras påverkan på oss och miljön?"

Iyer och huvudförfattaren Jun Gao, också en Los Alamos toxikolog, exponerade odlade mänskliga hudceller för flera olika typer av buckyballs. Skillnaderna i buckyballs låg i det rumsliga arrangemanget av korta grenar av molekyler som kommer bort från den huvudsakliga buckyball-strukturen. En buckyball variant, kallas "tris"-konfigurationen, hade tre molekylära grenar från huvudstrukturen på en halvklot; en annan variant, kallas "hexa"-konfigurationen, hade sex grenar från huvudstrukturen i ett ungefär symmetriskt arrangemang; den sista typen var en vanlig buckyball.

Forskarna fann att celler som exponerats för tris-konfigurationen genomgick för tidig åldrande - vad som kan beskrivas som ett tillstånd av suspenderad animation. Med andra ord, cellerna dog inte som celler normalt borde, inte heller delade de sig eller växte. Detta stopp av den naturliga cellulära livscykeln efter exponering för de tris-konfigurerade buckyballs kan äventyra normal organutveckling, leder till sjukdom i en levande organism. Kortfattat, tris buckyballs var giftiga för mänskliga hudceller.

Dessutom, cellerna som exponerades för tris-arrangemanget orsakade unika molekylära nivåsvar vilket tyder på att tris-fullerener potentiellt kan störa normala immunsvar inducerade av virus. Teamet bedriver nu forskning för att avgöra om celler som exponeras för denna form av fullerener kan vara mer mottagliga för virusinfektioner.

Ironiskt, upptäckten kan också leda till en ny behandlingsstrategi för att bekämpa flera försvagande sjukdomar. Vid sjukdomar som Parkinsons eller Alzheimers, nervceller dör eller degenererar till ett icke-funktionellt tillstånd. En mekanism för att inducera åldrande i specifika nervceller kan fördröja eller eliminera uppkomsten av sjukdomarna. Liknande, en sjukdom som cancer, som sprider sig och frodas genom oreglerad replikering av cancerceller, kan bekämpas genom inducerad åldrande. Denna strategi kan stoppa cellerna från att dela sig och ge läkarna mer tid att döda de onormala cellerna.

På grund av den lilla storleken på nanomaterial, den primära faran som är förknippad med dem har varit potentiell inandning – liknande oron över asbestexponering.

"Redan, ur toxikologisk synvinkel, denna forskning är användbar eftersom den visar att om du har valet att använda ett tris- eller ett hexa-arrangemang för en applikation som involverar buckyballs, hexa-arrangemanget är förmodligen det bättre valet, ", sade Iyer. "Dessa studier kan ge vägledning för design och utveckling av nya nanomaterial."

Dessa resultat kom från en studie (Shreve, Wang, och Iyer) finansierat för att förstå interaktionerna mellan buckyballs och biologiska membran. Los Alamos National Laboratory har tagit en proaktiv roll genom att initiera ett bioanalysprogram för nanomaterial med avsikten att hålla sina nanomaterialarbetare säkra samtidigt som de underlättar upptäckten av högfunktionella, nanomaterial med låg bioeffekt och potential att gynna nationella säkerhetsuppdrag. Förutom Gao och Iyer, LANL-programmet inkluderar Jennifer Hollingsworth, Yi Jiang, Jian Song, Paul Welch, Hsing Lin Wang, Srinivas Iyer, och Gabriel Montaño.

Forskare från Los Alamos National Laboratory kommer att fortsätta att försöka förstå de potentiella effekterna av exponering för nanomaterial på ungefär samma sätt som Los Alamos var världsledande i att förstå effekterna av strålning under labbets tidiga historia. Los Alamos-arbetare som använder nanomaterial kommer att fortsätta följa protokoll som ger den högsta graden av skydd mot potentiell exponering.

Under tiden, Los Alamos forskning om nanomaterial ger en varning för nanomaterialanvändning, samt tidiga grunder för arbetarskydd. Just nu, det finns inga federala bestämmelser för användning av nanomaterial. Avslöjande av användning av företag eller individer är frivilligt. När nanomaterialanvändningen ökar, förståelsen för deras potentiella faror bör också öka.