En internationell studie baserad på University of Pittsburgh ger den första identifieringen av ett mänskligt enzym som kan biologiskt nedbryta kolnanorör - de superstarka materialen som finns i produkter från elektronik till plast - och i laboratorietester kompenserar de potentiellt skadliga hälsoeffekterna av att utsättas för de små komponenter, enligt fynd publicerade online i Naturnanoteknik .
Resultaten kan öppna dörren till användning av kolnanorör som ett säkert läkemedelsleveransverktyg och kan också leda till utvecklingen av en naturlig behandling för personer som utsätts för nanorör, antingen i miljön eller på arbetsplatsen, rapporterade laget. Forskarna fann att kolnanorör som bryts ned med det humana enzymet myeloperoxidas (hMPO) inte producerade den lunginflammation som intakta nanorör har visat sig orsaka. Vidare, neutrofiler, de vita blodkropparna som innehåller och avger hMPO för att döda invaderande mikroorganismer, kan riktas mot att angripa kolnanorör specifikt.
"Den framgångsrika medicinska tillämpningen av kolnanorör är beroende av deras effektiva nedbrytning i kroppen, men kolnanorör är också notoriskt hållbara, "sa huvudforskaren Valerian Kagan, en professor och vice ordförande vid Institutionen för miljö och arbetshälsa i Pitt's Graduate School of Public Health. "HMPO:s förmåga att biologiskt nedbryta kolnanorör avslöjar att denna nedbrytning är en del av ett naturligt inflammatoriskt svar. Nästa steg är att utveckla metoder för att stimulera det inflammatoriska svaret och reproducera bionedbrytningsprocessen inuti en levande organism."
Kagan och hans forskargrupp ledde teamet med mer än 20 forskare från fyra universitet tillsammans med Alexander Stars laboratoriegrupper, en biträdande professor i kemi vid Pitt's School of Arts and Sciences, och Judith Klein-Seethharaman, en biträdande professor i strukturbiologi vid Pitt's School of Medicine. Ytterligare Pitt -forskare inkluderade Yulia Tyurina, en Pitt biträdande professor i miljö- och arbetshälsa vid Graduate School of Public Health, och Donna Stolz, docent i cellbiologi och fysiologi i Pitts medicinska skola; andra forskare är från Karolinska institutet, Trinity College i Irland, National Institute for Occupational Safety and Health, och West Virginia University.
Kolnanorör är en-atom tjocka rullar av grafit 100, 000 gånger mindre än ett människohår men ändå starkare än stål. De används för att förstärka plast, keramik, eller betong; är utmärkta ledare för el och värme; och är känsliga kemiska sensorer. Dock, en nanorörs yta innehåller också tusentals atomer som kan reagera med människokroppen på okända sätt. Test på möss har visat att inandning av nanorör leder till svår lunginflammation i kombination med en tidig debut av fibros. Rörens hållbarhet väcker ytterligare oro för korrekt kassering och sanering. 2008, Star och Kagan rapporterade i Nano Letters att kolnanorör försämras när de utsätts för växtsenzym pepparrotsperoxidas, men deras forskning fokuserade på sanering efter oavsiktliga spill under tillverkning eller i miljön.
För den aktuella studien, forskarna fokuserade på mänsklig MPO eftersom det fungerar via utsläpp av starka syror och oxidanter - liknande kemikalierna som används för att bryta ner kolnanorör. De inkuberade först kort, enväggiga nanorör i en hMPO- och väteperoxidlösning-väteperoxiden gnistor och upprätthåller hMPO-aktivitet-i 24 timmar, varefter rörets struktur och huvuddel helt hade urartats. Nanorören degenererade ännu snabbare när natriumklorid tillsattes till lösningen för att producera hypoklorit, en stark oxiderande förening som är känd för att bryta ner nanorör.
Efter att ha fastställt effektiviteten av hMPO i nedbrytande kolnanorör, laget utvecklade en teknik för att få neutrofiler att attackera nanorör genom att fånga dem och utsätta dem för enzymet. De implanterade ett prov av nanorör med antikroppar som kallas immunoglobulin G (IgG), vilket gjorde dem till specifika neutrofila mål. Efter 12 timmar, 100 procent av IgG -nanorör degraderades mot 30 procent av dem utan IgG. Forskarna testade också makrofagers förmåga, en annan vit blodkropp, att bryta ner nanorör, men efter två dagar, endast 50 procent av rören hade degenererat.
I efterföljande laboratorietester, lungvävnad exponerad för de nedbrutna nanorören i sju dagar uppvisade försumbar förändring jämfört med oexponerad vävnad. Å andra sidan, vävnad utsatt för obehandlade nanorör utvecklade svår inflammation.
