Mot bakgrund av den ökande efterfrågan på konstgjorda nanopartiklar inom medicin och industri, Det är viktigt för tillverkarna att förstå hur dessa partiklar påverkar kroppens funktioner och vilka mekanismer som spelar in - frågor som det har varit ont om kunskap om.

Studier på hjärtpatienter har i decennier visat att partiklar har en negativ effekt på det kardiovaskulära systemet. Än, det förblev oklart om nanopartiklarna gör sin skada direkt eller indirekt, till exempel genom metaboliska processer eller inflammatoriska reaktioner. Kroppens reaktioner är helt enkelt för komplexa.

Med hjälp av ett så kallat Langendorff-hjärta-ett isolerat gnagarhjärta spolat med en näringslösning i stället för blod-kunde forskare från Helmholtz Zentrum Muenchen och TU Muenchen för första gången visa att nanopartiklar har en klart mätbar effekt på hjärtat . När de utsätts för en serie vanligt använda konstgjorda nanopartiklar, hjärtat reagerade på vissa typer av partiklar med en ökad hjärtfrekvens, hjärtarytmi och modifierade EKG -värden som är typiska för hjärtsjukdomar. "Vi använder hjärtat som en detektor, "förklarar professor Reinhard Nießner, Direktör för Institute of Hydrochemistry vid TU Muenchen. "På så sätt kan vi testa om specifika nanopartiklar har effekt på hjärtfunktionen. Ett sådant alternativ fanns inte hittills."

Forskare kan också använda detta nya modellhjärta för att belysa mekanismen genom vilken nanopartiklarna påverkar hjärtfrekvensen. För att göra detta, de förbättrade Langendorffs experimentella upplägg för att låta näringslösningen matas tillbaka i slingan när den har flugit genom hjärtat. Detta gör det möjligt för forskarna att berika ämnen som frigörs av hjärtat och förstå hjärtats reaktion på nanopartiklarna.

Enligt Stampfl och Nießner, det är mycket troligt att signalsubstansen noradrenalin är ansvarig för den ökade hjärtfrekvensen som nanopartiklar orsakar. Noradrenalin frigörs av nervändar i hjärtats inre vägg. Det ökar hjärtfrekvensen och spelar också en viktig roll i centrala nervsystemet-ett tips om att nanopartiklar också kan ha en skadlig effekt där.

Stampfl och hans team använde sin hjärtmodell för att testa nanopartiklar av kolsvart och titandioxid, samt gnistgenererat kol, som fungerar som modell för luftburna föroreningar som härrör från dieselförbränning. Dessutom, kiseldioxid, olika Aerosil -kiseldioxid som används t.ex. som förtjockningsmedel i kosmetika, och polystyren testades. Kolsvart, gnistgenererat kol, titandioxid och kiseldioxid ledde till en ökning av hjärtfrekvensen med upp till 15 procent med förändrade EKG -värden som inte normaliserades, även efter att nanopartikelexponeringen avslutades. Aerosil -kisel och polystyren visade ingen effekt på hjärtfunktionen.

Denna nya hjärtmodell kan visa sig vara särskilt användbar inom medicinsk forskning. Här, Konstgjorda nanopartiklar används alltmer som transportfordon. Deras inneboende stora ytor ger idealiska dockningsplatser för aktiva ämnen. Nanopartiklarna transporterar sedan de aktiva medlen till deras destination i människokroppen, t.ex. en tumör. De flesta av de första prototyperna för sådana "nanobehållare" är baserade på kol eller silikat. Än så länge, effekten av dessa ämnen på människokroppen är i stort sett okänd. Den nya hjärtmodellen kan således fungera som ett testorgan för att välja de partikeltyper som inte påverkar hjärtat på ett negativt sätt.

Konstgjorda nanopartiklar används också i många industriprodukter - några av dem sedan decennier. Deras lilla storlek och stora ytor (jämfört med deras volym) ger dessa partiklar unika egenskaper. Den stora ytan av titandioxid (TiO2), till exempel, leder till ett stort brytningsindex som får ämnet att se strålande vitt ut. Det används därför ofta i vita lackfärger eller som UV -blockerare i solskyddsmedel. Så kallad kimrök är också en mycket använd nanopartikel (främst i bildäck och plast) med över 8 miljoner ton som produceras årligen. Den lilla storleken på dessa nanopartiklar (de mäter bara 14 nanometer över) gör dem väl lämpade som färgämnen, t.ex. i skrivare och kopieringsmaskiner.

Med sitt förbättrade Langendorff -hjärta, forskarna har nu för första gången utvecklat en mätinställning som kan användas för att analysera effekterna av nanopartiklar på en helhet, intakt organ utan att påverkas av reaktionerna från andra organ. Hjärtat är ett särskilt bra testobjekt. "Den har sin egen impulsgenerator, sinusnoden, gör att den kan fungera utanför kroppen i flera timmar, "Andreas Stampfl, första författaren till studien, förklarar. "Dessutom, förändringar i hjärtfunktionen kan tydligt identifieras med hjälp av puls och EKG -diagram. "

"Vi har nu en modell för ett överlägset organ som kan användas för att testa påverkan av artificiella nanopartiklar, "Nießner förklarar vidare." Det nästa vi vill göra är att ta reda på varför vissa nanopartiklar påverkar hjärtfunktionen, medan andra inte alls påverkar hjärtat. "Både tillverkningsprocessen och formen kan spela en viktig roll. Därför, forskarna planerar ytterligare studier för att undersöka ytorna på olika typer av nanopartiklar och deras interaktioner med hjärtväggens celler.