Det är fortfarande oklart vilken påverkan det har på människor, djur och växter av syntetiska nanomaterial som släpps ut i miljön eller används i produkter. Det är mycket svårt att upptäcka dessa nanomaterial i miljön eftersom koncentrationerna är så låga och partiklarna så små. Nu har partnerna i NanoUmwelt-projektet utvecklat en metod som kan identifiera även små mängder nanomaterial i miljöprover.

Små dvärgar håller våra madrasser rena, reparera skador på våra tänder, sluta att ägg fastnar på våra kastruller, och förlänga hållbarheten på vår mat. Vi pratar om nanomaterial – "nano" kommer från det grekiska ordet för "dvärg". Dessa partiklar är bara några miljarddels meter små, och de används i ett brett utbud av konsumentprodukter. Dock, hittills har effekterna av dessa material på miljön varit i stort sett okända, och information saknas om de koncentrationer och former som de förekommer där. "Det är sant att många laboratoriestudier har undersökt effekten av nanomaterial på mänskliga och djurceller. Hittills, fastän, det har inte varit möjligt att upptäcka mycket små mängder i miljöprover, " säger Dr Yvonne Kohl från Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT i Sulzbach.

En miljondels milligram per liter

Det är precis målet med NanoUmwelt-projektet. Det tvärvetenskapliga projektteamet består av eko- och humantoxikologer, fysiker, kemister och biologer, och de har precis lyckats ta sitt första stora steg framåt för att nå sitt mål:de har utvecklat en metod för att testa en mängd olika miljöprover såsom flodvatten, djurvävnad, eller mänsklig urin och blod som kan upptäcka nanomaterial i en koncentrationsnivå av nanogram per liter (ppb – parts per billion). Det motsvarar en halv sockerbit i mängden vatten som finns i 1000 tävlingssimbassänger. Med den nya metoden, det är nu möjligt att upptäcka inte bara stora mängder nanomaterial i klara vätskor, som tidigare var fallet, men också mycket få partiklar i komplexa ämnesblandningar som humant blod eller jordprover. Tillvägagångssättet är baserat på fältflödesfraktionering (FFF), som kan användas för att separera komplexa heterogena blandningar av vätskor och partiklar i deras beståndsdelar – samtidigt som nyckelkomponenterna sorteras efter storlek. Detta uppnås genom kombinationen av ett kontrollerat flöde av vätska och ett fysiskt separationsfält, som verkar vinkelrätt på den flytande suspensionen.

För att detekteringsprocessen ska fungera, miljöprover måste behandlas på lämpligt sätt. Teamet från Fraunhofer IBMT:s Bioprocessing &Bioanalytics Department förberedde flodvatten, mänsklig urin, och fiskväv för att passa i FFF-anordningen. "Vi förbereder proverna med speciella enzymer. I denna process, vi måste se till att nanomaterialen inte förstörs eller förändras. Detta gör att vi kan upptäcka de verkliga mängderna och formerna av nanomaterial i miljön, " förklarar Kohl. Forskarna har speciell expertis när det gäller att tillhandahålla, bearbeta och lagra mänskliga vävnadsprover. Fraunhofer IBMT har drivit "German Environmental Specimen Bank (ESB) – Human Samples" sedan januari 2012 på uppdrag av Tysklands miljöbyrå (UBA). Varje år samlar forskningsinstitutet in blod- och urinprover från 120 frivilliga i fyra städer i Tyskland. Enskilda prover är ett värdefullt verktyg för att kartlägga trender över tid av mänsklig exponering för föroreningar. "Dessutom, blod- och urinprover har donerats för NanoUmwelt-projektet och lagts i kryoförvaring hos Fraunhofer IBMT. Vi använde dessa prover för att utveckla vår nya detektionsmetod, " säger Dr Dominik Lermen, chef för arbetsgruppen för Biomonitoring &Cryobanks på Fraunhofer IBMT. Efter godkännande av UBA, några av de mänskliga proverna i ESB-arkivet kan också undersökas med den nya metoden.

Utveckling av nya cellodlingsmodeller

Nanomaterial hamnar i miljön via olika vägar, bland annat avloppssystemet. Människor och djur absorberar dem förmodligen genom biologiska barriärer som lungan eller tarmen. Projektgruppen simulerar dessa processer i petriskålar för att förstå hur nanomaterial transporteras över dessa barriärer. "Det är en mycket komplex process som involverar ett extremt brett spektrum av celler och lager av vävnad, " förklarar Kohl. Forskarna replikerar processerna på ett så realistiskt sätt som möjligt. De gör detta genom att, till exempel, mäta de elektriska flödena inom barriärerna för att bestämma funktionaliteten hos dessa barriärer – eller genom att simulera lung-luft-interaktion med hjälp av moln av konstgjord dimma. I den första fasen av NanoUmwelt-projektet, IBMT-teamet lyckades utveckla flera cellodlingsmodeller för transport av nanomaterial över biologiska barriärer. IBMT arbetade tillsammans med Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME, som använde pluripotenta stamceller för att utveckla en modell för att undersöka kardiotoxicitet. Empa, den schweiziska partnern i projektet, levererat en placentabarriärmodell för att studera transport av nanomaterial mellan mor och barn.

Nästa, partnerna vill använda sin metod för att mäta koncentrationerna av nanopartiklar i en mängd olika miljöprover. De kommer sedan att analysera de erhållna resultaten för att bättre kunna bedöma beteendet hos nanomaterial i miljön och deras potentiella fara för människor, djur, och miljön. "Vårt nästa mål är att upptäcka partiklar i ännu mindre mängder, " säger Kohl. För att uppnå detta, forskarna planerar att använda speciella filter för att ta bort distraherande element från miljöproverna, och de ser fram emot att utveckla nya bearbetningstekniker.