Virginia Tech-forskare har upptäckt att otroligt små partiklar av en ovanlig och mycket giftig titanoxid som finns i kolsmog och aska kan orsaka lungskador hos möss efter en enda exponering, med långvariga skador som inträffar på bara sex veckor.

Testerna leddes av Irving Coy Allen, en professor vid Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine, med medarbetare från hela Virginia Tech och forskare vid University of Colorado, University of North Carolina vid Chapel Hill, East Carolina University, och East China Normal University i Shanghai. Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Frontiers in Immunology .

De följer 2017-resultaten av Virginia Tech-geoforskaren Michael Hochella att brinnande kol – när rök inte fångas upp av avancerade filter som för närvarande finns i amerikanska kraftverk – släpper ut små partiklar som kallas titansuboxidnanopartiklar i atmosfären. Sådana nanopartiklar hittades av Hochellas team av forskare i aska som samlats in från stadens gator, trottoarer, och i dammar och vikar nära amerikanska och kinesiska städer.

Använda musmodeller i en labbmiljö, dessa minsta nanopartiklar – så små som 100 miljondelar av en meter – kom in i lungorna efter att ha andats in. Väl inne i lungorna, nanopartiklarna mötte makrofager, lungornas försvarsceller som fångar och tar bort främmande material. Vanligtvis, dessa celler skyddar lungorna från patogener, som bakterier och virus. Men mot dessa nanopartiklar, makrofagerna vacklar.

"De kan inte bryta ner titan-nanopartiklarna, så cellerna börjar dö, och denna process rekryterar fler makrofager. Dessa processer startar en återkopplingsslinga med varje omgång av döende celler som koncentreras kring nanopartiklarna, sa Allen, ledamot av institutionen för biomedicinska vetenskaper och patobiologi. "Den döende, celler som innehåller nanopartiklar börjar sedan göra avlagringar i lungorna och dessa avlagringar orsakar problem. Vi börjar se negativa effekter på lungfunktionen, och i princip misslyckas lungorna med att fortsätta att fungera korrekt."

I vad Allen kallar ett "slående fynd, " hans team upptäckte negativa effekter efter bara en exponering för de giftiga nanopartiklarna. Långtidsskador från avlagringarna kan uppstå på så lite som sex veckor, väcker oro för mycket förorenade städer. "Vi insåg om någon bor nära ett kraftverk, eller nära någon av dessa kolförbränningskällor, de skulle inte utsättas för en enda dos, de skulle utsättas för detta dagligen, " sa han. "Vi såg inte heller lungrensning efter en vecka, så när dessa saker är i dina lungor stannar de där, och de stannar där under en längre tid."

Mer så, skadade lungor kan leda till högre känslighet för virus eller bakterieinfektion, och kan förvärra symtom associerade med astma eller kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL).

Dock, de exakta effekterna av dessa giftiga nanopartiklar på människor, andra djur, vegetation, och vattensystem är inte kända och kräver ytterligare studier av internationella forskare, sa Allen.

"Mus och mänskliga lungor är funktionellt lika, men anatomiskt olika på en mängd olika subtila sätt, ", tillade Allen. "Medan studierna som görs i denna artikel ofta används för att modellera luftvägsstörningar hos människor, mer direkta kliniska data är nödvändiga för att till fullo förstå den mänskliga påverkan av exponering för dessa nanopartiklar."

Titansuboxidnanopartiklarna – kallade Magnéli-faser av forskare – ansågs en gång vara sällsynta, finns på jorden i några meteoriter, från ett litet område av vissa stenar i västra Grönland, och ibland i månstenar. Dock, Hochella, arbetade med andra forskare under 2017, fann att dessa nanopartiklar faktiskt är utbredda globalt från förbränning av kol.

Enligt den tidigare studien, publicerad i Nature Communications, nästan allt kol innehåller små mängder av mineralerna rutil eller anatas, både "normala, " naturligt förekommande, och relativt inerta titanoxider. Men när den bränns, dessa mineraler omvandlas till titansuboxid. Nanopartiklarna blir sedan luftburna om kraftverket inte utrustas med högteknologiska partikelfällor, som de i USA. För länder utan strikta regler, nanopartiklarna kan flyta iväg i luftströmmar lokalt, regionalt, och även globalt, sa Hochella. (Han tillade att USA först började använda elektrostatiska avskiljare på kolstaplar på 1920-talet.)

Tidiga biotoxicitetsstudier av Hochellas grupp med embryon av zebrafisk visade tecken på negativ biologisk påverkan från nanopartiklarna, tyder på potentiell skada på människor. Nu, med denna studie, oddsen för toxicitet för människor är mycket större. "Problemet med dessa nanopartiklar är att det inte finns något enkelt eller praktiskt sätt att förhindra att de bildas under kolförbränning, sa Hochella, University Distinguished Professor Emeritus of Geosciences med Virginia Tech College of Science, efter den tidigare studiens release för två år sedan.

Hochella och hans team kom över nanopartiklarna av titansuboxid helt av en slump när de studerade nedströmsrörelsen av ett kolaskautsläpp 2014 i Dan River i North Carolina. Gruppen producerade senare samma titansuboxidnanopartiklar när de brände kol i labbsimuleringar. Denna potentiella hälsofara bygger på etablerade resultat från Världshälsoorganisationen:Mer än 3,3 miljoner förtida dödsfall inträffar över hela världen per år på grund av förorenad luft, och bara i Kina, 1,6 miljoner förtida dödsfall beräknas årligen på grund av hjärt- och kärlskador och luftvägsskador från luftföroreningar.

Detta väcker flera frågor:absorberas nanopartiklarna genom kroppen på andra sätt, som kontakt med ögon eller hud? Kan de leta sig in i växtligheten – inklusive mat – genom jord? Om så är fallet, vad är konsekvenserna för mag-tarmkanalen? Finns de i dricksvatten? Om en mus upplever långvarig skada vid sex veckor, vad innebär det för människor som andas luften?

Allen uppmanar att testerna går över till mänskligt fokuserade studier.

"Vi har identifierat en unik förorening i miljön, och vi har visat att det finns ett potentiellt hälsoproblem för människor, så det ger oss en biomarkör som vi kan övervaka närmare, " sade han. "Vi bör börja titta på dessa partiklar närmare när vi blir mer medvetna om farorna som dessa nanopartiklar utgör. Det är frågor som måste ställas."

Den vägen, även om det är uppenbart, kanske inte så enkelt, etiskt eller politiskt. Forskare kan inte utsätta mänskliga försökspersoner för kolsmog eller aska och de giftiga nanopartiklarna. Därför, ett troligt scenario:forskare kan studera dessa partiklar i mänsklig lungvävnad från lungbiopsier och kliniska prover. Dock, många läkare har varit ovilliga att delta i detta arbete i många av de länder som löper störst risk. Allen sa att en anledning kan vara den känslighet som dessa länder har för luftkvalitetsfrågor.