Een internationale studie aan de Universiteit van Pittsburgh levert de eerste identificatie op van een menselijk enzym dat koolstofnanobuisjes biologisch afbreekt - de supersterke materialen die worden aangetroffen in producten van elektronica tot plastic - en dat in laboratoriumtests de potentieel schadelijke gezondheidseffecten van blootstelling aan de kleine componenten, volgens bevindingen die online zijn gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

De resultaten zouden de deur kunnen openen naar het gebruik van koolstofnanobuisjes als een veilig hulpmiddel voor het toedienen van medicijnen en zouden ook kunnen leiden tot de ontwikkeling van een natuurlijke behandeling voor mensen die aan nanobuisjes worden blootgesteld, hetzij in de omgeving of op de werkplek, meldde het team. De onderzoekers ontdekten dat koolstofnanobuisjes afgebroken met het menselijke enzym myeloperoxidase (hMPO) niet de longontsteking veroorzaakten waarvan is aangetoond dat intacte nanobuisjes veroorzaken. Verder, neutrofielen, de witte bloedcellen die hMPO bevatten en uitstoten om binnendringende micro-organismen te doden, kan worden gericht om specifiek koolstofnanobuisjes aan te vallen.

"De succesvolle medische toepassing van koolstofnanobuisjes is afhankelijk van hun effectieve afbraak in het lichaam, maar koolstofnanobuisjes zijn ook notoir duurzaam, " zei hoofdonderzoeker Valerian Kagan, een professor en vice-voorzitter bij de afdeling Milieu en Gezondheid op het werk in Pitt's Graduate School of Public Health. "Het vermogen van hMPO om koolstofnanobuisjes biologisch af te breken, onthult dat deze afbraak deel uitmaakt van een natuurlijke ontstekingsreactie. De volgende stap is het ontwikkelen van methoden om die ontstekingsreactie te stimuleren en het biologische afbraakproces in een levend organisme te reproduceren."

Kagan en zijn onderzoeksgroep leidden het team van meer dan 20 onderzoekers van vier universiteiten samen met de laboratoriumgroepen van Alexander Star, een assistent-professor scheikunde in Pitt's School of Arts and Sciences, en Judith Klein-Seethharaman, een assistent-professor structurele biologie in Pitt's School of Medicine. Andere Pitt-onderzoekers waren Yulia Tyurina, een Pitt-assistent-professor milieu en gezondheid op het werk aan de Graduate School of Public Health, en Donna Stolz, een universitair hoofddocent celbiologie en fysiologie aan de medische faculteit van Pitt; andere onderzoekers zijn van het Zweedse Karolinska Instituut, Trinity College in Ierland, het Rijksinstituut voor Arbeidsveiligheid en Gezondheid, en de Universiteit van West-Virginia.

Koolstofnanobuisjes zijn rollen van één atoom dik grafiet 100, 000 keer kleiner dan een mensenhaar en toch sterker dan staal. Ze worden gebruikt om kunststoffen te versterken, keramiek, of beton; zijn uitstekende geleiders van elektriciteit en warmte; en zijn gevoelige chemische sensoren. Echter, het oppervlak van een nanobuisje bevat ook duizenden atomen die op onbekende manieren met het menselijk lichaam kunnen reageren. Tests op muizen hebben aangetoond dat het inademen van nanobuisjes leidt tot ernstige longontsteking in combinatie met een vroeg begin van fibrose. De duurzaamheid van de buizen roept extra bezorgdheid op over de juiste verwijdering en opruiming. In 2008, Star en Kagan meldden in Nano Letters dat koolstofnanobuisjes verslechteren bij blootstelling aan het plantenenzym mierikswortelperoxidase, maar hun onderzoek was gericht op het opruimen na accidentele lozingen tijdens de productie of in het milieu.

Voor het huidige onderzoek de onderzoekers concentreerden zich op menselijk MPO omdat het werkt via de afgifte van sterke zuren en oxidanten - vergelijkbaar met de chemicaliën die worden gebruikt om koolstofnanobuisjes af te breken. Ze broedden eerst kort, enkelwandige nanobuisjes in een oplossing van hMPO en waterstofperoxide - het waterstofperoxide veroorzaakt en onderhoudt hMPO-activiteit - gedurende 24 uur, waarna de structuur en het grootste deel van de buis volledig waren gedegenereerd. De nanobuisjes degenereerden nog sneller toen natriumchloride aan de oplossing werd toegevoegd om hypochloriet te produceren, een sterk oxiderende verbinding waarvan bekend is dat ze nanobuisjes afbreekt.

Na het vaststellen van de effectiviteit van hMPO bij het afbreken van koolstofnanobuisjes, het team ontwikkelde een techniek om neutrofielen ertoe aan te zetten nanobuisjes aan te vallen door ze te vangen en bloot te stellen aan het enzym. Ze implanteerden een monster van nanobuisjes met antilichamen die bekend staan ​​als immunoglobuline G (IgG), waardoor ze specifieke doelwitten voor neutrofielen werden. Na 12 uur, 100 procent van de IgG-nanobuisjes was afgebroken versus 30 procent van de nanobuisjes zonder IgG. De onderzoekers testten ook het vermogen van macrofagen, een andere witte bloedcel, om nanobuisjes af te breken, maar na twee dagen slechts 50 procent van de buizen was gedegenereerd.

Bij latere laboratoriumtesten longweefsel dat gedurende zeven dagen aan de aangetaste nanobuisjes werd blootgesteld, vertoonde een verwaarloosbare verandering in vergelijking met niet-blootgesteld weefsel. Anderzijds, weefsel blootgesteld aan onbehandelde nanobuisjes ontwikkelde een ernstige ontsteking.