In het licht van de toenemende vraag naar kunstmatige nanodeeltjes in de geneeskunde en de industrie, het is belangrijk voor fabrikanten om te begrijpen hoe deze deeltjes lichaamsfuncties beïnvloeden en welke mechanismen daarbij een rol spelen - vragen waarover een gebrek aan kennis bestaat.

Studies bij hartpatiënten tonen al decennia aan dat fijnstof een negatief effect heeft op het cardiovasculaire systeem. Nog, het bleef onduidelijk of de nanodeeltjes direct of indirect schade aanrichten, bijvoorbeeld door metabolische processen of ontstekingsreacties. De reacties van het lichaam zijn gewoon te complex.

Met behulp van een zogenaamd Langendorff-hart - een geïsoleerd knaagdierhart dat in plaats van bloed wordt gespoeld met een voedingsoplossing - konden wetenschappers van het Helmholtz Zentrum Muenchen en de TU Muenchen voor het eerst aantonen dat nanodeeltjes een duidelijk meetbaar effect hebben op het hart . Bij blootstelling aan een reeks veelgebruikte kunstmatige nanodeeltjes, het hart reageerde op bepaalde soorten deeltjes met een verhoogde hartslag, hartritmestoornissen en gewijzigde ECG-waarden die typisch zijn voor hartaandoeningen. "We gebruiken het hart als een detector, " legt professor Reinhard Nießner uit, Directeur van het Instituut voor Hydrochemie aan de TU München. "Zo kunnen we testen of bepaalde nanodeeltjes effect hebben op de hartfunctie. Een dergelijke optie bestond tot nu toe niet."

Met dit nieuwe modelhart kunnen wetenschappers ook licht werpen op het mechanisme waarmee de nanodeeltjes de hartslag beïnvloeden. Om dit te doen, ze verbeterden de experimentele opstelling van Langendorff zodat de voedingsoplossing terug in de lus kan worden gevoerd zodra deze door het hart is gevlogen. Hierdoor kunnen de wetenschappers stoffen die door het hart vrijkomen verrijken en de reactie van het hart op de nanodeeltjes begrijpen.

Volgens Stampfl en Nießner, het is zeer waarschijnlijk dat de neurotransmitter noradrenaline verantwoordelijk is voor de verhoogde hartslag die wordt veroorzaakt door nanodeeltjes. Noradrenaline wordt afgegeven door zenuwuiteinden in de binnenwand van het hart. Het verhoogt de hartslag en speelt ook een belangrijke rol in het centrale zenuwstelsel – een tip dat nanodeeltjes ook daar een schadelijk effect kunnen hebben.

Stampfl en zijn team gebruikten hun hartmodel om koolstofzwart en titaniumdioxide-nanodeeltjes te testen, evenals door vonken gegenereerde koolstof, die als model dient voor verontreinigende stoffen in de lucht die afkomstig zijn van dieselverbranding. In aanvulling, siliciumdioxide, verschillende Aerosil silica's gebruikt b.v. als verdikkingsmiddelen in cosmetica, en polystyreen werden getest. Carbon zwart, door vonken gegenereerde koolstof, titaniumdioxide en siliciumdioxide leidden tot een verhoging van de hartslag tot 15 procent met veranderde ECG-waarden die niet normaliseerden, zelfs nadat de blootstelling aan nanodeeltjes was beëindigd. De Aerosil silica's en polystyreen vertoonden geen effect op de hartfunctie.

Dit nieuwe hartmodel kan bijzonder nuttig blijken te zijn in medisch onderzoek. Hier, kunstmatige nanodeeltjes worden steeds vaker ingezet als transportvoertuigen. Hun intrinsiek grote oppervlakken bieden ideale aanlegplaatsen voor actieve stoffen. De nanodeeltjes transporteren vervolgens de actieve stoffen naar hun bestemming in het menselijk lichaam, bijv. een tumor. De meeste van de eerste prototypes van dergelijke "nanocontainers" zijn gebaseerd op koolstof of silicaat. Tot dusver, het effect van deze stoffen op het menselijk lichaam is grotendeels onbekend. Het nieuwe hartmodel zou dus als testorgaan kunnen dienen om die deeltjestypes te helpen selecteren die het hart niet negatief beïnvloeden.

Kunstmatige nanodeeltjes worden ook gebruikt in veel industriële producten - sommige al tientallen jaren. Hun kleine formaat en hun grote oppervlakken (in vergelijking met hun volume) geven deze deeltjes unieke eigenschappen. Het grote oppervlak van titaniumdioxide (TiO2), bijvoorbeeld, leidt tot een grote brekingsindex waardoor de stof er stralend wit uitziet. Het wordt daarom vaak gebruikt in witte coatingverven of als UV-blokker in zonnebrandmiddelen. Zogenaamd carbon black is ook een veelgebruikt nanodeeltje (voornamelijk in autobanden en kunststoffen) met een jaarlijkse productie van meer dan 8 miljoen ton. De kleine omvang van deze nanodeeltjes (ze meten slechts 14 nanometer in doorsnee) maakt ze zeer geschikt als kleurstoffen, bijv. in printers en kopieermachines.

Met hun versterkte Langendorff-hart, de onderzoekers hebben nu voor het eerst een meetopstelling ontwikkeld waarmee de effecten van nanodeeltjes op een complete, intact orgaan zonder te worden beïnvloed door de reacties van andere organen. Het hart is een bijzonder goed testobject. "Het heeft zijn eigen impulsgenerator, de sinusknoop, waardoor het enkele uren buiten het lichaam kan functioneren, "Andreas Stampfl, eerste auteur van de studie, verklaart. "Aanvullend, veranderingen in de hartfunctie kunnen duidelijk worden herkend aan de hand van de hartslag- en ECG-grafiek."

"We hebben nu een model voor een superieur orgaan dat kan worden gebruikt om de invloed van kunstmatige nanodeeltjes te testen, Nießner legt verder uit. "Het volgende dat we willen doen, is uitzoeken waarom sommige nanodeeltjes de hartfunctie beïnvloeden, terwijl andere het hart helemaal niet beïnvloeden." Zowel het fabricageproces als de vorm kunnen een belangrijke rol spelen. de wetenschappers plannen verdere studies om de oppervlakken van verschillende soorten nanodeeltjes en hun interacties met de cellen van de hartwand te onderzoeken.