Koolstofnanodeeltjes zijn een veelbelovend hulpmiddel voor biomedische toepassingen, bijvoorbeeld, voor gericht transport van biologisch actieve verbindingen naar cellen. Een team van onderzoekers van de Natuurkunde, De afdelingen Geneeskunde en Chemie van de Heinrich Heine Universiteit Düsseldorf (HHU) hebben nu onderzocht of deze deeltjes potentieel gevaarlijk zijn voor het organisme en hoe cellen ermee omgaan als ze eenmaal zijn ingebouwd. De bevindingen van de interdisciplinaire studie zijn zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Nanodeeltjes zijn kleiner dan vijf nanometer - een nanometer is een miljoenste millimeter - wat ongeveer overeenkomt met de grootte van macromoleculen. Zulke kleine deeltjes worden heel gemakkelijk opgenomen in lichaamscellen. Er zijn twee aspecten aan deze functie. Ten eerste, het maakt nanodeeltjes goede vehikels om een ​​breed scala aan verbindingen of stoffen die eraan vast zitten gericht naar normale zieke cellen te transporteren.

Anderzijds, ze kunnen ook gezondheidsrisico's opleveren, bijvoorbeeld in verband met fijnstof. Een van de manieren waarop fijnstof ontstaat is bij verbrandingsprocessen, en een deel daarvan kan worden geclassificeerd als nanodeeltjes. Deze extreem kleine deeltjes kunnen de bloed-luchtbarrière overwinnen en het lichaam binnendringen:het bronchiale slijmvlies in de longen filtert de deeltjes niet uit. In plaats daarvan, ze banen zich een weg naar de longblaasjes en van daaruit naar de bloedbaan.

Samen met werkgroepen van de afdeling Chemie, HHU-onderzoekers van het Institute of Experimental Condensed Matter Physics werkend onder Prof. Dr. Thomas Heinzel en van de afdeling Hematologie, Oncologie en Klinische Immunologie onder leiding van Prof. Dr. Rainer Haas hebben nu onderzocht wat er gebeurt als lichaamscellen dergelijke nanodeeltjes opnemen. De onderzoekers gebruikten nanodeeltjes gemaakt van grafeen; dit is een speciale vorm van koolstof die bestaat uit tweedimensionale lagen van hexagonale koolstofringen. Ze voegden deze toe aan speciale hematopoëtische stamcellen die CD34+-stamcellen worden genoemd. Deze cellen zijn bijzonder gevoelig voor schadelijke omgevingsinvloeden vanwege hun vermogen om zich gedurende hun hele leven te delen. De veronderstelling is dat deze cellen meer zouden worden beschadigd door nanodeeltjes - of helemaal niet - dan de robuustere andere celtypen.

Het interdisciplinaire team van onderzoekers gevestigd in Düsseldorf kon aantonen dat de koolstofnanodeeltjes in de cellen terechtkomen, waar ze zijn ingekapseld in speciale organellen die lysosomen worden genoemd. De lysosomen dienen als een soort afvalverwijderingseenheid voor het lichaam waar vreemde lichamen zich ophopen en normaal worden afgebroken met behulp van enzymen. Echter, de onderzoekers hebben een dergelijk proces niet waargenomen tijdens de duur van de experimenten, die enkele dagen duurde.

Bij het vergelijken van de actieve genen ("genexpressie") van stamcellen met en zonder toevoeging van nanodeeltjes, de onderzoekers ontdekten dat slechts één van de in totaal 20, 800 geregistreerde uitdrukkingen waren gewijzigd; kleine effecten werden vastgesteld in nog eens 1, 171 genexpressies.

Prof. Heinzel had het volgende te zeggen over de bevindingen:"Inkapseling van de nanodeeltjes in de lysosomen zorgt ervoor dat deze deeltjes minstens een paar dagen veilig worden bewaard - voor de duur van onze experimenten - en de cel niet kunnen beschadigen. Dit betekent dat de cel levensvatbaar blijft zonder enige grote verandering in genexpressie." Dit inzicht is belangrijk als nanodeeltjes worden gebruikt om medicijnen de cel in te brengen. Het hier gebruikte experimentele kader staat niet toe dat er op lange termijn uitspraken worden gedaan over een verhoogde kans op celmutatie die kanker tot gevolg heeft.

Het onderzoek werd uitgevoerd als een nauwe samenwerking tussen de faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen van de HHU en de Faculteit der Geneeskunde en het Universitair Ziekenhuis Düsseldorf. Düsseldorf School of Oncology (onder leiding van Prof. Dr. Sebastian Wesselborg) financierde de doctoraatsbeurs van eerste auteur Stefan Fasbender. Prof. Haas zei:"De nabijheid van het ziekenhuis en de universiteit en hun nauwe inhoudelijke banden biedt HHU een bijzonder vruchtbare omgeving voor translationeel onderzoek, waar inzichten en expertise uit fundamenteel onderzoek worden gecombineerd met behandelrelevante aspecten."