Изучен биологический риск наночастиц

Углеродные наночастицы — перспективный инструмент для биомедицинских применений, например, для направленной доставки биологически активных соединений в клетки. Команда исследователей с кафедр физики, медицины и химии Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) изучила, потенциально ли опасны эти частицы для организма и как клетки с ними справляются после поглощения. Результаты междисциплинарного исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Наночастицы меньше пяти нанометров (нанометр — одна миллионная миллиметра), что примерно соответствует размеру макромолекул. Такие крошечные частицы легко поглощаются клетками организма. У этой особенности есть две стороны. С одной стороны, это делает наночастицы хорошими носителями для направленной доставки различных соединений или веществ в здоровые или больные клетки.

С другой стороны, они могут представлять и риск для здоровья, например, в связи с частицами пыли. Один из путей образования таких частиц — процессы горения, и часть их можно классифицировать как наночастицы. Эти чрезвычайно мелкие частицы могут преодолевать гемато-воздушный барьер и проникать в организм: слизистая бронхов в лёгких не отфильтровывает их. Вместо этого они попадают в лёгочные альвеолы, а оттуда — в кровоток.

Исследователи HHU из Института экспериментальной физики конденсированного состояния (проф. д-р Томас Хайнцель) и отделения гематологии, онкологии и клинической иммунологии (проф. д-р Райнер Хаас) совместно с группами с химического факультета изучили, что происходит, когда клетки организма поглощают такие наночастицы. Исследователи использовали наночастицы из графена — особой формы углерода, состоящей из двумерных слоёв гексагональных углеродных колец. Их добавляли к специальным гемопоэтическим стволовым клеткам, называемым CD34+ стволовыми клетками. Эти клетки особенно чувствительны к повреждающим воздействиям окружающей среды из-за их способности делиться на протяжении всей жизни. Предполагалось, что эти клетки будут повреждены наночастицами (если вообще будут) сильнее, чем более устойчивые другие типы клеток.

Междисциплинарной команде исследователей в Дюссельдорфе удалось показать, что углеродные наночастицы попадают в клетки, где инкапсулируются в специальных органеллах — лизосомах. Лизосомы служат своего рода мусоросборником организма, где накапливаются чужеродные тела и в норме расщепляются с помощью ферментов. Однако в течение эксперимента, длившегося несколько дней, исследователи не наблюдали такого процесса.

Сравнивая активные гены («экспрессию генов») стволовых клеток с добавлением наночастиц и без, исследователи обнаружили, что из общего числа 20 800 зафиксированных экспрессий изменилась только одна; незначительные эффекты были определены ещё в 1 171 случае экспрессии генов.

Проф. Хайнцель прокомментировал результаты: «Инкапсуляция наночастиц в лизосомах гарантирует, что эти частицы хранятся безопасно по крайней мере в течение нескольких дней — на протяжении нашего эксперимента — и не могут повредить клетку. Это означает, что клетка остаётся жизнеспособной без существенных изменений в экспрессии генов». Это понимание важно, если наночастицы планируется использовать для доставки лекарств в клетку. Использованная экспериментальная модель не позволяет сделать долгосрочных выводов относительно возможного повышения вероятности клеточных мутаций, ведущих к раку.

Исследование проводилось в тесном сотрудничестве между факультетами математики и естественных наук и медицины HHU и Университетской клиникой Дюссельдорфа. Дюссельдорфская школа онкологии (под руководством проф. д-ра Себастьяна Вессельборга) финансировала докторскую стипендию первого автора, Штефана Фасбендера. Проф. Хаас отметил: «Близость клиники и университета и их тесные содержательные связи создают для HHU особенно плодотворную среду для трансляционных исследований, где объединяются знания и опыт фундаментальной науки с аспектами, важными для лечения».