Искусственные наночастицы влияют на частоту сердечных сокращений

В связи с растущим спросом на искусственные наночастицы в медицине и промышленности производителям важно понимать, как именно эти частицы влияют на функции организма и какие механизмы задействованы — вопросы, по которым до сих пор не хватало знаний.

Хотя исследования десятилетиями показывали негативное влияние частиц загрязненного воздуха на сердечно-сосудистую систему пациентов, оставалось неясным, действуют ли наночастицы напрямую или косвенно, например, через метаболические процессы или воспалительные реакции.

Ученые из Центра Гельмгольца в Мюнхене и Мюнхенского технического университета впервые смогли показать, используя так называемое изолированное сердце Лангендорфа (сердце грызуна, перфузируемое питательным раствором вместо крови), что наночастицы оказывают четко измеримое влияние на сердце. При воздействии ряда широко используемых искусственных наночастиц сердце реагировало на определенные типы частиц:

• Увеличением частоты сердечных сокращений (до 15%)
• Аритмией
• Изменениями показателей ЭКГ, типичными для сердечных заболеваний

«Мы используем сердце как детектор, — объясняет профессор Райнхард Нисснер. — Таким образом мы можем проверить, влияют ли конкретные наночастицы на функцию сердца. Такой возможности до сих пор не существовало».

Механизм воздействия и тестируемые частицы

Усовершенствованная экспериментальная установка позволила рециркулировать питательный раствор после прохождения через сердце, обогащая выделяемые сердцем вещества для анализа. Ученые предполагают, что за учащение сердцебиения, вызванное наночастицами, вероятно, ответственен нейромедиатор норадреналин, высвобождаемый нервными окончаниями в стенке сердца.

Были протестированы:

• Сажа (carbon black) и диоксид титана (TiO₂) — привели к увеличению ЧСС и изменению ЭКГ.
• Искрогенерированный углерод (модель загрязняющих частиц от дизельного топлива) — аналогичный эффект.
• Диоксид кремния (SiO₂) — аналогичный эффект.
• Аэросил (Aerosil, разные силики) и полистирол — не показали влияния на функцию сердца.

Значение для медицины и промышленности

Новая модель может быть особенно полезна в медицинских исследованиях, где наночастицы все чаще используются как транспортные средства для доставки лекарств (например, к опухолям). Многие прототипы таких «наноконтейнеров» созданы на основе углерода или силикатов, и их влияние на организм во многом неизвестно. Эта модель может служить тестовым органом для отбора частиц, не оказывающих негативного влияния на сердце.

В промышленности наночастицы (например, диоксид титана для красок и кремов от загара или сажа для шин и пластиков) используются десятилетиями благодаря своим уникальным свойствам, обусловленным малым размером и большой удельной поверхностью.

Преимущества модели и дальнейшие планы

Исследователи впервые разработали установку, позволяющую анализировать влияние наночастиц на целый неповрежденный орган, не подверженный влиянию реакций других органов. Сердце — идеальный объект: оно имеет собственный водитель ритма (синусовый узел) и может работать вне тела несколько часов, а изменения его функции четко фиксируются по ЧСС и ЭКГ.

«Следующее, что мы хотим сделать, — выяснить, почему одни наночастицы влияют на функцию сердца, а другие не оказывают на него никакого влияния», — говорит Нисснер. Важную роль могут играть процесс производства и форма частиц. Ученые планируют дальнейшие исследования для изучения поверхностей различных типов наночастиц и их взаимодействия с клетками сердечной стенки.