Hvordan inhalerede nanopartikler bidrager til karsygdomme

Relation

Miller MR, Raftis JB, Langrish JP, et al. Inhalerede nanopartikler akkumuleres på steder med vaskulær sygdom.ACS Nano. 2017;11(5):4542-4552.

Objektiv

For at bestemme, om inhalerede nanopartikler direkte forårsager hjertekarsygdomme (CVD) ved at bevæge sig hen over lungerne eller blot udløse systemiske inflammatoriske reaktioner.

Udkast

Dette papir rapporterer resultaterne af en række kliniske undersøgelser og dyreforsøg, der hver er designet til at besvare et specifikt spørgsmål om, hvordan nanopartikler bidrager til hjerte-kar-sygdomme. I hver undersøgelse blev deltagerne udsat for guld-nanopartikler enten gennem inhalation (mennesker) eller direkte instillation gennem luftrøret (mus), efterfulgt af blod-, urin- eller vævsprøver.

Deltager

Den første (N=14 mænd) og anden (N=19) undersøgelse involverede raske frivillige mennesker; Deltagerne i den tredje menneskelige undersøgelse var patienter, som for nylig havde lidt en kardiovaskulær ulykke og var planlagt til at gennemgå carotis-endarterektomi (N=12). Det første gnaverforsøg omfattede normale mus; den anden involverede apolipoprotein E knockout-mus (ApoE-/-), der blev fodret med en kost med højt fedtindhold for at fremskynde udviklingen af ​​aterosklerotiske læsioner.

Interventioner

I alle eksperimenter blev deltagerne udsat for guld nanopartikler, men partikelstørrelse og eksponeringsvarighed varierede. Deltagerne i det første menneskelige forsøg blev udsat for et gennemsnit på 3,8 nm partikler i 2 timer; I det andet menneskelige studie blev 10 udsat for små (~4 nm) partikler og 9 for store (34 nm) partikler. I det første dyreforsøg blev mus udsat for forskellige størrelser fra 2 til 200 nm; I det andet dyreforsøg blev mus udsat for 5 nm partikler i 5 uger. I det tredje menneskelige studie blev 3 af de 12 patienter eksponeret for inhalerede guldnanopartikler (5 nm) i 4 timer før operationen.

Viden fra denne undersøgelse kan hjælpe os med at afværge stigninger i sygelighed ved at tilskynde til implementering af sikker fremstilling og håndteringspraksis for at reducere utilsigtet eksponering.

Guld nanopartikler blev brugt, fordi de svarer i størrelse til forbrændings-afledte nanopartikler, men har lav biologisk aktivitet; de er også nemmere at måle. Fordi endogene guldniveauer i blodet er lave, kunne efterforskere antage, at ethvert påvist materiale blev opnået eksperimentelt.

Målparametre

Koncentrationer af guld-nanopartikler i blod, urin og plaquevæv (dyreforsøg 2 og menneskeforsøg 3). Guldindholdet blev bestemt ved hjælp af induktivt koblet plasma-massespektroskopi med høj opløsning (HR-ICPMS) og Raman-mikroskopi.

Resultater

Guld blev påvist i blodet hos raske frivillige, der blev udsat for inhalerede nanopartikler inden for 15 minutter og var stadig til stede 3 måneder efter eksponering. Koncentrationerne var signifikant højere efter inhalation af mindre (4-5 nm) partikler sammenlignet med større (30+ nm) partikler. Hos mus var akkumuleringen signifikant større i de mindre (<10 nm) partikler end i det større (10-200 nm) område.

I både menneskelige og dyreforsøg akkumulerede guldnanopartikler fortrinsvis i områder med større inflammation, især i vaskulære læsioner. Forfatterne konkluderer, at inhalerede guldnanopartikler hurtigt kommer ind i det systemiske kredsløb og akkumuleres på steder med vaskulær inflammation. Dette giver en direkte mekanisme, der forklarer sammenhængen mellem miljømæssige nanopartikler og hjerte-kar-sygdomme.

Kliniske implikationer

I de senere år har forskellige undersøgelser rapporteret signifikante sammenhænge mellem inhalationseksponering for nanopartikler fra køretøjers udstødning og risikoen for morbiditet og dødelighed. Vi har nu en anstændig forklaring på hvorfor og hvordan dette sker. Ydermere har den hurtige vækst i produktionen og brugen af ​​nanomaterialer potentialet til i høj grad at øge menneskelig eksponering. Viden fra denne undersøgelse kan hjælpe os med at afværge stigninger i sygelighed ved at tilskynde til implementering af sikker fremstilling og håndteringspraksis for at reducere utilsigtet eksponering. Til dato har vores forståelse af en virkningsmekanisme, der kan forklare sammenhængen med hjerte-kar-sygdomme, været rudimentær. Dette papir fremmer vores forståelse og opfordrer bestemt til forsigtighed.

Forfatterne viste, at inhalerede nanopartikler passerer fra lungerne ind i kredsløbet hos mennesker, og at partiklerne ophobes på steder med vaskulær inflammation. Partikeltranslokation ser ud til at være størrelsesafhængig med større translokation og akkumulering af mindre nanopartikler.

Tidligere forskning viser, at akut eksponering for dieseludstødning forårsager vaskulær dysfunktion, trombose og myokardieiskæmi hos raske personer og hos patienter med kranspulsåresygdom.¹Kronisk eksponering for partikelformig luftforurening er forbundet med udvikling og progression af åreforkalkning hos både dyr og mennesker.²

Men det var ikke klart, hvordan dette sker. Indåndede partikler er kendt for at sætte sig dybt i lungerne og udløse oxidativ stress og inflammation.³En teori er, at de inflammatoriske mediatorer, der udløses af disse partikler, kommer ind i det generelle kredsløb og påvirker sygdomsrisikoen. Andre mener, at nanopartiklerne selv trænger ind i det alveolære epitel og kommer ind i kredsløbet og bidrager direkte til sygdom.⁴Denne artikel antyder kraftigt, at sidstnævnte mekanisme er mere sandsynlig. Det er nok ikke så nemt et valg. I sidste ende vil vi nok forstå, at nanopartiklerne udløser vævsbetændelse, som øger translokationen af ​​partikler.⁵

Mens resultaterne af denne undersøgelse giver en overbevisende forklaring på, hvordan CVD-risiko kan være relateret til eksponering for nanopartikler i miljøet, foreslår det kun en mulig forklaring på resultaterne rapporteret af Bakian et al. Seestadt,⁶eller resultaterne af en observationsundersøgelse af Power et al., som fandt en sammenhæng mellem luftforurening og angst.⁷Disse 2 publikationer tyder på, at nanopartikler ikke kun kommer ind i det generelle kredsløb, men også krydser blod-hjerne-barrieren og også udløser psykiske sygdomme.

Denne undersøgelse beviser ikke en årsagssammenhæng. Dataene viser kun, at nanopartikler akkumuleres på steder med vaskulær sygdom; de beviser ikke, at nanopartikler forårsager eller forværrer CVD.

Resultaterne af dette papir og lignende undersøgelser burde være bekymrende for vores patienter, der lider af eller har risiko for hjerte-kar-sygdomme. Begrænsning af eksponering for åbenlyse kilder til inhalerede nanopartikler, især dieseludstødning, kan hjælpe med at begrænse sygdomsprogression. Men mindre indlysende kilder til eksponering for nanopartikler udgør også risici. Antallet af nanopartikler i vores hverdagsmiljø fortsætter med at stige. For eksempel ville de færreste anerkende tonerblæk, der bruges til udskrivning i hjemmet og på kontoret, som en risiko for CVD, men de frigiver nanomaterialer (bruges til at forbedre tonerens ydeevne) og er blevet forbundet med åndedrætsproblemer.⁸Fødevarefarvestoffer indeholder også titaniumdioxid nanopartikler, som kan trænge ind i kroppen og forårsage oxidativ stress.⁹

Denne artikel udvider vores forståelse af problemerne forårsaget af diesel og andre biprodukter fra forbrænding af fossile brændstoffer. Størrelsen og antallet af partikler i luften kan i sidste ende være af større betydning end den absolutte masse, da mindre partikler kan udgøre en større trussel. Dette papir gør os også opmærksomme på den potentielle fare, som en række nanostoffer udgør, der betragtes som godartede, ikke på grund af deres kemiske komponenter, men på grund af deres størrelse og evne til at bevæge sig og derefter akkumulere på steder med inflammation.