Πώς τα εισπνεόμενα νανοσωματίδια συμβάλλουν στην αγγειακή νόσο

Σχέση

Miller MR, Raftis JB, Langrish JP, et al. Τα εισπνεόμενα νανοσωματίδια συσσωρεύονται σε σημεία αγγειακής νόσου.ACS Nano. 2017, 11 (5): 4542-4552.

Σκοπός

Για να προσδιοριστεί εάν τα εισπνεόμενα νανοσωματίδια προκαλούν άμεσα καρδιαγγειακή νόσο (CVD) μετακινώντας τους πνεύμονες ή απλώς προκαλούν συστημικές φλεγμονώδεις αποκρίσεις.

Προσχέδιο

Αυτό το έγγραφο αναφέρει τα αποτελέσματα μιας σειράς κλινικών μελετών και μελετών σε ζώα, καθεμία σχεδιασμένη να απαντά σε μια συγκεκριμένη ερώτηση σχετικά με το πώς τα νανοσωματίδια συμβάλλουν στην καρδιαγγειακή νόσο. Σε κάθε μελέτη, οι συμμετέχοντες εκτέθηκαν σε νανοσωματίδια χρυσού είτε μέσω εισπνοής (άνθρωποι) είτε απευθείας ενστάλαξης μέσω της τραχείας (ποντίκια), ακολουθούμενη από δείγματα αίματος, ούρων ή ιστών.

Συμμέτοχος

Η πρώτη (N=14 άνδρες) και η δεύτερη (N=19) μελέτες αφορούσαν υγιείς ανθρώπους εθελοντές. Οι συμμετέχοντες στην τρίτη ανθρώπινη μελέτη ήταν ασθενείς που είχαν πρόσφατα υποστεί καρδιαγγειακό ατύχημα και επρόκειτο να υποβληθούν σε καρωτιδική ενδαρτηρεκτομή (N=12). Το πρώτο πείραμα με τρωκτικά περιελάμβανε κανονικά ποντίκια. Το δεύτερο αφορούσε ποντίκια με νοκ-άουτ απολιποπρωτεΐνη Ε (ApoE-/-) που τρέφονταν με δίαιτα υψηλής περιεκτικότητας σε λιπαρά για να επιταχυνθεί η ανάπτυξη αθηροσκληρωτικών βλαβών.

Παρεμβάσεις

Σε όλα τα πειράματα, οι συμμετέχοντες εκτέθηκαν σε νανοσωματίδια χρυσού, αλλά το μέγεθος των σωματιδίων και η διάρκεια έκθεσης διέφεραν. Οι συμμετέχοντες στην πρώτη ανθρώπινη δοκιμή εκτέθηκαν σε σωματίδια 3,8 nm κατά μέσο όρο για 2 ώρες. Στη δεύτερη ανθρώπινη μελέτη, 10 εκτέθηκαν σε μικρά (~4 nm) σωματίδια και 9 σε μεγάλα (34 nm) σωματίδια. Στο πρώτο πείραμα σε ζώα, τα ποντίκια εκτέθηκαν σε διαφορετικά μεγέθη από 2 έως 200 nm. Στο δεύτερο πείραμα σε ζώα, τα ποντίκια εκτέθηκαν σε σωματίδια 5 nm για 5 εβδομάδες. Στην τρίτη ανθρώπινη μελέτη, 3 από τους 12 ασθενείς εκτέθηκαν σε εισπνεόμενα νανοσωματίδια χρυσού (5 nm) για 4 ώρες πριν από την επέμβαση.

Η γνώση από αυτήν τη μελέτη μπορεί να μας βοηθήσει να αποτρέψουμε την αύξηση της νοσηρότητας ενθαρρύνοντας την εφαρμογή ασφαλών πρακτικών κατασκευής και χειρισμού για τη μείωση των τυχαίων εκθέσεων.

Χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια χρυσού επειδή είναι παρόμοια σε μέγεθος με τα νανοσωματίδια που προέρχονται από την καύση αλλά έχουν χαμηλή βιολογική δραστηριότητα. είναι επίσης πιο εύκολο να μετρηθούν. Επειδή τα ενδογενή επίπεδα χρυσού στο αίμα είναι χαμηλά, οι ερευνητές θα μπορούσαν να υποθέσουν ότι οποιοδήποτε υλικό ανιχνεύτηκε ελήφθη πειραματικά.

Παράμετροι στόχου

Συγκεντρώσεις νανοσωματιδίων χρυσού σε αίμα, ούρα και ιστό καρωτιδικής πλάκας (πείραμα 2 σε ζώα και πείραμα 3 σε ανθρώπους). Η περιεκτικότητα σε χρυσό προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας επαγωγικά συζευγμένη φασματοσκοπία μάζας πλάσματος υψηλής ανάλυσης (HR-ICPMS) και μικροσκοπία Raman.

Αποτελέσματα

Ο χρυσός ανιχνεύτηκε στο αίμα υγιών εθελοντών που εκτέθηκαν σε εισπνεόμενα νανοσωματίδια εντός 15 λεπτών και εξακολουθούσε να υπάρχει 3 μήνες μετά την έκθεση. Οι συγκεντρώσεις ήταν σημαντικά υψηλότερες μετά την εισπνοή μικρότερων (4–5 nm) σωματιδίων σε σύγκριση με μεγαλύτερα (30+ nm) σωματίδια. Στα ποντίκια, η συσσώρευση ήταν σημαντικά μεγαλύτερη στα μικρότερα (<10 nm) σωματίδια από ό,τι στο μεγαλύτερο εύρος (10-200 nm).

Σε μελέτες τόσο σε ανθρώπους όσο και σε ζώα, τα νανοσωματίδια χρυσού συσσωρεύτηκαν κατά προτίμηση σε περιοχές με μεγαλύτερη φλεγμονή, ιδιαίτερα σε αγγειακές βλάβες. Οι συγγραφείς καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι τα εισπνεόμενα νανοσωματίδια χρυσού εισέρχονται γρήγορα στη συστηματική κυκλοφορία και συσσωρεύονται σε σημεία αγγειακής φλεγμονής. Αυτό παρέχει έναν άμεσο μηχανισμό που εξηγεί τη σχέση μεταξύ των περιβαλλοντικών νανοσωματιδίων και των καρδιαγγειακών παθήσεων.

Κλινικές επιπτώσεις

Τα τελευταία χρόνια, διάφορες μελέτες έχουν αναφέρει σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ της εισπνεόμενης έκθεσης σε νανοσωματίδια από τα καυσαέρια των οχημάτων και του κινδύνου νοσηρότητας και θνησιμότητας. Τώρα έχουμε μια αξιοπρεπή εξήγηση για το γιατί και πώς συμβαίνει αυτό. Επιπλέον, η ταχεία ανάπτυξη στην παραγωγή και χρήση νανοϋλικών έχει τη δυνατότητα να αυξήσει σημαντικά την ανθρώπινη έκθεση. Η γνώση από αυτήν τη μελέτη μπορεί να μας βοηθήσει να αποτρέψουμε την αύξηση της νοσηρότητας ενθαρρύνοντας την εφαρμογή ασφαλών πρακτικών κατασκευής και χειρισμού για τη μείωση των τυχαίων εκθέσεων. Μέχρι σήμερα, η κατανόησή μας για έναν μηχανισμό δράσης που θα εξηγούσε τη συσχέτιση με τα καρδιαγγειακά νοσήματα ήταν στοιχειώδης. Αυτό το έγγραφο προωθεί την κατανόησή μας και σίγουρα προτρέπει να είμαστε προσεκτικοί.

Οι συγγραφείς έδειξαν ότι τα εισπνεόμενα νανοσωματίδια περνούν από τους πνεύμονες στην κυκλοφορία στον άνθρωπο και ότι τα σωματίδια συσσωρεύονται σε σημεία αγγειακής φλεγμονής. Η μετατόπιση σωματιδίων φαίνεται να εξαρτάται από το μέγεθος, με μεγαλύτερη μετατόπιση και συσσώρευση μικρότερων νανοσωματιδίων.

Προηγούμενες έρευνες δείχνουν ότι η οξεία έκθεση στα καυσαέρια ντίζελ προκαλεί αγγειακή δυσλειτουργία, θρόμβωση και ισχαιμία του μυοκαρδίου σε υγιή άτομα και σε ασθενείς με στεφανιαία νόσο.¹Η χρόνια έκθεση σε σωματιδιακή ατμοσφαιρική ρύπανση σχετίζεται με την ανάπτυξη και την εξέλιξη της αθηροσκλήρωσης τόσο στα ζώα όσο και στους ανθρώπους.²

Αλλά δεν ήταν ξεκάθαρο πώς συμβαίνει αυτό. Τα εισπνεόμενα σωματίδια είναι γνωστό ότι εγκαθίστανται βαθιά στους πνεύμονες και προκαλούν οξειδωτικό στρες και φλεγμονή.³Μια θεωρία είναι ότι οι φλεγμονώδεις μεσολαβητές που προκαλούνται από αυτά τα σωματίδια εισέρχονται στη γενική κυκλοφορία και επηρεάζουν τον κίνδυνο ασθένειας. Άλλοι πιστεύουν ότι τα ίδια τα νανοσωματίδια διεισδύουν στο κυψελιδικό επιθήλιο και εισέρχονται στην κυκλοφορία, συμβάλλοντας άμεσα σε ασθένειες.⁴Αυτό το έγγραφο υποδηλώνει έντονα ότι ο τελευταίος μηχανισμός είναι πιο πιθανός. Μάλλον δεν είναι τόσο εύκολη επιλογή. Στο τέλος, μάλλον θα καταλάβουμε ότι τα νανοσωματίδια πυροδοτούν φλεγμονή των ιστών, η οποία αυξάνει τη μετατόπιση των σωματιδίων.⁵

Ενώ τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης παρέχουν μια συναρπαστική εξήγηση για το πώς ο κίνδυνος καρδιαγγειακής νόσου μπορεί να σχετίζεται με την έκθεση σε νανοσωματίδια στο περιβάλλον, προτείνει μόνο μια πιθανή εξήγηση για τα ευρήματα που αναφέρθηκαν από τους Bakian et al Seestadt.⁶ή τα αποτελέσματα μιας μελέτης παρατήρησης από τους Power et al., η οποία βρήκε μια σύνδεση μεταξύ της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και του άγχους.⁷Αυτές οι 2 δημοσιεύσεις υποδηλώνουν ότι τα νανοσωματίδια όχι μόνο εισέρχονται στη γενική κυκλοφορία, αλλά και διασχίζουν τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό και επίσης προκαλούν ψυχικές ασθένειες.

Αυτή η μελέτη δεν αποδεικνύει αιτιολογική σχέση. Τα δεδομένα δείχνουν μόνο ότι τα νανοσωματίδια συσσωρεύονται σε σημεία αγγειακής νόσου. δεν αποδεικνύουν ότι τα νανοσωματίδια προκαλούν ή επιδεινώνουν την καρδιαγγειακή νόσο.

Τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας και παρόμοιων μελετών θα πρέπει να ανησυχούν τους ασθενείς μας που πάσχουν ή διατρέχουν κίνδυνο καρδιαγγειακής νόσου. Ο περιορισμός της έκθεσης σε προφανείς πηγές εισπνεόμενων νανοσωματιδίων, ιδιαίτερα των καυσαερίων ντίζελ, μπορεί να βοηθήσει στον περιορισμό της εξέλιξης της νόσου. Ωστόσο, λιγότερο προφανείς πηγές έκθεσης σε νανοσωματίδια ενέχουν επίσης κινδύνους. Ο αριθμός των νανοσωματιδίων στο καθημερινό μας περιβάλλον συνεχίζει να αυξάνεται. Για παράδειγμα, λίγοι θα αναγνώριζαν τα μελάνια τόνερ που χρησιμοποιούνται στην εκτύπωση στο σπίτι και στο γραφείο ως κινδύνους για την καρδιαγγειακή νόσο, αλλά απελευθερώνουν νανοϋλικά (που χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της απόδοσης του γραφίτη) και έχουν συνδεθεί με αναπνευστικά προβλήματα.⁸Οι βαφές τροφίμων περιέχουν επίσης νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου, τα οποία μπορούν να εισέλθουν στο σώμα και να προκαλέσουν οξειδωτικό στρες.⁹

Αυτό το άρθρο διευρύνει την κατανόησή μας για τα προβλήματα που προκαλούνται από το ντίζελ και άλλα υποπροϊόντα της καύσης ορυκτών καυσίμων. Το μέγεθος και ο αριθμός των σωματιδίων στον αέρα μπορεί τελικά να έχουν μεγαλύτερη σημασία από την απόλυτη μάζα, καθώς τα μικρότερα σωματίδια μπορούν να αποτελέσουν μεγαλύτερη απειλή. Αυτό το άρθρο μας προειδοποιεί επίσης για τον πιθανό κίνδυνο που ενέχει μια ποικιλία νανοουσιών που θεωρούνται καλοήθεις, όχι λόγω των χημικών συστατικών τους, αλλά λόγω του μεγέθους και της ικανότητάς τους να κινούνται και στη συνέχεια να συσσωρεύονται σε σημεία φλεγμονής.