Hoe ingeademde nanodeeltjes bijdragen aan vaatziekten

Relatie

Miller MR, Raftis JB, Langrish JP, et al. Geïnhaleerde nanodeeltjes hopen zich op op plaatsen met vaatziekten.ACS Nano. 2017;11(5):4542-4552.

Objectief

Om te bepalen of ingeademde nanodeeltjes direct hart- en vaatziekten (HVZ) veroorzaken door door de longen te bewegen of eenvoudigweg systemische ontstekingsreacties teweegbrengen.

Voorlopige versie

Dit artikel rapporteert de resultaten van een reeks klinische en dierstudies, elk ontworpen om een ​​specifieke vraag te beantwoorden over hoe nanodeeltjes bijdragen aan hart- en vaatziekten. In elk onderzoek werden deelnemers blootgesteld aan gouden nanodeeltjes, hetzij door inademing (mensen) of directe instillatie via de luchtpijp (muizen), gevolgd door bloed-, urine- of weefselmonsters.

Deelnemer

Bij de eerste (N=14 mannen) en tweede (N=19) onderzoeken waren gezonde menselijke vrijwilligers betrokken; Deelnemers aan het derde onderzoek bij mensen waren patiënten die onlangs een cardiovasculair ongeval hadden gehad en die een halsslagader-endarteriëctomie zouden ondergaan (N=12). Bij het eerste knaagdierexperiment waren normale muizen betrokken; de tweede betrof apolipoproteïne E knock-out muizen (ApoE-/-) die een vetrijk dieet kregen om de ontwikkeling van atherosclerotische laesies te versnellen.

Interventies

In alle experimenten werden deelnemers blootgesteld aan gouden nanodeeltjes, maar de deeltjesgrootte en de blootstellingsduur varieerden. Deelnemers aan de eerste proef op mensen werden gedurende 2 uur blootgesteld aan deeltjes van gemiddeld 3,8 nm; In het tweede onderzoek bij mensen werden er 10 blootgesteld aan kleine (~4 nm) deeltjes en 9 aan grote (34 nm) deeltjes. In het eerste dierexperiment werden muizen blootgesteld aan verschillende groottes van 2 tot 200 nm; In het tweede dierexperiment werden muizen gedurende 5 weken blootgesteld aan deeltjes van 5 nm. In het derde onderzoek bij mensen werden 3 van de 12 patiënten gedurende 4 uur vóór de operatie blootgesteld aan geïnhaleerde gouden nanodeeltjes (5 nm).

De kennis uit dit onderzoek kan ons helpen een toename van de morbiditeit te voorkomen door de implementatie van veilige productie- en hanteringspraktijken aan te moedigen om accidentele blootstelling te verminderen.

Er werden gouden nanodeeltjes gebruikt omdat ze qua grootte vergelijkbaar zijn met door verbranding verkregen nanodeeltjes, maar een lage biologische activiteit hebben; ze zijn ook gemakkelijker te meten. Omdat het endogene goudgehalte in het bloed laag is, kunnen onderzoekers ervan uitgaan dat al het gedetecteerde materiaal experimenteel is verkregen.

Doelparameters

Concentraties van gouden nanodeeltjes in bloed, urine en carotisplaqueweefsel (dierexperiment 2 en menselijk experiment 3). Het goudgehalte werd bepaald met behulp van inductief gekoppelde plasmamassaspectroscopie met hoge resolutie (HR-ICPMS) en Raman-microscopie.

Resultaten

Goud werd gedetecteerd in het bloed van gezonde vrijwilligers die binnen 15 minuten werden blootgesteld aan ingeademde nanodeeltjes en was 3 maanden na blootstelling nog steeds aanwezig. De concentraties waren significant hoger na inhalatie van kleinere (4-5 nm) deeltjes vergeleken met grotere (30+ nm) deeltjes. Bij muizen was de accumulatie significant groter in de kleinere (<10 nm) deeltjes dan in het grotere bereik (10-200 nm).

In zowel studies bij mensen als bij dieren stapelden gouden nanodeeltjes zich bij voorkeur op in gebieden met een grotere ontsteking, vooral in vasculaire laesies. De auteurs concluderen dat geïnhaleerde gouden nanodeeltjes snel in de systemische circulatie terechtkomen en zich ophopen op plaatsen van vasculaire ontstekingen. Dit biedt een direct mechanisme dat de associatie tussen nanodeeltjes uit de omgeving en hart- en vaatziekten verklaart.

Klinische implicaties

De afgelopen jaren hebben verschillende onderzoeken significante associaties gerapporteerd tussen inhalatieblootstelling aan nanodeeltjes uit uitlaatgassen van voertuigen en het risico op morbiditeit en mortaliteit. We hebben nu een fatsoenlijke verklaring waarom en hoe dit gebeurt. Bovendien heeft de snelle groei in de productie en het gebruik van nanomaterialen het potentieel om de menselijke blootstelling aanzienlijk te vergroten. De kennis uit dit onderzoek kan ons helpen een toename van de morbiditeit te voorkomen door de implementatie van veilige productie- en hanteringspraktijken aan te moedigen om accidentele blootstelling te verminderen. Tot op heden is ons begrip van een werkingsmechanisme dat de associatie met hart- en vaatziekten zou verklaren rudimentair. Dit artikel bevordert ons begrip en dringt zeker aan op voorzichtigheid.

De auteurs toonden aan dat ingeademde nanodeeltjes vanuit de longen in de bloedsomloop van mensen terechtkomen en dat de deeltjes zich ophopen op plaatsen van vaatontsteking. Deeltjestranslocatie lijkt afhankelijk van de grootte, met grotere translocatie en accumulatie van kleinere nanodeeltjes.

Uit eerder onderzoek blijkt dat acute blootstelling aan dieseluitlaatgassen vasculaire disfunctie, trombose en myocardiale ischemie veroorzaakt bij gezonde personen en bij patiënten met coronaire hartziekte.¹Chronische blootstelling aan luchtverontreiniging door deeltjes wordt in verband gebracht met de ontwikkeling en progressie van atherosclerose bij zowel dieren als mensen.²

Maar hoe dit komt, was niet duidelijk. Het is bekend dat ingeademde deeltjes zich diep in de longen nestelen en oxidatieve stress en ontstekingen veroorzaken.³Eén theorie is dat de ontstekingsmediatoren die door deze deeltjes worden geactiveerd, in de algemene bloedsomloop terechtkomen en het ziekterisico beïnvloeden. Anderen geloven dat de nanodeeltjes zelf het alveolaire epitheel binnendringen en in de bloedsomloop terechtkomen, wat rechtstreeks bijdraagt ​​aan ziekten.⁴Dit artikel suggereert sterk dat het laatste mechanisme waarschijnlijker is. Het is waarschijnlijk niet zo'n gemakkelijke keuze. Uiteindelijk zullen we waarschijnlijk begrijpen dat de nanodeeltjes weefselontsteking veroorzaken, waardoor de translocatie van deeltjes toeneemt.⁵

Hoewel de resultaten van deze huidige studie een overtuigende verklaring bieden voor de manier waarop het risico op hart- en vaatziekten gerelateerd kan zijn aan blootstelling aan nanodeeltjes in het milieu, suggereert het slechts één mogelijke verklaring voor de bevindingen gerapporteerd door Bakian et al. Seestadt,⁶of de resultaten van een observationeel onderzoek van Power et al., waarin een verband werd gevonden tussen luchtvervuiling en angst.⁷Deze twee publicaties suggereren dat nanodeeltjes niet alleen in de algemene bloedsomloop terechtkomen, maar ook de bloed-hersenbarrière passeren en ook psychische aandoeningen veroorzaken.

Dit onderzoek bewijst geen causaal verband. Uit de gegevens blijkt alleen dat nanodeeltjes zich ophopen op plaatsen met vaatziekten; ze bewijzen niet dat nanodeeltjes hart- en vaatziekten veroorzaken of verergeren.

De resultaten van dit artikel en soortgelijke onderzoeken zouden van belang moeten zijn voor onze patiënten die lijden aan of risico lopen op hart- en vaatziekten. Het beperken van de blootstelling aan voor de hand liggende bronnen van ingeademde nanodeeltjes, met name dieseluitlaatgassen, kan de ziekteprogressie helpen beperken. Minder voor de hand liggende bronnen van blootstelling aan nanodeeltjes brengen echter ook risico's met zich mee. Het aantal nanodeeltjes in onze dagelijkse omgeving blijft toenemen. Weinigen zouden bijvoorbeeld tonerinkten die bij het printen thuis en op kantoor worden gebruikt, herkennen als risico's voor hart- en vaatziekten, maar ze geven nanomaterialen vrij (gebruikt om de tonerprestaties te verbeteren) en zijn in verband gebracht met ademhalingsproblemen.⁸Kleurstoffen voor levensmiddelen bevatten ook nanodeeltjes van titaniumdioxide, die het lichaam kunnen binnendringen en oxidatieve stress kunnen veroorzaken.⁹

Dit artikel vergroot ons begrip van de problemen veroorzaakt door diesel en andere bijproducten van de verbranding van fossiele brandstoffen. De grootte en het aantal deeltjes in de lucht kunnen uiteindelijk van groter belang zijn dan de absolute massa, omdat kleinere deeltjes een grotere bedreiging kunnen vormen. Dit artikel waarschuwt ons ook voor het potentiële gevaar dat uitgaat van een verscheidenheid aan nanosubstanties die als goedaardig worden beschouwd, niet vanwege hun chemische componenten, maar vanwege hun omvang en vermogen om te bewegen en zich vervolgens op te hopen op ontstekingsplaatsen.