Hvordan inhalerte nanopartikler bidrar til vaskulær sykdom

Forhold

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

Objektiv

For å finne ut om inhalerte nanopartikler direkte forårsaker hjerte- og karsykdommer (CVD) ved å bevege seg over lungene eller ganske enkelt utløse systemiske inflammatoriske responser.

Utkast

Denne artikkelen rapporterer resultatene fra en rekke kliniske studier og dyrestudier, hver utformet for å svare på et spesifikt spørsmål om hvordan nanopartikler bidrar til hjerte- og karsykdommer. I hver studie ble deltakerne eksponert for gullnanopartikler enten gjennom innånding (mennesker) eller direkte instillasjon gjennom luftrøret (mus), etterfulgt av blod-, urin- eller vevsprøver.

Deltager

Den første (N=14 menn) og andre (N=19) studien involverte friske frivillige mennesker; Deltakerne i den tredje menneskelige studien var pasienter som nylig hadde hatt en kardiovaskulær ulykke og som var planlagt å gjennomgå endarterektomi (N=12). Det første gnagerforsøket inkluderte normale mus; den andre involverte apolipoprotein E knockout-mus (ApoE-/-) som ble matet med en fettrik diett for å akselerere utviklingen av aterosklerotiske lesjoner.

Intervensjoner

I alle eksperimentene ble deltakerne utsatt for gullnanopartikler, men partikkelstørrelse og eksponeringsvarighet varierte. Deltakerne i den første menneskelige studien ble eksponert for et gjennomsnitt på 3,8 nm partikler i 2 timer; I den andre menneskelige studien ble 10 eksponert for små (~4 nm) partikler og 9 til store (34 nm) partikler. I det første dyreforsøket ble mus utsatt for forskjellige størrelser fra 2 til 200 nm; I det andre dyreforsøket ble mus utsatt for 5 nm partikler i 5 uker. I den tredje menneskelige studien ble 3 av de 12 pasientene eksponert for inhalerte gullnanopartikler (5 nm) i 4 timer før operasjonen.

Kunnskap fra denne studien kan hjelpe oss med å unngå økninger i sykelighet ved å oppmuntre til implementering av sikker produksjon og håndteringspraksis for å redusere utilsiktet eksponering.

Gullnanopartikler ble brukt fordi de er like i størrelse som forbrenningsavledede nanopartikler, men har lav biologisk aktivitet; de er også lettere å måle. Fordi endogene gullnivåer i blodet er lave, kunne etterforskere anta at alt materiale som ble oppdaget ble oppnådd eksperimentelt.

Målparametere

Konsentrasjoner av gullnanopartikler i blod, urin og plakkvev i halsen (dyreforsøk 2 og menneskeforsøk 3). Gullinnholdet ble bestemt ved bruk av høyoppløselig induktivt koblet plasmamassespektroskopi (HR-ICPMS) og Raman-mikroskopi.

Resultater

Gull ble oppdaget i blodet til friske frivillige eksponert for inhalerte nanopartikler innen 15 minutter og var fortsatt til stede 3 måneder etter eksponering. Konsentrasjonene var signifikant høyere etter inhalering av mindre (4–5 nm) partikler sammenlignet med større (30+ nm) partikler. Hos mus var akkumuleringen betydelig større i de mindre (<10 nm) partiklene enn i det større (10–200 nm) området.

I både menneske- og dyrestudier akkumulerte gullnanopartikler fortrinnsvis i områder med større betennelse, spesielt i vaskulære lesjoner. Forfatterne konkluderer med at inhalerte gullnanopartikler raskt kommer inn i den systemiske sirkulasjonen og akkumuleres på steder med vaskulær betennelse. Dette gir en direkte mekanisme som forklarer sammenhengen mellom miljømessige nanopartikler og kardiovaskulær sykdom.

Kliniske implikasjoner

De siste årene har ulike studier rapportert betydelige assosiasjoner mellom inhalasjonseksponering for nanopartikler fra kjøretøyeksos og risiko for sykelighet og dødelighet. Vi har nå en grei forklaring på hvorfor og hvordan dette skjer. Videre har den raske veksten i produksjon og bruk av nanomaterialer potensial til å øke menneskelig eksponering betraktelig. Kunnskap fra denne studien kan hjelpe oss med å unngå økninger i sykelighet ved å oppmuntre til implementering av sikker produksjon og håndteringspraksis for å redusere utilsiktet eksponering. Til dags dato har vår forståelse av en virkningsmekanisme som kan forklare sammenhengen med hjerte- og karsykdommer vært rudimentær. Denne artikkelen fremmer vår forståelse og oppfordrer absolutt til forsiktighet.

Forfatterne viste at inhalerte nanopartikler passerer fra lungene inn i sirkulasjonen hos mennesker og at partiklene samler seg på steder med vaskulær betennelse. Partikkeltranslokasjon ser ut til å være størrelsesavhengig, med større translokasjon og akkumulering av mindre nanopartikler.

Tidligere forskning viser at akutt eksponering for dieseleksos forårsaker vaskulær dysfunksjon, trombose og myokardiskemi hos friske individer og hos pasienter med koronarsykdom.¹Kronisk eksponering for partikkelformig luftforurensning er assosiert med utvikling og progresjon av aterosklerose hos både dyr og mennesker.²

Men det var ikke klart hvordan dette skjer. Inhalerte partikler er kjent for å sette seg dypt i lungene og utløse oksidativt stress og betennelse.³En teori er at de inflammatoriske mediatorene som utløses av disse partiklene går inn i den generelle sirkulasjonen og påvirker sykdomsrisikoen. Andre mener at nanopartikler i seg selv trenger inn i alveolepitelet og kommer inn i sirkulasjonen, og bidrar direkte til sykdom.⁴Denne artikkelen antyder sterkt at sistnevnte mekanisme er mer sannsynlig. Det er nok ikke så lett valg. Til slutt vil vi nok forstå at nanopartikler utløser vevsbetennelse, som øker translokasjonen av partikler.⁵

Mens resultatene av denne nåværende studien gir en overbevisende forklaring på hvordan CVD-risiko kan være relatert til eksponering for nanopartikler i miljøet, foreslår det bare en mulig forklaring på funnene rapportert av Bakian et al Seestadt,⁶eller resultatene av en observasjonsstudie av Power et al., som fant en sammenheng mellom luftforurensning og angst.⁷Disse 2 publikasjonene antyder at nanopartikler ikke bare kommer inn i den generelle sirkulasjonen, men også krysser blod-hjerne-barrieren og utløser også psykiske sykdommer.

Denne studien beviser ikke en årsakssammenheng. Dataene viser bare at nanopartikler akkumuleres på steder med vaskulær sykdom; de beviser ikke at nanopartikler forårsaker eller forverrer CVD.

Resultatene av denne artikkelen og lignende studier bør være til bekymring for våre pasienter som lider av eller har risiko for hjerte- og karsykdommer. Å begrense eksponeringen for åpenbare kilder til inhalerte nanopartikler, spesielt dieseleksos, kan bidra til å begrense sykdomsprogresjonen. Men mindre åpenbare kilder til eksponering for nanopartikler utgjør også risiko. Antallet nanopartikler i vårt daglige miljø fortsetter å øke. For eksempel vil få gjenkjenne tonerblekk brukt i hjemme- og kontorutskrift som risiko for CVD, men de frigjør nanomaterialer (brukes til å forbedre tonerytelsen) og har vært knyttet til luftveisproblemer.⁸Matfargestoffer inneholder også titandioksid nanopartikler, som kan komme inn i kroppen og forårsake oksidativt stress.⁹

Denne artikkelen utvider vår forståelse av problemene forårsaket av diesel og andre biprodukter ved forbrenning av fossilt brensel. Størrelsen og antallet partikler i luften kan til syvende og sist ha større betydning enn absolutt masse, da mindre partikler kan utgjøre en større trussel. Denne artikkelen varsler oss også om den potensielle faren som utgjøres av en rekke nanostoffer som anses som godartede, ikke på grunn av deres kjemiske komponenter, men på grunn av deres størrelse og evne til å bevege seg og deretter samle seg på steder med betennelse.