Cum contribuie nanoparticulele inhalate la bolile vasculare

Raport

Miller MR, Raftis JB, Langrish JP, et al. Nanoparticulele inhalate se acumulează în locurile de boală vasculară.ACS Nano. 2017;11(5):4542-4552.

Obiectiv

Pentru a determina dacă nanoparticulele inhalate cauzează în mod direct boli cardiovasculare (CVD) prin mișcarea peste plămâni sau pur și simplu declanșează răspunsuri inflamatorii sistemice.

Proiect

Această lucrare raportează rezultatele unei serii de studii clinice și animale, fiecare menită să răspundă la o întrebare specifică despre modul în care nanoparticulele contribuie la bolile cardiovasculare. În fiecare studiu, participanții au fost expuși la nanoparticule de aur fie prin inhalare (oameni), fie prin instilare directă prin trahee (șoareci), urmate de mostre de sânge, urină sau țesut.

Participant

Primul (N=14 bărbați) și al doilea (N=19) studii au implicat voluntari umani sănătoși; Participanții la cel de-al treilea studiu uman au fost pacienți care au suferit recent un accident cardiovascular și au fost programați să sufere endarterectomie carotidiană (N=12). Primul experiment cu rozătoare a inclus șoareci normali; al doilea a implicat șoareci knockout apolipoproteinei E (ApoE-/-) care au fost hrăniți cu o dietă bogată în grăsimi pentru a accelera dezvoltarea leziunilor aterosclerotice.

Intervenții

În toate experimentele, participanții au fost expuși la nanoparticule de aur, dar dimensiunea particulelor și durata expunerii au variat. Participanții la primul studiu uman au fost expuși la o medie de particule de 3,8 nm timp de 2 ore; În al doilea studiu uman, 10 au fost expuși la particule mici (~4 nm) și 9 la particule mari (34 nm). În primul experiment pe animale, șoarecii au fost expuși la diferite dimensiuni de la 2 la 200 nm; În al doilea experiment pe animale, șoarecii au fost expuși la particule de 5 nm timp de 5 săptămâni. În al treilea studiu uman, 3 dintre cei 12 pacienți au fost expuși la nanoparticule de aur inhalate (5 nm) timp de 4 ore înainte de operație.

Cunoștințele din acest studiu ne pot ajuta să evităm creșterea morbidității prin încurajarea implementării unor practici sigure de fabricație și manipulare pentru a reduce expunerile accidentale.

Nanoparticulele de aur au fost folosite pentru că sunt similare ca mărime cu nanoparticulele derivate din ardere, dar au activitate biologică scăzută; sunt, de asemenea, mai ușor de măsurat. Deoarece nivelurile de aur endogen din sânge sunt scăzute, anchetatorii ar putea presupune că orice material detectat a fost obținut experimental.

Parametrii țintă

Concentrațiile de nanoparticule de aur în sânge, urină și țesutul plăcii carotide (experimentul pe animale 2 și experimentul uman 3). Conținutul de aur a fost determinat utilizând spectroscopie de masă cu plasmă cuplată inductiv de înaltă rezoluție (HR-ICPMS) și microscopia Raman.

Rezultate

Aurul a fost detectat în sângele voluntarilor sănătoși expuși la nanoparticule inhalate în decurs de 15 minute și a fost încă prezent la 3 luni după expunere. Concentrațiile au fost semnificativ mai mari după inhalarea particulelor mai mici (4-5 nm), comparativ cu particulele mai mari (30+ nm). La șoareci, acumularea a fost semnificativ mai mare în particulele mai mici (<10 nm) decât în ​​intervalul mai mare (10-200 nm).

Atât în ​​studiile pe oameni, cât și pe animale, nanoparticulele de aur s-au acumulat de preferință în zonele cu inflamație mai mare, în special în leziunile vasculare. Autorii concluzionează că nanoparticulele de aur inhalate intră rapid în circulația sistemică și se acumulează în locurile de inflamație vasculară. Acest lucru oferă un mecanism direct care explică asocierea dintre nanoparticulele de mediu și bolile cardiovasculare.

Implicații clinice

În ultimii ani, diferite studii au raportat asocieri semnificative între expunerea prin inhalare la nanoparticulele din evacuarea vehiculelor și riscul de morbiditate și mortalitate. Acum avem o explicație decentă cu privire la de ce și cum se întâmplă acest lucru. În plus, creșterea rapidă a producției și utilizării nanomaterialelor are potențialul de a crește considerabil expunerea umană. Cunoștințele din acest studiu ne pot ajuta să evităm creșterea morbidității prin încurajarea implementării unor practici sigure de fabricație și manipulare pentru a reduce expunerile accidentale. Până în prezent, înțelegerea noastră a unui mecanism de acțiune care ar explica asocierea cu bolile cardiovasculare a fost rudimentară. Această lucrare ne avansează înțelegerea și, cu siguranță, îndeamnă la prudență.

Autorii au arătat că nanoparticulele inhalate trec din plămâni în circulație la oameni și că particulele se acumulează în locurile de inflamație vasculară. Translocarea particulelor pare să fie dependentă de dimensiune, cu o translocare mai mare și acumulare de nanoparticule mai mici.

Cercetările anterioare arată că expunerea acută la gazele de eșapament diesel cauzează disfuncție vasculară, tromboză și ischemie miocardică la persoanele sănătoase și la pacienții cu boală coronariană.¹Expunerea cronică la poluarea aerului cu particule este asociată cu dezvoltarea și progresia aterosclerozei atât la animale, cât și la oameni.²

Dar nu era clar cum se întâmplă asta. Se știe că particulele inhalate se încadrează adânc în plămâni și declanșează stres oxidativ și inflamație.³O teorie este că mediatorii inflamatori declanșați de aceste particule intră în circulația generală și influențează riscul de îmbolnăvire. Alții cred că nanoparticulele însele pătrund în epiteliul alveolar și intră în circulație, contribuind direct la boală.⁴Această lucrare sugerează cu tărie că cel din urmă mecanism este mai probabil. Probabil că nu este o alegere atât de ușoară. În cele din urmă, probabil vom înțelege că nanoparticulele declanșează inflamația țesuturilor, ceea ce crește translocarea particulelor.⁵

În timp ce rezultatele acestui studiu de față oferă o explicație convingătoare a modului în care riscul de BCV poate fi legat de expunerea la nanoparticule din mediu, sugerează doar o posibilă explicație pentru constatările raportate de Bakian și colab. Seestadt,⁶sau rezultatele unui studiu observațional realizat de Power și colab., care a găsit o legătură între poluarea aerului și anxietate.⁷Aceste 2 publicații sugerează că nanoparticulele nu numai că intră în circulația generală, ci și traversează bariera hemato-encefalică și declanșează, de asemenea, boli psihice.

Acest studiu nu dovedește o relație cauzală. Datele arată doar că nanoparticulele se acumulează în locurile de boli vasculare; nu demonstrează că nanoparticulele cauzează sau agravează BCV.

Rezultatele acestei lucrări și ale studiilor similare ar trebui să fie de îngrijorare pentru pacienții noștri care suferă sau prezintă risc de BCV. Limitarea expunerii la surse evidente de nanoparticule inhalate, în special gazele diesel, poate ajuta la limitarea progresiei bolii. Cu toate acestea, sursele mai puțin evidente de expunere la nanoparticule prezintă, de asemenea, riscuri. Numărul de nanoparticule din mediul nostru de zi cu zi continuă să crească. De exemplu, puțini ar recunoaște cernelurile de toner utilizate în imprimarea acasă și la birou ca riscuri pentru CVD, dar eliberează nanomateriale (utilizate pentru a îmbunătăți performanța tonerului) și au fost legate de probleme respiratorii.⁸Coloranții alimentari conțin și nanoparticule de dioxid de titan, care pot pătrunde în organism și pot provoca stres oxidativ.⁹

Această lucrare extinde înțelegerea noastră a problemelor cauzate de motorină și alte produse secundare ale arderii combustibililor fosili. Dimensiunea și numărul de particule din aer pot fi în cele din urmă de o importanță mai mare decât masa absolută, deoarece particulele mai mici pot reprezenta o amenințare mai mare. Această lucrare ne avertizează, de asemenea, asupra pericolului potențial reprezentat de o varietate de nanosubstanțe care sunt considerate benigne, nu datorită componentelor lor chimice, ci datorită dimensiunii și capacității lor de a se mișca și apoi de a se acumula în locurile de inflamație.