Alla luce della crescente domanda di nanoparticelle artificiali in medicina e industria, è importante che i produttori comprendano esattamente come queste particelle influenzano le funzioni corporee e quali meccanismi sono in gioco, domande su cui c'è stata una carenza di conoscenza.

Studi su cardiopatici hanno dimostrato per decenni che il particolato ha un effetto negativo sul sistema cardiovascolare. Ancora, non è chiaro se le nanoparticelle facciano il loro danno direttamente o indirettamente, ad esempio attraverso processi metabolici o reazioni infiammatorie. Le reazioni del corpo sono semplicemente troppo complesse.

Utilizzando un cosiddetto cuore di Langendorff - un cuore di roditore isolato lavato con una soluzione nutritiva al posto del sangue - gli scienziati dell'Helmholtz Zentrum Muenchen e del TU Muenchen sono stati per la prima volta in grado di dimostrare che le nanoparticelle hanno un effetto chiaramente misurabile sul cuore . Quando esposto a una serie di nanoparticelle artificiali comunemente usate, il cuore ha reagito a determinati tipi di particelle con un aumento della frequenza cardiaca, aritmia cardiaca e valori ECG modificati tipici delle malattie cardiache. "Usiamo il cuore come rivelatore, " spiega il professor Reinhard Nießner, Direttore dell'Istituto di idrochimica della TU Muenchen. "In questo modo possiamo testare se specifiche nanoparticelle hanno un effetto sulla funzione cardiaca. Finora un'opzione del genere non esisteva".

Gli scienziati possono anche utilizzare questo nuovo modello di cuore per far luce sul meccanismo con cui le nanoparticelle influenzano la frequenza cardiaca. Per fare ciò, hanno migliorato la configurazione sperimentale di Langendorff per consentire alla soluzione nutritiva di essere reimmessa nel circuito una volta che è passata attraverso il cuore. Ciò consente agli scienziati di arricchire le sostanze rilasciate dal cuore e di comprendere la reazione del cuore alle nanoparticelle.

Secondo Stampfl e Nießner, è molto probabile che il neurotrasmettitore noradrenalina sia responsabile dell'aumento della frequenza cardiaca causato dalle nanoparticelle. La noradrenalina viene rilasciata dalle terminazioni nervose nella parete interna del cuore. Aumenta la frequenza cardiaca e svolge anche un ruolo importante nel sistema nervoso centrale, un segnale che le nanoparticelle potrebbero anche avere un effetto dannoso lì.

Stampfl e il suo team hanno usato il loro modello di cuore per testare le nanoparticelle di nerofumo e biossido di titanio, così come il carbonio generato da scintille, che funge da modello per gli inquinanti atmosferici derivanti dalla combustione del diesel. Inoltre, biossido di silicio, diverse silici Aerosil utilizzate ad es. come addensanti nei cosmetici, e polistirolo sono stati testati. Carbone nero, carbonio generato da scintille, il biossido di titanio e il biossido di silicio hanno portato ad un aumento della frequenza cardiaca fino al 15% con valori ECG alterati che non si sono normalizzati, anche dopo che l'esposizione alle nanoparticelle è terminata. Le silici Aerosil e il polistirene non hanno mostrato alcun effetto sulla funzione cardiaca.

Questo nuovo modello di cuore potrebbe rivelarsi particolarmente utile nella ricerca medica. Qui, le nanoparticelle artificiali vengono sempre più utilizzate come veicoli di trasporto. Le loro superfici intrinsecamente grandi forniscono un punto di attracco ideale per gli agenti attivi. Le nanoparticelle poi trasportano gli agenti attivi verso la loro destinazione nel corpo umano, per esempio. un tumore. La maggior parte dei prototipi iniziali di tali "nano contenitori" sono a base di carbonio o silicato. Finora, l'effetto di queste sostanze sul corpo umano è in gran parte sconosciuto. Il nuovo modello del cuore potrebbe quindi fungere da organo di prova per aiutare a selezionare quei tipi di particelle che non influenzano il cuore in modo negativo.

Le nanoparticelle artificiali sono utilizzate anche in molti prodotti industriali, alcuni dei quali da decenni. Le loro piccole dimensioni e le loro grandi superfici (rispetto al loro volume) conferiscono a queste particelle caratteristiche uniche. L'ampia superficie del biossido di titanio (TiO2), Per esempio, porta ad un grande indice di rifrazione che fa apparire la sostanza bianca brillante. Viene quindi spesso utilizzato nelle vernici di rivestimento bianche o come bloccante UV nelle creme solari. Il cosiddetto nerofumo è anche una nanoparticella ampiamente utilizzata (principalmente nei pneumatici per auto e nella plastica) con oltre 8 milioni di tonnellate prodotte ogni anno. Le piccole dimensioni di queste nanoparticelle (misurano solo 14 nanometri di diametro) le rendono adatte come coloranti, per esempio. nelle stampanti e nelle fotocopiatrici.

Con il loro cuore di Langendorff potenziato, i ricercatori hanno ora sviluppato per la prima volta una configurazione di misurazione che può essere utilizzata per analizzare gli effetti delle nanoparticelle su un completo, organo intatto senza essere influenzato dalle reazioni di altri organi. Il cuore è un oggetto di prova particolarmente buono. "Ha il suo generatore di impulsi, il nodo del seno, permettendogli di funzionare al di fuori del corpo per diverse ore, " Andreas Stampfl, primo autore dello studio, spiega. "Inoltre, i cambiamenti nella funzione cardiaca possono essere chiaramente riconosciuti utilizzando la frequenza cardiaca e il grafico ECG."

"Ora abbiamo un modello per un organo superiore che può essere utilizzato per testare l'influenza delle nanoparticelle artificiali, " Nießner spiega ulteriormente. "La prossima cosa che vogliamo fare è scoprire perché alcune nanoparticelle influenzano la funzione del cuore, mentre altri non influenzano affatto il cuore." Sia il processo di fabbricazione che la forma possono svolgere un ruolo importante. Quindi, gli scienziati pianificano ulteriori studi per esaminare le superfici di diversi tipi di nanoparticelle e le loro interazioni con le cellule della parete cardiaca.