Non è ancora chiaro quale sia l'impatto sugli esseri umani, animali e piante di nanomateriali sintetici rilasciati nell'ambiente o utilizzati nei prodotti. È molto difficile rilevare questi nanomateriali nell'ambiente poiché le concentrazioni sono così basse e le particelle così piccole. Ora i partner del progetto NanoUmwelt hanno sviluppato un metodo in grado di identificare anche piccole quantità di nanomateriali in campioni ambientali.

Piccoli nani tengono puliti i nostri materassi, riparare i danni ai nostri denti, ferma le uova che si attaccano alle nostre padelle, e prolungare la durata di conservazione del nostro cibo. Stiamo parlando di nanomateriali – "nano" deriva dalla parola greca per "nano". Queste particelle sono piccole solo pochi miliardesimi di metro, e sono utilizzati in una vasta gamma di prodotti di consumo. Però, fino ad oggi l'impatto di questi materiali sull'ambiente è stato in gran parte sconosciuto, e mancano informazioni sulle concentrazioni e le forme in cui sono presenti. "E' vero che molti studi di laboratorio hanno esaminato l'effetto dei nanomateriali sulle cellule umane e animali. Ad oggi, anche se, non è stato possibile rilevare quantità molto piccole in campioni ambientali, " afferma la dott.ssa Yvonne Kohl del Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT di Sulzbach.

Un milionesimo di milligrammo per litro

Questo è precisamente l'obiettivo del progetto NanoUmwelt. Il team di progetto interdisciplinare è composto da tossicologi ecologici e umani, fisici, chimici e biologi, e sono appena riusciti a fare il primo grande passo avanti nel raggiungimento del loro obiettivo:hanno sviluppato un metodo per testare una varietà di campioni ambientali come l'acqua del fiume, tessuto animale, o urina e sangue umani in grado di rilevare nanomateriali a un livello di concentrazione di nanogrammi per litro (ppb - parti per miliardo). Ciò equivale a mezza zolletta di zucchero del volume d'acqua contenuto in 1000 piscine da competizione. Utilizzando il nuovo metodo, ora è possibile rilevare non solo grandi quantità di nanomateriali in fluidi limpidi, come in precedenza, ma anche pochissime particelle in miscele di sostanze complesse come sangue umano o campioni di terreno. L'approccio si basa sul frazionamento del flusso di campo (FFF), che può essere utilizzato per separare complesse miscele eterogenee di fluidi e particelle nelle loro parti componenti, ordinando contemporaneamente i componenti chiave per dimensione. Ciò è ottenuto dalla combinazione di un flusso controllato di fluido e un campo di separazione fisica, che agisce perpendicolarmente alla sospensione scorrevole.

Affinché il processo di rilevamento funzioni, i campioni ambientali devono essere opportunamente elaborati. Il team del dipartimento di bioelaborazione e bioanalisi di Fraunhofer IBMT ha preparato l'acqua del fiume, urina umana, e tessuto di pesce da inserire nel dispositivo FFF. "Prepariamo i campioni con enzimi speciali. In questo processo, dobbiamo assicurarci che i nanomateriali non vengano distrutti o modificati. Questo ci permette di rilevare le quantità e le forme reali dei nanomateriali nell'ambiente, " spiega Kohl. Gli scienziati hanno competenze speciali quando si tratta di fornire, elaborazione e conservazione di campioni di tessuto umano. Fraunhofer IBMT gestisce la "Banca tedesca dei campioni ambientali (ESB) - Campioni umani" dal gennaio 2012 per conto dell'Agenzia tedesca per l'ambiente (UBA). Ogni anno l'istituto di ricerca raccoglie campioni di sangue e urine da 120 volontari in quattro città della Germania. I campioni individuali sono uno strumento prezioso per mappare le tendenze nel tempo dell'esposizione umana agli inquinanti. "Inoltre, campioni di sangue e urine sono stati donati per il progetto NanoUmwelt e messi in crioconservazione presso Fraunhofer IBMT. Abbiamo usato questi campioni per sviluppare il nostro nuovo metodo di rilevamento, "dice il dottor Dominik Lermen, responsabile del gruppo di lavoro su Biomonitoring &Cryobanks presso Fraunhofer IBMT. Dopo l'approvazione da parte dell'UBA, alcuni dei campioni umani nell'archivio ESB possono anche essere esaminati utilizzando il nuovo metodo.

Sviluppo di nuovi modelli di coltura cellulare

I nanomateriali finiscono nell'ambiente attraverso percorsi diversi, tra l'altro il sistema fognario. Gli esseri umani e gli animali presumibilmente li assorbono attraverso barriere biologiche come il polmone o l'intestino. Il team del progetto sta simulando questi processi in piastre di Petri per capire come i nanomateriali vengono trasportati attraverso queste barriere. "È un processo molto complesso che coinvolge una gamma estremamente ampia di cellule e strati di tessuto, " spiega Kohl. I ricercatori replicano i processi nel modo più realistico possibile. Lo fanno da, ad esempio, misurando i flussi elettrici all'interno delle barriere per determinare la funzionalità di queste barriere – o simulando l'interazione polmone-aria utilizzando nuvole di nebbia artificiale. Nella prima fase del progetto NanoUmwelt, il team IBMT è riuscito a sviluppare diversi modelli di coltura cellulare per il trasporto di nanomateriali attraverso le barriere biologiche. IBMT ha collaborato con il Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME, che ha utilizzato cellule staminali pluripotenti per sviluppare un modello per lo studio della cardiotossicità. Empa, il partner svizzero del progetto, ha fornito un modello di barriera placentare per studiare il trasporto di nanomateriali tra madre e figlio.

Prossimo, i partner vogliono utilizzare il loro metodo per misurare le concentrazioni di nanoparticelle in un'ampia varietà di campioni ambientali. Analizzeranno quindi i risultati ottenuti in modo da essere in una posizione migliore per valutare il comportamento dei nanomateriali nell'ambiente e il loro potenziale pericolo per l'uomo, animali, e l'ambiente. "Il nostro prossimo obiettivo è rilevare particelle in quantità ancora più piccole, " dice Kohl. Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati stanno progettando di utilizzare filtri speciali per rimuovere elementi di distrazione dai campioni ambientali, e non vedono l'ora di sviluppare nuove tecniche di lavorazione.