znanost 19.10.2018 7:30

Slovenski raziskovalci s pomembnim prispevkom za razumevanje varnosti nanomaterialov

Ljubljana, 19. oktobra - Nanodelci so majhni skupki materiala, ki lebdijo v zraku, prek prebavil, kože, predvsem pa pljuč pa lahko pridejo tudi v naše telo. Slovenski raziskovalci so potrdili za zdravje nevarno lipidno ovijanje nanodelcev v pljučih, ki lahko privede do krvožilnih bolezni, ter kot prvi pokazali, kaj je sprožilec razvoja bolezni, s tem pa prispevali k razumevanju varnosti nanomaterialov.

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana.
Dogodek v okviru cikla Skodelica znanosti z naslovom Tatinski nanodelci v pljučih, na katerem bo sodeloval raziskovalec na odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko Janez Štrancar.
Foto: Anže Malovrh/STA

Nanodelci so drobni skupki materiala, ki so manjši od 100 nanometrov. Nastajajo z različnimi procesi, med drugim s procesom gorenja, sežiganjem biomase, z uporabo dizelskih motorjev, nastajajo pri ognjemetih ali kot stranski produkt v industriji, je na nedavnem dogodku v okviru projekta Znanost na cesti povedal doktor Janez Štrancar z Inštituta Jožef Stefan.

Nanodelci lahko po eni strani prinesejo mnoge izboljšave v tehniki, medicini, uporabljajo jih tudi v aplikacijah za detekcijo in diagnozo življenjsko nevarnih bolezni, kot je denimo rak. Po drugi strani pa strokovnjaki opozarjajo na njihovo škodljivost.

Tatinski nanodelci

Slovenski raziskovalci so pred nedavnim potrdili lipidno ovijanje nanodelcev v pljučih, kar pomeni, da nekatere vrste nanomaterialov v pljučih na svojo površino pritegnejo lipide, ki jih ukradejo celičnim membranam. Če nanomateriali z membran potrgajo preveč lipidov v določenem času, celice tega ne morejo zapolniti z novimi materiali, ki jih same sintetizirajo, zato v pljučnem epiteliju nastanejo luknje.

Raziskovalci so pokazali, da nanomaterial kot nekakšen plaz koplje tunel skozi te luknje v epiteliju, zaradi česar se nanomaterial fizično prestavi na drugo stran epitelija. Če je materiala zadosti, pride do koagulacije oziroma strjevanja krvi. Če je teh strdkov preveč, pa tkivo najprej začne lokalno propadati, nato pa se vnetje seli po telesu, je pojasnil Štrancar.

Nanodelci tako lahko sprožijo celo kaskado raznih krvožilnih obolenj. V pljučih se lahko pojavi pljučne fibroze, če je proces dolgotrajen, pa se lahko razvije tudi rakasto tkivo.

Prva študija, ki pokaže na vzrok

To, da nanodelci povzročajo krvožilne bolezni, so pokazale že nekatere predhodne študije, slovenski raziskovalci pa so kot prvi na svetu pokazali, kaj je prvi dogodek oziroma sprožilec, ki vodi k razvoju bolezni, ter dokazali, da gre pri tem za fizikalno interakcijo.

Na ta način je študija, ki je bila letos objavljena v reviji Nano Letters, po besedah Štrancarja pomemben prispevek k razumevanju nevarnosti nanomaterialov ter zdravljenju in preprečevanju s tem povezanih bolezni.

V študiji so namreč pokazali, da lahko fizikalni mehanizem, kot je privlak med nanodelci in površino membran, predstavlja aktivne elemente v celici, ki lahko vodi v razvoj bolezni. To je pomembno, ker so simptomi nanodelcev v pljučih podobni denimo azbestozi ter nekaterim drugim boleznim, zato je ključnega pomena, da poznamo celotno molekularno pot ter posebej prvi dogodek, ki vodi k razvoju bolezni.

V svojih raziskavah so slovenski raziskovalci sicer pod drobnogled vzeli nanodelce titanijevega dioksida, ki so eni najbolj pogostih nanodelcev. Najdemo jih kot dodatke v prehrani, v barvah, tudi v zdravilih, zato so pogost predmet toksikoloških študij.

Potrebovali so superločljivi mikroskop in model pljuč

Potovanje nanodelcev skupaj s kosi membran so raziskovalci sprva lahko pokazali le posredno, vse dokler na trg niso vstopili superločljivi STED-mikroskopi. Gre za revolucionarno tehnologijo, za katero je bila leta 2014 podeljena tudi Nobelova nagrada.

Če klasični optični mikroskopi osvetljujejo celoten vzorec hkrati, se s STED- oziroma konfokalnim mikroskopom omeji osvetljevanje vzorca na le eno točko, kar omogoča, da raziskovalci vidijo stvari, ki so manjše od 200 nanometrov, je pojasnil Štrancar.

Vendar sama tehnologija oziroma mikroskop še ni bil dovolj. Da bi bil eksperiment zares fiziološko relevanten oziroma da bi zares spominjal na vdihovanje nanodelcev, je moral biti izveden na živi pljučni barieri. Šele v kombinaciji s STED-mikroskopom ter modelom pljučne bariere, ki so ga izdelali raziskovalci, so lahko končno zasačili tatinske nanodelce pri delu.

Projekt SmartNanoTox in proteini

Raziskovalci so že od leta 2016 vključeni tudi v projekt SmartNanoTox za raziskovanje interakcij med nanomateriali in celicami. Projekt jim je bistveno pomagal pri analizi lipidnega plašča, ki ga nanodelci nosijo s seboj, saj so za tovrstno analizo potrebna redka, specifična znanja, ki jih v Sloveniji niso imeli.

S pomočjo raziskovalcev iz Dublina, ki znajo analizirati sestavo proteinov v plašču, so odkrili okoli 500 proteinov, kar po besedah Štrancarja dokazuje, da nanodelci v naših pljučih puščajo pravo opustošenje. Posebej pomembna sta bila dva proteina, za katera so ugotovili, da se vmešavata v koagulacijo oziroma strjevanje krvi.

Nanodelci v možganih

Kot je na dogodku še razkril Štrancar, so pred kratkim zagnali tudi projekt, v katerem raziskujejo nanodelce v možganih. Nanodelci naj bi namreč preko vohalne bariere, ki se nahaja v nosu ter ločuje zrak od nevronov, lahko prišli tudi do možganov. Raziskovalci predvidevajo, da bi lahko strukturne spremembe v možganih vplivale na proženje nevronov oziroma procesiranje informacij, kar bi lahko po besedah Štrancarja imelo grozne posledice.

Nanovarnost in regulacija

Nanodelcem smo med drugim izpostavljeni med procesi, kot je gorenje med sežiganjem biomase, ko gledamo ognjemete ali kolesarimo v času prometne konice. Največji problem pa nastane takrat, ko so ljudje izpostavljeni prahovom nanomaterialov. To so predvsem proizvodnje hale, kjer proizvajajo nanoprahove.

V zadnjih 15 letih so različne države investirale veliko denarja v razumevanje nanovarnosti, tudi Evropska unija namenja precej denarja za tovrstne projekte. Regulatorji namreč potrebujejo ustrezne informacije o tem, kakšne so varne količine, kemijske sestave in oblike nanodelcev.

Zaradi pomanjkanja informacij po besedah Štrancarja na tem področju trenutno vlada velika zmešnjava, zato regulatorji ne vedo, kako bi se regulacije tega področja lotili. Po mnenju Štrancarja bo preteklo še veliko časa, da se bo vzpostavila ustrezna regulacija.

Dr. Štrancar

Profesor doktor Janez Štrancar je raziskovalec na Odseku za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in vodja Laboratorija za biofiziko. Diplomiral je iz fizike na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani leta 1996, doktoriral pa štiri leta pozneje na isti fakulteti.

Že med doktoratom se je usmeril v raziskave spreminjanja molekularnih in celičnih struktur živih celic in tkiv zaradi vpliva različnih novih materialov. Zato uporablja različne kombinacije eksperimentalnih tehnik, med zadnjimi je s kolegi v laboratoriju uvedel tudi superločljivo STED-mikroskopijo, s katero lahko tudi v živih sistemih v živo opazuje nanomateriale, kar še pred desetimi leti sploh ni bilo tehnično mogoče.