Эпидемиологические исследования установили сильную корреляцию между вдыханием сверхмелких частиц от неполного сгорания и респираторными и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Тем не менее, относительно мало известно о механизмах воздействия твердых частиц в воздухе на здоровье человека. Новая работа с углеродными наноточками направлена на создание первой модели того, как сверхтонкие частицы на основе углерода взаимодействуют с тканями легких.
Международная группа исследователей создала систему трехмерных моделей клеток легких, чтобы исследовать, как побочные продукты сгорания на основе углерода ведут себя при взаимодействии с эпителиальной тканью человека. В Biointerphases, журнале AVS от AIP Publishing, исследователи обнаружили, что поверхностные свойства углеродных наноточек и характер агрегации влияют на их распределение в выращенной в лаборатории копии барьерного слоя легкого, эпителия. Углеродные наноточки служили представителями частиц загрязнения воздуха.
«Локализация и количественная оценка вдыхаемых углеродных наночастиц на клеточном уровне были очень трудными», - сказала Барбара Ротен-Рутисхаузер, автор статьи, которая является частью специального выпуска журнала Biointerphases, посвященного женщинам в Биоинтерфейсная наука. «Теперь у нас есть модель флуоресцентной частицы, которая может попытаться ответить на вопросы о судьбе ультрадисперсных частиц в легких».
При диаметре менее 100 нанометров ультратонкие частицы имеют небольшой размер и большую относительную площадь поверхности, чтобы нанести ущерб клеткам и потенциально попасть в кровоток. Исследования других групп показали, что сверхтонкие частицы оказывают неблагоприятное воздействие на легкие и сердечно-сосудистую систему, усиливая окислительный стресс в организме.
Из-за размера частиц лабораторным методам трудно отличить углерод в загрязняющих веществах от углерода в тканях. Поэтому мало что известно о поверхностном заряде и состояниях агломерации, двух ключевых физических и химических свойствах, влияющих на то, как частицы углерода взаимодействуют с живыми тканями.
Чтобы начать моделирование ультрадисперсных частиц, Эстель Дюранти, еще один автор исследования, обратилась к флуоресцентным углеродным наноточкам, легированным азотом и комбинацией азота и серы, с разными размерами и зарядами. Затем команда применила эти наноточки к верхнему слою выращенной в лаборатории эпителиальной ткани, где газообмен обычно происходит в легких.
Поскольку обычным флуоресцентным микроскопам не хватает разрешения для визуализации таких мелких частиц, группа использовала спектроскопию и ультрафиолетовый свет для обнаружения и количественного определения наноточек, когда они мигрировали из просвета мимо иммунных клеток модели легкого. Как и ожидали исследователи, заряженные частицы имеют тенденцию слипаться, прежде чем проникнуть через газообменный барьер. В то время как большинство нейтрально заряженных наноточек прошло через ткань всего через час, только 20 процентов агломерированных заряженных частиц проникли в эпителий..
Ротен-Рутисхаузер сказала, что надеется улучшить наноточки, чтобы они лучше имитировали сверхмелкие частицы. «Мы видим, что транслокация зависит от состояния агрегации», - сказал Ротен-Рутисхаузер. «Мы надеемся продолжить испытания наноточек разных размеров, в том числе других типов частиц, которые приближают нас к реальной среде».