Группа исследователей из США предложила новый способ определения степени вреда, наносимого организму человека углеродными наноматериалами. Разработанная техника позволяет определить, насколько те или иные наноструктуры влияют на различные типы клеток в легких у грызунов. Как считают сами ученые, в перспективе методика позволит создавать более безопасные углеродные наночастицы.

Специализированные углеродные материалы, в число которых входят однослойные и многослойные углеродные нанотрубки (представляющие собой свернутые листы графена), графен (листы атомов углерода, образующих двумерную гексагональную кристаллическую решетку), оксид графена (GO), могут быть потенциально опасны для человека при вдыхании через легкие в больших количествах.

Совместная группа исследователей из University of California и Northwestern University (США) в рамках своей последней работы предложила методику количественной оценки вреда, наносимого каждым из типов наноматериалов, а также разработала способы прогноза степени фиброза легких, которую заданная концентрация определенного наноматериала вызывает у грызунов, подвергшихся его воздействию.

Для тестирования методики ученые специальным образом подготавливали углеродные наноматериалы. Однослойные нанотрубки производились с использованием методов, получивших названия Hipco и CoMoCAT.

Наноструктуры дополнительно очищались и покрывались полимерным плюроником (PF108) или бычьим сывороточным альбумином (БСА), что повышало их диспергирование в водном растворе, одновременно делая их более устойчивыми. Оксид графена и чистый графен также покрывались БСА и PF108.

Несмотря на различные физико-химические свойства, упомянутые углеродные наноструктуры имеют общую особенность: они могут повредить лизосомы и стимулировать фиброгенез легких у грызунов. На основе этой идеи исследователи построили ряд экспериментов, как в пробирке, так и на животных, которые позволили определить параметры общего «неблагоприятного пути развития событий» для всех изучаемых углеродных материалов. Выявленный процесс, в свою очередь, может быть использован для ранжирования различных материалов по степени опасности.

В ходе экспериментов исследователи обнаружили, что каждый из наноматериалов может вызывать в той или иной степени несколько биохимических реакций в легких животных.

Они производят интерлейкин 1b и трансформирующий фактор роста b1 в макрофагах и эпителиальных клетках, соответственно. Процесс в макрофагах происходит потому, что нанотрубки повреждают лизосомы в биологических клетках. При этом интерлейкин действует совместно с трансформирующим фактором роста, содействуя фиброзу легких.

Эксперименты в пробирке показали, что степень очистки и подготовка специализированных углеродных материалов (независимо от того, как они были синтезированы) влияет на производство упомянутых веществ. При этом исследователи обнаружили, что одна из подготовленных ими вариаций оксида графена оказалась наиболее сильно способствующей фиброгенезу, в то время как покрытые PF108 однослойные углеродные нанотрубки и графен не вызывают фиброгенеза вообще.

Полученные таким образом данные показывают, что

способ диспергирования наноматериалов в растворе и степень реактивности их поверхности играют ключевую роль в запуске фиброгенеза.

Таким образом, результаты работы могут быть полезны для ранжирования опасности при работе с наноматериалами, а также выработки поэтапного подхода для тестирования различных углеродных материалов.

В конечном счете, ученые планируют создать библиотеку специализированных углеродных материалов, имеющих определенные свойства (длина, пропорции, функциональность поверхности, поверхностные покрытия, дефекты, примеси, хиральность трубки, электронные свойства и т.п.). И проделанные исследования помогут им разработать более детальные количественные отношения структуры и активности материалов. Подобная база знаний, как они надеются, поможет принимать регулирующие решения в отношении безопасности углеродных материалов.

Подробные результаты работы были опубликованы в журнале ACS Nano.