Tiskane izdaje
Raziskovalci laboratorija za biofiziko, ki je del odseka za fiziko trdne snovi na Institutu Jožef Stefan, so pred kratkim zagnali nov superločljivi dvofotonski mikroskop STED, prvo tovrstno komercialno napravo na svetu, in z njim na živem pljučnem epiteliju že po nekaj mesecih dela prvič neposredno potrdili za zdravje nevaren pojav lipidnega ovijanja nanodelcev.
»Pred kratkim nameščen mikroskop STED, ki omogoča izjemno visoko ločljivost, že daje tudi prve izjemne rezultate. Z njim smo sodelavci odseka za trdne snovi v le nekaj mesecih neposredno, 'v živo' potrdili za zdravje nevarno lipidno ovijanje nanodelcev. To smo prej z različnimi metodami manj učinkovito poskušali razvozlati več kot šest let,« pojasnjuje vodja laboratorija za biofiziko prof. dr. Janez Štrancar.
Odkritje, pomembno predvsem za razumevanje možnih nadaljnjih zdravstvenih zapletov, bo omogočilo razvoj terapevtskih postopkov, s katerimi bi tako razgradnjo ustavili oziroma po izpostavitvi nanodelcem odpravili škodo v pljučih.
Seveda tudi širšo javnost vse bolj zanima, kako je z nanodelci v okolju, kjer so sicer že od nekdaj, vendar so danes drugačni in jih je več. Sodelavci odseka za fiziko trdne snovi so v zadnjih letih z meritvami pokazali, kako se količina nanodelcev v okolju skokovito poveča, na primer med ognjemeti. Z nanodelci, ki sicer nastajajo zaradi gorenja, trenja, obrabe in različnih drugih mehanskih in kemijskih procesov, so obremenjeni tudi v proizvodnih in drugih delovnih okoljih.
Nanodelci v zraku – in pljučih
Za človeka je lahko tvegano vdihavanje teh delcev, manjših od mikrometra. V pljučih so namreč celice od zraka ločene s tako imenovanim surfaktanskim slojem, ki omogoča raztezanje pljuč brez pretiranega napora. Ko nanodelci z dihanjem vstopijo v pljuča, pridejo najprej v stik s tem slojem. Ob večji izpostavljenosti nanodelcem surfaktanski sloj razpade, kar lahko močno oteži dihanje.
»Biofizikalne procese, ki se dogajajo med nanodelci in različnimi celicami, smo v zadnjih letih precej raziskovali. S problematiko pa smo se srečali bolj po naključju – med raziskovanjem rakavih celic. Le nekaj ur po dodatku nanomaterialov so namreč celice kar naenkrat izgubile membrano, pri čemer pa so bili mitohondriji, nekakšne celične elektrarne, še vedno živi. To je bilo presenetljivo, saj naj bi se procesi razgradnje poškodovane celice začeli od znotraj. V omenjenem primeru pa je bilo ravno obratno,« razlaga dr. Štrancar.
Prof. dr. Janez Štrancar pred novim superločljivim dvofotonskem mikroskopom na IJS v Ljubljani. Foto: Dragica Bošnjak
Kot biofiziki so se zato posvetili vprašanju, ali je lahko za omenjena opažanja kriva interakcija med nanomateriali in prvo komponento, s katero pridejo v stik, se pravi z lipidi, molekulami, ki tvorijo celični ovoj. Izdelali so umetne celice in poskus z dodanimi nanodelci je pokazal, da se ti zelo hitro, celo v nekaj minutah, najprej nalepijo na membrane in jih nato tudi razgradijo. Iz tega so sklepali, da se lahko podobno zgodi vsem lipidnim strukturam, tudi tistim v pljučih.
Za dokaze nujna dovolj zmogljiva oprema
Ugotovitve so bile zelo pomembne, vendar so v tej fazi raziskav temeljile le na posrednih dokazih. Ključna težava je bila v tem, da s takratno opremo, sicer široko uporabno fluorescenčno mikroskopijo in mikrospektroskopijo, zaradi premajhne ločljivosti tako majhnih nanodelcev in njihovega 'oblačenja' niso mogli opazovati in trdno dokazati.
V nadaljevanju so prof. Štrancar in njegovi sodelavci dr. Tilen Koklič, dr. Maja Garvas, dr. Iztok Urbančič, doc. Zoran Arsov, dr. Polona Umek, Hana Majaron in Boštjan Kokot uporabili najprej presevno elektronsko mikroskopijo, ki pa je med pripravo zaradi nefizioloških pogojev vzorec preveč spremenila. Nato so stik poskušali dokazati še s fluorescenčno korelacijsko spektroskopijo, vendar pri teh tehniki ni mogoče spremljati izbranih nanodelcev.
»Pri vseh fizioloških eksperimentih nas je najbolj omejevala premajhna ločljivost opreme. Za lažje razumevanje si lahko predstavljate, da je potrditev stika med membrano celic in nanodelci s takrat razpoložljivo mikroskopsko opremo nekaj takega, kot če bi na slabi, od daleč posneti panoramski fotografiji Ljubljane skušali ugotoviti, ali se stožiški stadion in sosednja stolpnica WTC dotikata ali ne,« slikovito ponazori sogovornik. Z novo zmogljivo opremo pa jim je nato v zelo kratkem času uspelo dokazati omenjene procese v živem tkivu, kar doslej z nobenim pristopom ni bilo mogoče.
Rešitev je bila mikroskopija STED, to je metoda, za katero je bila pred komaj nekaj leti podeljena Nobelova nagrada.
»Oprema nam pri nepredstavljivih 80 milijonih slikovnih točk omogoča izredno podrobne prikaze bioloških procesov in spremljanje stikov živih celic z različnimi nanodelci. Z računalniško obdelavo slik lahko jasno razlikujemo med nanodelci in gradniki membran. Če na primer slednje prikažemo z zeleno, nanodelce pa z rdečo, in se v isti točki pojavita obe barvi, torej rumeno oranžna, to pomeni, da sta lipidna membrana in nanodelec v isti točki, ki je lahko velika le 30 nanometrov. Pri enaki velikosti nanodelcev to lahko pomeni le eno – nanodelci so prilepljeni na membrane,« razlaga dr. Štrancar.
S to opremo je zato mogoče jasno prikazati manjše ali večje agregate v celoti, le delno z lipidi 'oblečene' nanodelce, pa tudi stanje prizadetih membran, kar je nadvse uporabno pri spremljanju poškodb celice.
Poškodbe se kopičijo,
Vse posledice delovanja različnih nanodelcev na organizem še zdaleč niso raziskane. Razumljivo pa je, da se zelo majhni nanodelci zlahka razpršijo po zraku in najbolj ogrozijo pljuča. Ko se te snovi v njih nakopičijo in poškodujejo epitelij, površinski sloj, to lahko postopoma vse bolj otežuje dihanje. Nanodelci sicer lahko poškodujejo tudi endotelijski sloj krvožilnega sistema in druge strukture v bližini.
Že znani in novi nanodelci, povezani z razvojem sodobnih tehnologij in materialov, v stiku z biološkimi 'sistemi', torej celicami in tkivi, po svoje presenetijo človekov imunski sistem, ki se odziva na virusne in bakterijske vsiljivce ter se jih večinoma uspešno ubrani. Toda ko se poskuša enako – z imunskim odzivom – upreti nanodelcem, koncept odpove, ker za to preprosto ni pripravljen; telo namreč nanodelcev ne zna razgraditi. Celice, odgovorne za obrambo in razgradnjo tujkov, pri tem po nepotrebnem trošijo energijo – na neki način se napačno odzivajo na neznano – in po različnih neuspelih poskusih razgradnje sprožijo le programe 'samouničenja'. To pa telo čedalje bolj izčrpava.
Raziskave z nasprotujočimi
Laboratorij za biofiziko v projektu SmartNanoTox pokriva molekularne raziskave, druge skupine iščejo odgovore na vprašanja na ravni celic, tkiv in celotnega organizma, tako eksperimentalno kot teoretično. Ko bo končan, naj bi tako razumeli celotno verigo dogodkov od začetnih molekularnih, tudi povsem fizikalne narave, do končnih, v katerih se že zaznajo bolezenska stanja telesa. Že doslej je nekaj skupin raziskalo in pojasnilo stvari, ki jih s prejšnjim znanjem in opremo ni bilo mogoče.
Kako z nanomateriali
