Dieses Transmissionselektronenmikroskopbild zeigt Kohlenstoffnanoröhren (dunkle Bereiche) innerhalb eines Zellkerns.

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler Kohlenstoffnanoröhren, die in menschliche Zellen eindringen und in diese wandern, direkt abgebildet. Dabei wurde festgestellt, dass die Frage, ob die Nanoröhren den Zelltod verursachen, von der Dosis und der Expositionszeit abhängt. Die Arbeit, die in der Online-Ausgabe von Nature Nanotechnology vom 28. Oktober veröffentlicht wurde, könnte zu besseren Methoden für die Bestimmung der Toxizität von Kohlenstoffnanoröhren für den Menschen führen.

Diese Studie ist die erste, die eindeutig zeigt, dass Kohlenstoffnanoröhren in das Zytoplasma und den Zellkern eindringen können.

In vielen Studien wurde die Toxizität von Kohlenstoffnanoröhren untersucht, wobei einige zu dem Schluss kamen, dass die Nanoröhren akut toxisch sind und andere nicht. Die Aufnahme von Kohlenstoffnanoröhren durch Zellen wurde jedoch noch nie direkt beobachtet, was die Genauigkeit dieser Studien in Frage stellt.

"Widersprüchliche Daten zu den toxischen Wirkungen einwandiger Kohlenstoffnanoröhren machen deutlich, dass alternative Methoden zur Untersuchung ihrer Aufnahme und zytotoxischen Wirkungen in Zellen erforderlich sind", sagte die führende Wissenschaftlerin Alexandra Porter von der Universität Cambridge in Großbritannien gegenüber PhysOrg.com . "Die direkte Beobachtung der zellulären Aufnahme einwandiger Kohlenstoffnanoröhren wurde jedoch durch Schwierigkeiten bei der Unterscheidung kohlenstoffbasierter Nanoröhren von kohlenstoffreichen Zellstrukturen behindert."

Porter und ihre Kollegen von der University of Cambridge und dem Daresbury Laboratory in Großbritannien verwendeten zwei Arten der Mikroskopie, um einwandige Kohlenstoffnanoröhren beim Eintritt in Makrophagen, die Zellen des menschlichen Immunsystems, abzubilden. Sie "beobachteten", wie die Nanoröhren in das Zytoplasma, bestimmte Organellen und die Kerne eindringen.

Die Gruppe entschied sich für Makrophagen, da sie in vielen Geweben des Körpers, einschließlich des Lungengewebes, die erste Verteidigungslinie gegen Fremdstoffe darstellen. Inhalierte Nanopartikel, wie Kohlenstoffnanoröhrchen in Pulverform, sollten von Makrophagen aufgenommen werden, die verhindern können, dass die Nanoröhrchen weiter in das körpereigene System, wie das Blut - und Lymphsystem, gelangen (Lymphe ist eine klare Flüssigkeit, die weiße Blutkörperchen und Blutkörperchen enthält) Gewebeabfälle, die Teil der körpereigenen Infektionsabwehr sind).

Die Zellen wurden sowohl angefärbt als auch ungefärbt analysiert, und die Ergebnisse wurden mit zwei gängigen Lebensfähigkeitstests oder "Assays" verglichen. Diese Assays messen den Gesundheitszustand der Zellen unter Verwendung verschiedener Marker und können daher unterschiedliche Ergebnisse liefern. Andererseits bestimmen die von den Wissenschaftlern verwendeten bildgebenden Verfahren den Zelltod, indem sie die Identifizierung klar definierter struktureller Veränderungen ermöglichen, und könnten daher eine wesentliche Ergänzung zu Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Toxizitätstests werden.

Die analysierten Zellen wurden über einen Zeitraum von zwei und vier Tagen mit Nanoröhrchenlösungen in Konzentrationen zwischen null (keine Nanoröhrchen) und 10 Mikrogramm (Millionstel Gramm) pro Milliliter behandelt.

Die Bilder zeigten, dass selbst Zellen, die den höchsten Nanoröhrchenkonzentrationen ausgesetzt waren, nach zwei Tagen noch relativ gesund waren; Es gab keine wesentlichen Unterschiede zwischen den Kontrollzellen, die nicht behandelt wurden, und den mit Nanoröhrchen behandelten Zellen. Nach vier Tagen führten jedoch bereits niedrigere Konzentrationen zu einer signifikanten Abnahme der Lebensfähigkeit der Zellen.

Nach zwei Tagen waren die Nanoröhren in die Lysosomen der Zellen eingedrungen, Organellen im Zytoplasma, die den Abbau von Stoffwechselstoffen und Fremdpartikeln in der Zelle verursachen. Nach vier Tagen waren die Nanoröhren miteinander verschmolzen; Einige hatten das Zytoplasma betreten und waren in den Zellkern gelangt.

"Die Aufnahme an diese Stellen impliziert, dass die Nanoröhren mit intrazellulären Proteinen, Organellen und DNA interagieren können, was ihr toxisches Potenzial erheblich steigern würde", sagte Porter.

Die beiden verwendeten Bildgebungstechniken sind Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und konfokale Mikroskopie. In TEM passiert ein Elektronenstrahl eine dünne Probe und erzeugt ein Bild, das auf einem fluoreszierenden Bildschirm, einem fotografischen Film oder einer Kamera nachgebildet wird. Bei der konfokalen Mikroskopie wird Licht verwendet, um den Kontrast eines Bildes zu erhöhen, indem alles Licht eliminiert wird, das nicht in der Brennebene des Bildes liegt, was zu einem viel schärferen Bild führt.

Zitiert von Alexandra E. Porter, Mhairi Gass, Karin Müller, Jeremy N. Skepper, Paul A. Midgley und Mark Well Nature. Nanotechnology advance online publication, 28. Oktober 2007 (doi: 10.1038 / nnano2007.347)

Copyright 2007 PhysOrg.com.
Alle Rechte vorbehalten. Dieses Material darf ohne die ausdrückliche schriftliche Genehmigung von PhysOrg.com weder ganz noch teilweise veröffentlicht, gesendet, umgeschrieben oder weiterverbreitet werden.