Die Forscher fanden heraus, dass einige häufig verwendete Nanopartikel die Herzfrequenz, den Rhythmus und die EKG-Werte eines Testherzens negativ beeinflussten.
Mit einem isolierten Testherz eines Nagetiers konnten die Wissenschaftler erstmals nachweisen, dass einige Nanopartikel messbar und negativ auf das Herz wirken. Nanopartikel sind hergestellte Partikel - mit einer Breite, die viel kleiner ist als die eines menschlichen Haares -, die heutzutage in vielen modernen Produkten wie Sonnenschutzmitteln verwendet werden und auch in der Forschung in Bezug auf zukünftige Produkte, beispielsweise zukünftige Medikamente, weit verbreitet sind.
Diese Wissenschaftler kommen vom Helmholtz Zentrum München und der Technischen Universität München (TUM). Sie verwendeten ein Lagendorff-Herz als Testherz. Bei Exposition gegenüber einer Reihe üblicher künstlicher Nanopartikel reagierte das Herz auf bestimmte Typen mit einer erhöhten Herzfrequenz, Herzrhythmusstörungen und veränderten EKG-Werten, die für Herzkrankheiten typisch sind.
Titandioxid - in Sonnenschutzmitteln und weißen Farben verwendet - und Siliziumdioxid führten zu einer Erhöhung der Herzfrequenz um bis zu 15 Prozent bei veränderten EKG-Werten, die sich auch nach Beendigung der Exposition mit Nanopartikeln nicht normalisierten. Dieses Bild zeigt kohlenstoffbeschichtete Ti02-Nanopartikel, die für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt wurden. Bildnachweis: Argonne National Laboratory
Reinhard Nießner, Direktor des Instituts für Hydrochemie an der TUM, erklärte:
Wir benutzen das Herz als Detektor. Auf diese Weise können wir testen, ob bestimmte Nanopartikel einen Einfluss auf die Herzfunktion haben. Eine solche Option gab es bisher nicht.
Nießner, Andreas Stampfl und Team haben ihre Studie in der ACS Nano-Ausgabe vom 1. Juni 2011 veröffentlicht.
Künstliche Nanopartikel sind im modernen Leben allgegenwärtig. Ihr Einfluss auf unsere Gesundheit und die Mechanismen, durch die sie auf den Körper einwirken, bleibt jedoch rätselhaft.
Kohlenstoff-Nanoröhren. Bildnachweis: Argonne National Laboratory
Studien an Herzpatienten haben seit Jahrzehnten gezeigt, dass Feinstaub das Herz-Kreislauf-System negativ beeinflusst. Es blieb jedoch unklar, ob Nanopartikel direkt oder indirekt Schaden anrichten - zum Beispiel durch Stoffwechselvorgänge oder Entzündungsreaktionen.
Mit dem Testherz können Wissenschaftler den Mechanismus aufklären, durch den die Nanopartikel die Herzfrequenz beeinflussen. Zu diesem Zweck verbesserten sie den Versuchsaufbau von Langendorff, damit die Nährlösung (die das Blut für das Experiment ersetzt) in den Kreislauf zurückfließen kann, sobald sie durch das Herz geflogen ist. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler die vom Herzen freigesetzten Substanzen überwachen und die Reaktion des Herzens auf die Nanopartikel nachvollziehen.
Ein Langendorff-Herzenssetup. Bildnachweis: Andreas Stampfl / ACS Nano
Laut Stampfl und Nießner ist der Neurotransmitter Noradrenalin sehr wahrscheinlich für die durch Nanopartikel verursachte Herzfrequenzerhöhung verantwortlich. Noradrenalin wird durch Nervenenden in der Innenwand des Herzens freigesetzt. Es erhöht die Herzfrequenz und spielt auch eine wichtige Rolle im Zentralnervensystem - ein Hinweis, dass Nanopartikel dort auch schädlich wirken könnten.
Stampfl und sein Team testeten mit ihrem Herzmodell Ruß und Titandioxid-Nanopartikel sowie funkenerzeugten Kohlenstoff, der als Modell für luftgetragene Schadstoffe aus der Dieselverbrennung dient. Außerdem testeten sie Siliziumdioxid, verschiedene Aerosil-Kieselsäuren (als Verdickungsmittel in Kosmetika verwendet) und Polystyrol.
Ruß, funkenerzeugter Kohlenstoff, Titandioxid und Siliziumdioxid führten zu einer Erhöhung der Herzfrequenz um bis zu 15 Prozent bei veränderten EKG-Werten, die sich auch nach Beendigung der Exposition mit Nanopartikeln nicht normalisierten. Die Aerosil-Kieselsäuren und Polystyrol zeigten keinen Einfluss auf die Herzfunktion.
Ein Rasterelektronenmikroskop hat dieses Bild von Platin-Nanopartikeln auf den Oberflächen von Strontium-Titinat-Nanowürfeln aufgenommen. Bildnachweis: Argonne National Laboratory
In der medizinischen Forschung werden künstliche Nanopartikel zunehmend als Transportmittel eingesetzt. Ihre im Vergleich zum Volumen großen Oberflächen bieten ideale Andockmöglichkeiten für Wirkstoffe. Die Nanopartikel transportieren die Wirkstoffe zu ihrem Bestimmungsort im menschlichen Körper (beispielsweise einem Tumor). Die meisten ersten Prototypen solcher „Nanobehälter“ basieren auf Kohlenstoff oder Silikat. Bisher ist die Wirkung dieser Substanzen auf den menschlichen Körper weitgehend unbekannt. Das neue Herzmodell könnte daher als Testorgan für die Auswahl der Partikeltypen dienen, die das Herz nicht negativ beeinflussen.
Künstliche Nanopartikel kommen auch in vielen Industrieprodukten zum Einsatz - zum Teil seit Jahrzehnten. Ihre geringe Größe und große Oberfläche machen diese Partikel einzigartig. Beispielsweise führt die große Oberfläche von Titandioxid (TiO2) zu einem großen Brechungsindex, der die Substanz strahlend weiß erscheinen lässt. Es wird daher häufig in weißen Anstrichfarben oder als UV-Blocker in Sonnenschutzmitteln verwendet. Sogenannter Ruß ist auch ein weit verbreitetes Nanopartikel (hauptsächlich in Autoreifen und Kunststoffen), das jährlich über 8 Millionen Tonnen produziert. Die geringe Größe dieser Nanopartikel (sie messen nur 14 Nanometer im Durchmesser) macht sie für Farbstoffe wie in Er- zeugern und Kopiergeräten gut geeignet.
Nießner sagte:
Als nächstes wollen wir herausfinden, warum einige Nanopartikel die Herzfunktion beeinflussen, während andere das Herz überhaupt nicht beeinflussen.
Sowohl der Herstellungsprozess als auch die Form können eine wichtige Rolle spielen. Die Wissenschaftler planen weitere Studien, um die Oberflächen verschiedener Arten von Nanopartikeln und ihre Wechselwirkungen mit den Zellen der Herzwand zu untersuchen.
Fazit: Die Wissenschaftler Reinhard Nießner, Andreas Stampfl und das Team vom Helmholtz Zentrum München und der Technischen Universität München (TUM) konnten erstmals nachweisen, dass einige Arten von Nanopartikeln messbare und negative Auswirkungen auf das Herz haben. Ihre Studie erschien in der Ausgabe vom 1. Juni 2011 von ACS Nano. Diese Arbeit könnte Forschern Aufschluss darüber geben, welche Arten von Nanopartikeln für die Verwendung in Produkten ungeeignet sind.