Kulstofnanorør påvirker lunger og blodbaner

Kulstofnanorør er et nyt nanoteknologisk materiale med attraktive tekniske egenskaber. Men brugen af kulstofnanorør giver også anledning til bekymring, fordi de lange, uopløselige fibre kan spredes i luften og indåndes. Et nyt ph.d.-studie viser, at forskellige typer af kulstofnanorør udløser samme respons, som kan øge risikoen for udvikling af hjertekarsygdomme.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2016 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af Sarah Søs Poulsen¹, Anne T. Saber¹, Nicklas R. Jacobsen¹, Håkan Wallin^1,2 og Ulla Vogel^1,3

1 Det Nationale Forskningscenter for Arbejdsmiljø
2 Institut for Folkesundhedsvidenskab, Københavns Universitet
3 Nanotech, Danmarks Tekniske Universitet

Kulstofnanorør er dannet af en til flere grafenark, der er rullet op til bittesmå rør. De anses for at være nanomaterialer, fordi deres diametre er i nanostørrelse. Samtidig kan de være op til flere millimeter lange, hvilket betyder, at de har et meget højt aspektforhold (forholdet mellem længde og diameter) og kan have en fiberlignende struktur ligesom asbest. Kulstofnanorørs fysisk-kemiske egenskaber (længde, tykkelse, elektrisk ledningsevne, overfladefunktionalisering og indhold af urenheder fra metaller) kan varieres i det uendelige. Det er denne alsidighed både i struktur og kemi, der gør kulstofnanorør brugbare inden for en lang række industrier. Kulstofnanorør bruges allerede i sportsudstyr, elektriske komponenter, byggematerialer og medicinsk udstyr. Det har øget produktion af kulstofnanorør voldsomt og dermed også øget risikoen for, at mennesker bliver eksponeret for kulstofnanorør f.eks. i arbejdsmiljøet.

Et forsøg i mus
For at undersøge effekten af kulstofnanorørs fysisk-kemiske egenskaber på deres toksicitet i lungerne og blodbanen, blev hunmus eksponeret med en enkelt dosis af en af to typer kulstofnanorør, som blev deponeret i lungerne på musene. Vi valgte to meget forskellige typer kulstofnanorør og kaldte dem CNT_Small og CNT_Large, pga. deres forskellige fysisk-kemiske egenskaber, figur 1.
CNT_Small er korte, bøjede kulstofnanorør med små diametre, stort overfladeareal og et forholdsvist stort indhold af urenheder fra metaller, figur 1A. CNT_Large er derimod lange, lige og tykke (større diameter) og har et forholdsvist lille overfladeareal og et lavt indhold af urenheder fra metaller. I modsætning til CNT_Small har CNT_Large en mere fiberlignende struktur, figur 1B. I vores forsøg blev mus eksponeret for tre forskellige doser af CNT_Small eller CNT_Large, og ændringerne i musenes lunger og blod blev undersøgt 1, 3 eller 28 dage efter eksponeringen.

Meget ens respons i lungerne
I lungerne undersøgte vi farligheden af kulstofnanorørene ved at analysere antallet af inflammatoriske celler i lungeskyllevæske og ved at kortlægge, hvilke gener der blev op- eller nedreguleret i lungevæv fra de eksponerede mus. På grund af den fiberlignende struktur hos CNT_Large forventede vi, at denne type kulstofnanorør ville være mere farlig for musene end CNT_Small. Men faktisk udløste eksponeringen for de to kulstofnanorør stort set de samme ændringer i genudtrykket i musene, hvoraf inflammation og akutfaseresponset var de mest regulerede processer. Samtidig var akutfaseresponsgenet Serum amyloid A3 (Saa3) det mest differentielt regulerede af alle gener, både efter eksponering for CNT_Small og CNT_Large. Vores observationer på genniveau blev understøttet af målinger, der viste en akkumulering af inflammatoriske celler i lungevæsken ved alle doser og tidspunkter efter eksponering for både CNT_Small eller CNT_Large.

Systemiske ændringer
De inflammations- og akutfaseproteiner, der dannes i lungerne, kan komme i cirkulation i blodbanen, så hele kroppen påvirkes. Vi ønskede derfor at undersøge, om det observerede, stærke akutfaserespons i lungerne ændrede niveauet af akutfaseresponsproteinet SAA3 i blodet. SAA3 blev valgt, da det som tidligere nævnt var det mest regulerede gen i lungerne efter eksponering for CNT_Small og CNT_Large. Eksponeringen for både CNT_Small og CNT_Large forårsagede øget SAA3-niveau i blodet hos musene, figur 2. Den største stigning blev observeret tre dage efter eksponering, og niveauerne af SAA3-protein var stadig forøgede på dag 28. Samtidig var der en lineær korrelation mellem niveauet af lunge-Saa3 mRNA og niveauet af SAA3-protein i blodplasmaet. Det indikerer, at SAA3-proteinerne i blodet stammer fra lungen. Men hvilken betydning kan højere niveauer af akutfaseresponsproteinet SAA have for organismen?

Akutfaseresponset
Et akutfaserespons opstår ved akutte og kroniske inflammatoriske tilstande som f.eks. bakterielle infektioner, beskadigelse af væv og vævsdød [1]. Under disse forhold stiger niveauet af akutfaseproteiner i blodet, herunder SAA, som kan være op til 1.000 gange højere end normalt. Det medfører en række biologiske ændringer, bl.a. øget tiltrækning af inflammatoriske celler [2,3] og ændring i lipoproteinerne i blodet [4,5]. SAA kan bl.a. binde sig til high-density lipoprotein (HDL), hvilket mindsker proteinets evne til at fjerne kolesterol fra blodvæggen og organerne. Herved ophobes kolesterol i kroppens primære ”ædeceller”, kaldet makrofager.
Forsøg har vist, at makrofager kan blive omdannet og bidrage til åreforkalkning, hvis de bliver stimuleret af rent SAA-protein eller af SAA bundet til HDL [6]. Ligeledes har forsøg i mus vist, at mus med høj produktion af SAA1 havde mere åreforkalkning end mus med en normal produktion af SAA1 [7].

Øget risiko for hjertekarsygdom
Vores resultater viste en længerevarende stigning i SAA3-niveauerne i blodplasmaet efter eksponering for de to meget forskellige kulstofnanorør. Øgede SAA-niveauer i blodet er blevet associeret med forøget risiko for hjertekarsygdomme i epidemiologiske studier [8,9]. Ligeledes er forøgede blodniveauer af kolesterol og low-density lipoprotein (LDL), også kaldet ”dårligt kolesterol”, blevet identificeret som risikofaktorer for hjertekarsygdomme. Vi undersøgte derfor mængden af kolesterol og LDL i blodet på musene og observerede en stigning af begge efter eksponering for CNT_Small og CNT_Large. Forøgelsen af SAA3-protein, kolesterol og LDL i blodet på musene var uafhængig af kulstofnanorørenes fysisk-kemiske egenskaber, da eksponering for både CNT_Small og CNT_Large forårsagede de samme forandringer.
De kombinerede resultater fra vores lunge- og systemiske undersøgelser indikerer derfor, at udsættelse for kulstofnanorør via lungerne øger risikoen for åreforkalkning på grund af et kraftigt akutfaserespons og deraf øget risiko for hjertekarsygdomme, figur 3.
Dette vigtige aspekt ved kulstofnanorørs toksicitet burde indgå i den helbredsmæssige vurdering af kulstofnanorør på lige fod med andre biomarkører som inflammation, fibrose og kræft.

Denne artikel er tidligere bragt i bladet ”Miljø og Sundhed” i december 2015 i en længere version.

Ph.d.-afhandlingen ”A toxicogenomic approach for toxicity assessment of pulmonary MWCNT exposure” er tilgængelig på Roskilde Universitets bibliotek, RUB.

Referencer

• C. Gabay, I. Kushner, N. Engl. J Med. 340, 448 (1999).
• T.S. Liang, J.M. Wang, P.M. Murphy, J.L. Gao, Biochem Biophys Res Commun 270, 331 (2000).
• R. Badolato et al., J Exp. Med. 180, 203 (1994).
• V.G. Cabana, J.R. Lukens, K.S. Rice, T.J. Hawkins, G.S. Getz, J Lipid Res 37, 2662 (1996).
• V.G. Cabana, C.A. Reardon, B. Wei, J.R. Lukens, G.S. Getz, J Lipid Res 40, 1090 (1999).
• H.Y. Lee et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 433, 18 (2013).
• Z. Dong et al., Mol. Med. 17, 1357 (2011).
• P.M. Ridker, C.H. Hennekens, J.E. Buring, N. Rifai, N. Engl. J Med. 342, 836 (2000).
• P. Elliott et al., JAMA 302, 37 (2009).
• S.S. Poulsen et al., Toxicol. Appl. Pharmacol. 284, 16 (2015).
• S.S. Poulsen et al., Toxicol. Appl. Pharmacol. 283, 210 (2015).