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Nanopartikel lassen Herzen schneller schlagen

Künstliche Nanopartikel begegnen uns immer häufiger im Alltag: Sie befinden sich u.a. in Schuhsprays, Sonnencremes und Kunststoffen. Dass sich die winzigen Teilchen direkt negativ auf den Körper auswirken können, haben nun Forscher gezeigt. Ein Modellherz schlug deutlich schneller und unregelmäßiger, nachdem sie ihm Nanopartikel zugeführt hatten.

Technologie 01.08.2011

Die Studie:

"Langendorff Heart: A Model System To Study Cardiovascular Effects of Engineered Nanoparticles" ist in der Fachzeitschrift "ACSNano" erschienen.

Das Langendorff-Herz im Versuchsaufbau

Andreas Stampfl / ACSnano, American Chemical Society

Das Langendorff-Herz im Versuchsaufbau

Zwar stellen Studien an Herzpatienten bereits seit Jahrzehnten eine schädliche Wirkung von Feinstaub aus der Luft auf das Herz-Kreislaufsystem fest, doch ob die Schäden direkt durch die Nanopartikel ausgelöst werden oder indirekt, zum Beispiel durch Stoffwechselprozesse oder Entzündungsreaktionen, ließ sich nicht feststellen. Die Reaktionen des Körpers sind hierzu zu komplex.

Voll funktionsfähiges Modellherz

Um diese Komplexität zu reduzieren, haben die Forscher des Helmholtz Zentrums München und der TU München nun ein sogenanntes Langendorff-Herz adaptiert und untersucht. An dem isolierten, mit Nährlösung als Blutersatz durchspülten Nagerherz konnten sie nachweisen, dass künstliche Nanopartikel eine deutlich messbare Wirkung haben.

Die Ergebnisse lassen sich auch auf den Menschen übertragen, wie der Physiker Andreas Stampfl gegenüber science.ORF.at erklärt. Bei ihrer Forschung habe es sich aber nicht um eine Abschätzung möglicher Risiken gehandelt, sondern um die Klärung grundlegender Mechanismen, so der Erstautor der aktuellen Studie.

Ausschüttung von Stresshormon

Die Forscher setzten das Herz einer Reihe gängiger künstlicher Nanopartikel aus und beobachteten, dass es bei einigen von ihnen mit einer erhöhten Frequenz, Rhythmusstörungen und veränderten EKG Werten, wie sie für Herzerkrankungen typisch sind, reagierte.

Verantwortlich dafür ist nach Ansicht von Stampfl sehr wahrscheinlich der Botenstoff Noradrenalin, der von Nervenzellendungen im Herzen ausgeschüttet wird. Er beschleunigt die Herzfrequenz und spielt auch im zentralen Nervensystem eine wesentliche Rolle - ein Hinweis darauf, dass Nanopartikel auch hier eine schädliche Wirkung haben könnten.

Nanoteilchen in der Industrie

In zahlreichen Industrieprodukten werden künstlich hergestellte Nanopartikel eingesetzt. Ihre geringe Größe und ihre im Vergleich zum Volumen große Oberfläche verleiht den Partikeln einzigartige Eigenschaften: Die große Oberfläche von Titandioxid (TiO2) etwa sorgt für einen hohen Lichtbrechungsindex, der die Substanz strahlend weiß erscheinen lässt. Es wird daher oft als weiße Deckfarbe oder als UV-Blocker in Sonnencremes verwendet. Eine große Bedeutung hat auch der sogenannte Flammruß, von dem jährlich mehr als acht Millionen Tonnen produziert werden. Er findet sich vor allem in Autoreifen und in Plastik. Die geringe Größe der nur 14 Nanometer großen Teilchen macht sie zudem zu einem geeigneten Färbemittel - beispielsweise für Druckerfarbe in Fotokopierern.

Verschiedene Partikel, verschiedene Reaktionen

An ihrem Herzmodell testeten Stampfl und sein Team die Nanopartikel Flammruß und Titandioxid sowie funkenerzeugten Kohlenstoff, der als Modell für Luftschadstoffe aus der Dieselverbrennung dient. Auch Siliziumdioxid, mehrere Aerosile, die beispielsweise als Verdickungsmittel in Kosmetika eingesetzt werden und der Kunststoff Polystyrol wurden untersucht.

Flammruß, funkenerzeugter Kohlenstoff, Titandioxid und Siliziumdioxid zeigten eine Erhöhung der Herzfrequenz von bis zu 15 Prozent und führten zu veränderten EKG-Werten, die sich auch nach der "Durchblutung" ohne Nanopartikel nicht normalisierten. Die Aerosile und das Polystyrol hingegen beeinflussten die Herzfunktion nicht.

"Warum es diese Unterschiede gibt, wissen wir noch nicht", sagte Stampfl gegenüber science.ORF.at. Die Herstellungsart künstlicher Nanopartikel und ihre Form könnten aber eine wichtige Rolle spielen. In folgenden Studien möchten die Wissenschaftler daher die Oberflächen der unterschiedlichen Nanoteilchentypen und deren Interaktion mit den Zellen der Herzwand genauer untersuchen.

Wichtig für Medizinforschung

Besonders hilfreich könnte das neue Messsystem vor allem für die Medizinforschung sein. Hier werden künstliche Nanopartikel immer öfter als Transportvehikel eingesetzt. Der Grund: Ihre große Oberfläche. An ihr lassen sich gut Wirkstoffe anheften, die von den Teilchen dann zu einem Zielort im Körper, etwa zu einem Tumor, transportiert werden.

Die ersten Prototypen solcher "Nanocontainer" bestehen meist aus Kohlenstoffen oder Silikaten - Substanzen über deren Wirkung im Körper bislang nichts bekannt ist. Das neue Herzmodell könnte als Testorgan dienen, um zukünftig diejenigen Partikeltypen auszuwählen, die das Herz nicht schädigen.

science.ORF.at

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