Compte tenu de la demande croissante de nanoparticules artificielles en médecine et dans l'industrie, il est important que les fabricants comprennent exactement comment ces particules influencent les fonctions corporelles et quels mécanismes sont en jeu – des questions sur lesquelles les connaissances sont insuffisantes.

Des études sur des patients cardiaques ont montré depuis des décennies que les particules ont un effet négatif sur le système cardiovasculaire. Encore, il restait difficile de savoir si les nanoparticules font leurs dégâts directement ou indirectement, par exemple par des processus métaboliques ou des réactions inflammatoires. Les réactions du corps sont tout simplement trop complexes.

En utilisant un cœur dit de Langendorff – un cœur de rongeur isolé rincé avec une solution nutritive à la place du sang – des scientifiques du Helmholtz Zentrum Muenchen et de la TU Muenchen ont pu pour la première fois montrer que les nanoparticules ont un effet clairement mesurable sur le cœur. . Lorsqu'il est exposé à une série de nanoparticules artificielles couramment utilisées, le cœur réagissait à certains types de particules avec une augmentation de la fréquence cardiaque, arythmie cardiaque et valeurs ECG modifiées typiques des maladies cardiaques. "Nous utilisons le cœur comme détecteur, " explique le professeur Reinhard Nießner, Directeur de l'Institut d'hydrochimie de la TU Muenchen. "De cette façon, nous pouvons tester si des nanoparticules spécifiques ont un effet sur la fonction cardiaque. Une telle option n'existait pas jusqu'à présent."

Les scientifiques peuvent également utiliser ce nouveau cœur modèle pour faire la lumière sur le mécanisme par lequel les nanoparticules influencent la fréquence cardiaque. Pour ce faire, ils ont amélioré la configuration expérimentale de Langendorff pour permettre à la solution nutritive d'être réintroduite dans la boucle une fois qu'elle a traversé le cœur. Cela permet aux scientifiques d'enrichir les substances libérées par le cœur et de comprendre la réaction du cœur aux nanoparticules.

Selon Stampfl et Nießner, il est très probable que le neurotransmetteur noradrénaline soit responsable de l'augmentation du rythme cardiaque provoquée par les nanoparticules. La noradrénaline est libérée par les terminaisons nerveuses de la paroi interne du cœur. Il augmente la fréquence cardiaque et joue également un rôle important dans le système nerveux central – une indication que les nanoparticules pourraient également y avoir un effet néfaste.

Stampfl et son équipe ont utilisé leur modèle de cœur pour tester des nanoparticules de noir de carbone et de dioxyde de titane, ainsi que du carbone généré par étincelles, qui sert de modèle pour les polluants atmosphériques issus de la combustion du diesel. En outre, dioxyde de silicone, différentes silices Aerosil utilisées, par ex. comme épaississants en cosmétique, et le polystyrène ont été testés. Noir carbone, carbone généré par étincelle, le dioxyde de titane et le dioxyde de silicium ont entraîné une augmentation de la fréquence cardiaque jusqu'à 15 % avec des valeurs ECG modifiées qui ne se sont pas normalisées, même après la fin de l'exposition aux nanoparticules. Les silices Aerosil et le polystyrène n'ont montré aucun effet sur la fonction cardiaque.

Ce nouveau modèle de cœur pourrait s'avérer particulièrement utile en recherche médicale. Ici, les nanoparticules artificielles sont de plus en plus utilisées comme véhicules de transport. Leurs surfaces intrinsèquement grandes offrent des bases d'amarrage idéales pour les agents actifs. Les nanoparticules transportent ensuite les actifs jusqu'à leur destination dans le corps humain, par exemple. une tumeur. La plupart des prototypes initiaux de ces « nano-conteneurs » sont à base de carbone ou de silicate. Jusque là, l'effet de ces substances sur le corps humain est largement inconnu. Le nouveau modèle cardiaque pourrait ainsi servir d'organe de test pour aider à sélectionner les types de particules qui n'affectent pas le cœur de manière négative.

Les nanoparticules artificielles sont également utilisées dans de nombreux produits industriels – certains depuis des décennies. Leur petite taille et leurs grandes surfaces (par rapport à leur volume) confèrent à ces particules des caractéristiques uniques. La grande surface de dioxyde de titane (TiO2), par exemple, conduit à un indice de réfraction élevé qui fait apparaître la substance d'un blanc brillant. Il est ainsi souvent utilisé dans les peintures de revêtement blanc ou comme bloqueur d'UV dans les crèmes solaires. Le noir de carbone est également une nanoparticule largement utilisée (principalement dans les pneus de voiture et les plastiques) avec plus de 8 millions de tonnes produites chaque année. La petite taille de ces nanoparticules (elles ne mesurent que 14 nanomètres de diamètre) les rend bien adaptées comme colorants, par exemple. dans les imprimantes et les copieurs.

Avec leur cœur Langendorff rehaussé, les chercheurs ont maintenant développé pour la première fois une configuration de mesure qui peut être utilisée pour analyser les effets des nanoparticules sur un ensemble complet, organe intact sans être influencé par les réactions d'autres organes. Le cœur est un objet de test particulièrement bon. "Il a son propre générateur d'impulsions, le nœud sinusal, lui permettant de fonctionner en dehors du corps pendant plusieurs heures, " Andreas Stampfl, premier auteur de l'étude, explique. "En outre, les changements dans la fonction cardiaque peuvent être clairement reconnus à l'aide de la fréquence cardiaque et de l'ECG."

"Nous avons maintenant un modèle d'organe supérieur qui peut être utilisé pour tester l'influence des nanoparticules artificielles, " Nießner explique plus loin. " La prochaine chose que nous voulons faire est de découvrir pourquoi certaines nanoparticules influencent la fonction cardiaque, tandis que d'autres n'influencent pas du tout le cœur." Le processus de fabrication et la forme peuvent jouer un rôle important. Par conséquent, les scientifiques prévoient d'autres études pour examiner les surfaces de différents types de nanoparticules et leurs interactions avec les cellules de la paroi cardiaque.