Onderzoekers bepalen de belangrijkste factoren van de toxiciteit van koolstofnanobuisjes

Een onderzoeksteam van Skoltech maakte een systematische review van publicaties over in vitro biocompatibiliteit van koolstofnanobuisjes en identificeerde de productieparameters die ze veilig zouden kunnen maken voor levende organismen. De wetenschappers selecteerden ongeveer 200 artikelen die in de afgelopen 20 jaar zijn gepubliceerd en voerden een statistische analyse uit van het gerapporteerde onderzoek. Het bleek dat koolstofnanobuisjes die als substraat worden gebruikt, veilig zijn voor levende cellen en daarom kunnen worden gebruikt voor draagbare, implanteerbare en textiele elektronica. Het artikel met de bevindingen van het team werd gepubliceerd in het tijdschrift RSC-vooruitgang.

Koolstofnanobuisjes (CNT’s) zijn veelbelovend voor biomedische toepassingen: weefselmanipulatie en -regeneratie, gerichte medicijnafgifte, selectieve vernietiging van kankercellen, bio-imaging en nog veel meer. Dit is mogelijk vanwege de unieke combinatie van CNT-afmetingen op nanoschaal en hun uitzonderlijke mechanische, optische en elektrische eigenschappen. Meer dan 20 jaar geleden slaagden wetenschappers er voor het eerst in om nanobuisjes te verbinden met neuronen, een van de meest gevoelige biologische systemen. Hoewel hun studie een startpunt was voor verder onderzoek, volgden enkele controversiële resultaten: terwijl sommige studies alleen positieve effecten aan het licht brachten, wezen andere op de toxiciteit van het materiaal.

“Dit heeft geleid tot een paradox: wetenschappers hebben meerdere experimenten ondernomen om de toxiciteit van CNT’s te bestuderen, maar de toxische doses blijven nog steeds onduidelijk en de rapporten over biologische effecten lopen sterk uiteen. Dus besloten we een groot deel van het onderzoek te herzien om de belangrijkste parameters vast te stellen die de toxiciteit beïnvloeden,” Skoltech Ph.D. student Margarita Chetyrkina legt uit.

In hun recensie concentreerde het team zich op de artikelen over CNT-toxiciteit voor menselijke en andere zoogdiercellen en selecteerde 194 publicaties voor verdere analyse. Om de gepubliceerde gegevens te ordenen, introduceerden de onderzoekers aanvullende parameters ter vergelijking: celtype, gebruikte toxiciteitstest, incubatietijd, type contact tussen nanobuisjes en een levend systeem en geometrie. Het team gebruikte de gegevens om een ​​statistische analyse uit te voeren die verschillende belangrijke conclusies opleverde.

Er werd vastgesteld dat CNT’s die op een substraat zijn geplaatst, veilig zijn voor cellen: in 90% van de onderzoeken overleefden menselijke en zoogdiercellen die op CNT’s waren gekweekt het net zo goed als die in de referentiegroep. Dit leidt tot een gedurfde conclusie dat CNT’s veilig kunnen worden gebruikt in draagbare en textiele elektronica en implantaten voor spier- en zenuwweefsel.

De tests van CNT-dispersies leverden minder eenduidige resultaten op, waarbij substantiële bijdragen van de dosis, incubatietijd en verschillen in formuleringen werden onthuld. Toch hebben verschillende onderzoeken aangetoond dat opgeloste CNT’s onder bepaalde omstandigheden geschikt zijn voor gerichte medicijnafgifte, chemotherapie, biosensoronderzoek en weefselmanipulatie. Er is echter verder onderzoek nodig om erachter te komen hoe het materiaal interageert met levende systemen.

“We hopen dat onze review onderzoekers zal helpen om een ​​dieper inzicht te krijgen in de toxiciteit en biologische toepassingen van nanobuisjes, evenals bij het plannen van hun experimenten, bijvoorbeeld het kiezen van het geschikte type koolstof nanobuisjes of cellen of de juiste cytotoxiciteitstest,” concluderen de auteurs.

De ontwikkeling van een op CNT gebaseerd micromateriaal, of de zogenaamde vezels, is een van de verreikende projecten die worden uitgevoerd door het laboratorium voor nanomaterialen van Albert Nasibulin in het Skoltech Center for Photonic Science and Engineering. Het Lab-team heeft deze flexibele geleidende microvezels al getest met behulp van een polsapparaat om de hartslag te volgen. In de toekomst is het team van plan om biocompatibele elektroden te maken en de elektrische activiteit van neuronen en spiercellen vast te leggen. Om dit te doen, moesten de onderzoekers echter weten of: “de duivel is zo zwart als hij is geschilderd,” dat wil zeggen, om te gaan met de toxiciteit van nanobuisjes. Dit is precies wat ze probeerden te doen door hun recensie te maken.