Rilevamento di nanoparticelle in quantità minime

I nanomateriali mantengono puliti i nostri materassi, riparano le crepe nei nostri denti, impediscono all'uovo di bruciare nella padella e rendono i nostri alimenti più resistenti. Le particelle hanno dimensioni di pochi miliardesimi di metro e sono utilizzate in un'ampia gamma di prodotti di consumo. Ad oggi, tuttavia, non si sa come questi materiali influiscano sull'ambiente e in quali quantità e forme siano presenti. "Esistono infatti numerosi studi di laboratorio che hanno esaminato l'effetto dei nanomateriali sulle cellule umane e animali. Finora, tuttavia, non è stato possibile rilevare le piccolissime quantità nei campioni ambientali", afferma la dott.ssa Yvonne Kohl dell'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria biomedica IBMT di Sulzbach, nel Saarland.

1 milionesimo di milligrammo per litro

È proprio questo l'obiettivo del progetto NanoAmbiente. Come prima importante pietra miliare, il team interdisciplinare di tossicologi ecologici e umani, fisici, chimici e biologi è riuscito a sviluppare un metodo in grado di rilevare i nanomateriali in diversi campioni ambientali, come l'acqua di un fiume, i tessuti animali o l'urina e il sangue umani in un intervallo di concentrazione di nanogrammi per litro (ppb - parti per miliardo). Ciò corrisponde a mezza zolletta di zucchero nel volume d'acqua di 1.000 piscine sportive.

Con il nuovo metodo, è possibile rilevare non solo molti nanomateriali in liquidi trasparenti come in precedenza, ma anche pochissime particelle in miscele complesse di sostanze, come il sangue umano o i campioni di terreno. L'approccio si basa sul frazionamento a flusso di campo (FFF), con il quale è possibile separare miscele di sostanze complesse ed eterogenee di liquidi e particelle nelle loro singole parti, selezionando i componenti solidi in base alle loro dimensioni. Ciò si ottiene grazie all'interazione tra un flusso di liquido controllato e un campo di separazione fisica che agisce perpendicolarmente sulla sospensione in movimento.

Affinché la rilevazione abbia successo, i campioni ambientali devono essere preparati di conseguenza. Il team IBMT del dipartimento Bioprocesses & Bioanalytics ha reso idonei al dispositivo FFF l'acqua di fiume, l'urina umana e il tessuto di pesce. "Prepariamo i campioni con enzimi speciali. Durante questo processo, tuttavia, i nanomateriali non devono essere distrutti o modificati. Solo allora potremo rilevare le reali quantità e forme di nanomateriali nell'ambiente", spiega Kohl.

Gli scienziati sono particolarmente esperti quando si tratta di tenere, trattare e conservare campioni di tessuto umano. Da gennaio 2012, l'IBMT gestisce la "Banca federale di campioni ambientali (UPB) - campioni umani" per conto dell'Agenzia federale dell'ambiente (UBA). Ogni anno, l'istituto di ricerca raccoglie campioni di sangue e urina da 120 volontari in quattro sedi in Germania. I singoli campioni sono uno strumento prezioso per tracciare le tendenze temporali dell'esposizione umana agli inquinanti. "Per il progetto NanoUmwelt sono stati donati sangue e urine supplementari, conservati a freddo presso l'IBMT e utilizzati per sviluppare il nuovo metodo di rilevamento", spiega il dott. Dominik Lermen, responsabile del gruppo di lavoro Biomonitoraggio e Criobanche dell'IBMT. Dopo l'approvazione dell'UBA, anche alcuni campioni umani dell'archivio UPB potranno essere esaminati con il nuovo metodo.

Sviluppo di nuovi modelli di coltura cellulare

I nanomateriali possono entrare nell'ambiente attraverso varie vie, comprese le acque reflue, e si pensa che possano essere assunti da uomini e animali attraverso barriere biologiche, come i polmoni o l'intestino. Il team del progetto sta ricreando questi processi nella piastra di Petri per capire come i nanomateriali vengono trasportati attraverso queste barriere. "Si tratta di un processo molto complesso che coinvolge un'ampia varietà di cellule e strati di tessuto", spiega Kohl.

I ricercatori ricreano i processi nel modo più realistico possibile. A tal fine, misurano, ad esempio, i flussi elettrici all'interno delle barriere per determinarne la funzionalità o simulano l'interazione dei polmoni con l'aria utilizzando nuvole artificiali di nebbia. Nella prima fase del progetto NanoEnvironment, il team IBMT è riuscito a sviluppare diversi modelli di colture cellulari per il trasporto di nanoparticelle attraverso le barriere biologiche. In questo processo, l'IBMT collabora con l'Istituto Fraunhofer per la Biologia Molecolare e l'Ecologia Applicata IME, che ha sviluppato un modello a partire da cellule staminali pluripotenti per studiare la cardiotossicità. Il partner svizzero del progetto Empa realizzato un modello di barriera placentare per studiare il trasporto di nanomateriali tra madre e figlio.

Nella fase successiva, i partner della cooperazione intendono utilizzare il metodo per misurare le concentrazioni di nanoparticelle in vari campioni ambientali e analizzare i valori determinati per valutare meglio il comportamento dei nanomateriali nell'ambiente e la loro potenziale pericolosità per l'uomo, gli animali e l'ambiente. "Il nostro prossimo obiettivo è quello di rilevare quantità ancora più piccole di particelle", spiega Kohl. Gli scienziati intendono utilizzare filtri speciali per rimuovere gli elementi di disturbo dai campioni ambientali ed elaborare nuove tecniche di elaborazione.

(Fraunhofer IBMT)