Het nano materiaal grafeen oxide – dat veel wordt gebruikt, van elektronica tot sensoren voor biomoleculen – kan indirect het immuunsysteem beïnvloeden via de darmflora, zoals blijkt uit een nieuwe studie met zebravissen door onderzoekers van het Karolinska Institutet in Zweden. De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology.
“Dit toont aan dat we het darm microbioom moeten betrekken bij ons begrip van hoe nano materialen het immuunsysteem beïnvloeden”, zegt de corresponderende auteur van het artikel, Bengt Fadeel, professor aan het Institute of Environmental Medicine, Karolinska Institutet. “Onze resultaten zijn belangrijk voor het identificeren van de mogelijke nadelige effecten van nano materiaal en het verminderen of voorkomen van dergelijke effecten in nieuwe materialen.”
Grafeen is een extreem dun materiaal, een miljoen keer dunner dan een mensenhaar. Het bestaat uit een enkele laag koolstofatomen en is sterker dan staal, maar toch flexibel, transparant en elektrisch geleidend. Dit maakt het uiterst nuttig in een groot aantal toepassingen, waaronder in “slim” textiel dat is uitgerust met draagbare elektronica en als onderdeel van composietmaterialen, om de sterkte en geleidbaarheid van bestaande materialen te verbeteren.
Met het toegenomen gebruik van op grafeen gebaseerde nano materialen moet worden onderzocht hoe deze nieuwe materialen het lichaam beïnvloeden. Van nano materialen is al bekend dat ze invloed hebben op het immuunsysteem, en enkele onderzoeken van de afgelopen jaren hebben aangetoond dat ze ook invloed kunnen hebben op de darmflora, de bacteriën die van nature in het maagdarmkanaal voorkomen.
De relatie tussen nano materiaal, darmflora en immuniteit is het onderwerp geweest van deze studie uitgevoerd met zebravissen. Het onderzocht nano materiaal was grafeen oxide dat kan worden omschreven als een familielid van grafeen dat bestaat uit koolstofatomen en zuurstofatomen. In tegenstelling tot grafeen is grafeen oxide oplosbaar in water en interessant voor medisch onderzoek, bijvoorbeeld als middel om medicijnen in het lichaam af te geven.
In het onderzoek stelden de wetenschappers volwassen zebravissen via het water bloot aan grafeen oxide en analyseerden hoe dit de samenstelling van het microbioom beïnvloedt. Ze gebruikten zowel normale vissen als vissen zonder een receptor molecuul in hun darmcellen, de arylkool waterstofreceptor genaamd, gewoonlijk afgekort als AhR, een receptor voor verschillende endogene en bacteriële metabolieten.
“We konden aantonen dat de samenstelling van de darmflora veranderde toen we de vissen blootstelden aan grafeen oxide, zelfs bij een lage dosis, en dat de AhR ook die flora beïnvloedde”, zegt de hoofdauteur van het onderzoek, Guotao Peng, postdoc-onderzoeker. aan het Instituut voor Milieugeneeskunde aan het Karolinska Institutet.
De onderzoekers hebben ook larven van zebravis gegenereerd die het natuurlijk darm microbioom volledig missen, wat het mogelijk maakt om de effecten van individuele microbioom componenten te bestuderen, in dit geval boterzuur (een vetzuur) dat wordt uitgescheiden door bepaalde soorten darmbacteriën. Van boterzuur is bekend dat het zich kan binden aan AhR.
Daarbij ontdekten de onderzoekers dat de combinatie van grafeen oxide en boterzuur aanleiding gaf tot zogenaamde type 2-immuniteit bij de vissen. Het effect bleek afhankelijk te zijn van de expressie van AhR in de darmcellen.
“Dit type immuniteit wordt normaal gesproken gezien als een reactie op een parasitaire infectie. Onze interpretatie is dat de immuunrespons van de darm op dezelfde manier met grafeen oxide omgaat als met een parasiet”, zegt Guotao Peng.
Met behulp van een geavanceerde methode om de immuuncellen in kaart te brengen, konden de onderzoekers ook aantonen dat een onderdeel van het immuunsysteem, aangeboren lymfoïde cellen genaamd, wordt aangetroffen in larven van zebravis.
“Hieruit blijkt dat de zebravis een goed model is om het immuunsysteem te bestuderen, inclusief het primitief of aangeboren immuunsysteem”, zegt Bengt Fadeel.
De studie werd gefinancierd door het Graphene Flagship, een EU-project dat wordt gecoördineerd door Chalmers University of Technology in Göteborg.
vertaling door Andre Teirlinck
Tip: Wijnand Overeem
Nanomaterialen in mondkapjes waaronder grafeen
Fabrikanten van niet-medische wegwerpmondkapjes voegen nanomaterialen toe om verschillende redenen. Zo claimen zij dat nanomaterialen een antibacterieel of antiviraal (desinfecterend) effect hebben, beter filteren, of een combinatie daarvan. Er zijn mondkapjes met (combinaties van) nanodeeltjes van zilver, koper, zink, grafeen of synthetische vezels.
Als onderzoeker naar COVID-19 en medische hulpmiddelen begrijp ik het belang van gezichtsmaskers om de verspreiding van het coronavirus te voorkomen. Dus ik ben geïntrigeerd dat sommige maskerfabrikanten zijn begonnen met het toevoegen van grafeencoatings aan hun gezichtsmaskers om het virus te inactiveren. Veel virussen, schimmels en bacteriën worden uitgeschakeld door grafeen in laboratoriumonderzoeken, waaronder het kattencoronavirus.