Shou-En Zhu s názornou ukázkou struktury grafenu. (Kredit: Delft University of Technology)

Nanomaterály vdechujeme od doby co svět světem stojí. Zásobují nás jimi vulkány, prachové bouře i lesní požáry. Postupně jsme si to sami vylepšovali ohništi, krby a vysokými pecemi a ukájením centra libosti pálením tabáku a kadidel. Ke zlozvyku jsme přidali i zvyky, jako třeba přesouvat se z místa na místo stále rychleji a rychleji za doprovodu dvou a více taktů z benzínu, či nafty. Plíživě a bez taktu začala přispívat svou syntetikou do našich plic také nanotechnologie.

Grafen

Supertenká forma uhlíku byla objevena díky obyčejné lepicí pásce. Pánové Andre Geim a Konstantin Novoselov za to pak dostali Nobelovu cenu za fyziku. Na výšku má grafen jeden atom a je průhledný. Ceníme si na něm, že je elektricky vodivý. Často se o něm píše jako o nejpevnějším materiálu na světě. Tomu ale nevěřte. Jde sice o pevnostního šampiona, z ale z trůnu nejpevnější látky ho nedávno sesadil karbyn. Mimochodem, i to je uhlíkatá struktura.

Grafen se jeví být ideální výtvor pro displeje, fotovoltaické články a předpokládá se, že ze stávajících zařízení brzo vytěsní vrstvičky oxidů kovů (cín, indium,...). Ve stínu slávy týmů pracujících na grafenových  ohebných displejích, tranzistorech, mikroprocesorech a pamětech, jsou laboratoře, v nichž vznikají antimikrobiální látky na bázi grafenu, nosiče léčiv a kontrastní látky pro rentgenologická vyšetření (většinou na bázi grafenoxidu). Nejnovějším hitem pak jsou náplasti z grafenových nanotrubic napodobujících chování přirozených tkání. Vedou elektrický proud, a tak se osvědčily i v regeneraci srdcí postižených infarktem.

Neutrofilní granulocyt - buňka imunitního systému schopná zasáhnout proti bakteriím ihned a bez signálů od jiných buněk. Má dostatečné vybavení, aby nás ochránil i před kontaminací nanografenem. Barveno metodou May-Grünwald-Giemsa-Romanowski. (Kredit: Tommaso Leonardi, en.wikipedia).

Poněkud stranou veřejného obdivu a slávy tu jsou ještě dělníci vědy, kteří prověřují, zda nám z nových vymožeností neplynou také nějaká rizika. Z těch zaměřených na grafen si zaslouží jmenovat jak Francouzský Centre national de la recherche scientifique, University of Strasbourg, tak i švédský Institute of Environmental Medicine, Karolinska Institutet, španělský  Universidad de Castilla-La Mancha, britský Nanomedicine Laboratory v National Graphene Institute a americký University of Pittsburgh. Z výsledků jejich práce čerpá také tento článek.

Co když se nám grafen dostane do těla?

Říká se, že nejdůležitější součástí buňky je jádro. Stejnou měrou o osudu buňky ale rozhoduje její cytoplazmatická membrána. Buňka není kopacím míčem, který drží pohromadě tuhá slupka. U některých buněk jejich membrána oplývá neskutečným množstvím receptorů spolupracujících s uzavíratelnými otvory specializovanými na určité tvary a velikosti. Membrána je tím, co rozhoduje o průniku částic dovnitř buňky, a nebo zda si kolemjdoucí materiál jen podrží. Membrána dokonce rozhoduje o tom, kolik a jakých fyziologicky účinných látek vyloučí buňka do svého okolí. Takové membrány jsou vymožeností buněk imunitního systému. Ten má hodně buněčných specialistů, kteří se nanovetřelcům věnují. Z těch hlavních to jsou neutrofily, makrofágy a dendritické buňky. Všechny mají společný cíl „pomáhat a chránit“, ale nestydí se tak trochu být i  popeláři. Jinak by plicní sklípky vypadaly jako naše sklepy, plné haraburdí.

MPO – lidská myeloperoxidáza. Gen pro její tvorbu je výrazně exprimován (jede na plný plyn) právě v neutrofilech.

Ze starších prací bylo známo, že s pomocí enzymů lze grafen oxidovat i rozložit. Nebylo ale jasné, zda si s ním poradí i buňky in natura.  Ani jak se budou tvářit na takzvaný funkcionalizovaný grafen (doplněný o cizí atomy), protože právě ten se jeví být perspektivním materiálem pro biomedicínské přístroje a nové typy implantátů. Ve starších publikacích se dočteme, že grafen představuje riziko genotoxicity a mutagenicity. To není ten nejlepší vklad žádné látce do vínku. Dalo se předpokládat, že ti, kteří na sociálních sítích rádi straší, se toho chopí. Fámy se šíří rychle, ale jaká je tedy skutečnost? Dokážou se naše buňky s uměle připravenou a cizorodou látkou vypořádat, nebo se grafen vypořádává s nimi, například rakovinou?

Neutrofil

Neutrofilní granulocyt patří mezi bílé krvinky (granulocyty), jimž staromilci stále říkají mikrofágy. Profesí jsou strážci s náplní práce zneškodňovat narušitele v přední linii našich plic. Po aktivaci je čeká  jepičí život, naštěstí jejich počty neustále doplňují zálohy z kostní dřeně. V průběhu evoluce jsme jim svěřili značnou míru samostatnosti, a tak se do boje s patogeny pouští podle vlastního uvážení a nejsou odkázány na signály od jiných buněk. V praxi to pak vypadá následovně. Podle míry naštvanosti se neutrofil v mžiku rozhodne pro některou ze svých taškařic. Buďto protivníka pozře, přesnější je, že ho „oblije“, a pak v klidu svým orchestrem proteolytických a oxidativních enzymů ho začne porcovat, až ho nakonec zcela rozpustí.

Adresa genu pro MPO: Chromozom č. 17.

Nebo se uchýlí k mimobuněčné akci a zahájí proces, který je v mikroskopu patrný a podle čehož také dostal název - degranulace. V podstatě jde o velkoprodukci všeho potřebného, aby ze sebe do okolí „vytlačil“ co nejvíce antimikrobiálních lektvarů. Protože jejich hlavní součástí je oxidační enzym myeloperoxidáza, mikroby se po tímto typem ataku nejspíš cítí, jakoby je sežehnul studený plamenomet.

Nanografen nachází stále širší uplatnění, od elektroniky, přes stavebnictví až po zdravotnictví. Lze ho sehnat už i pro potěchu z vlastního pokusničení. 100 gramů toho obzvláště čistého s garantovanou velikostí částic 90nm-200nm v Supermarketu přijde na 125 dolarů. V kvalitě pro použití ve stavebnictví (do betonu) jsou ceny o několik řádů nižší.

Neutrofil ale má ve svém arzenálu ještě jeden trumf. Třetí a nejzajímavější vychytávce se začíná říkat extracelulární past. Při aktivaci příslušného modu vysouvá do prostoru síť chromatinových vláken. Jakoby se dal na rybaření. Často užívané přirovnání ale realitě moc neodpovídá. Nejde totiž o obyčejný keser či čeřen. Neutrofil svou síť vylepšil o antimikrobiální proteiny, na nichž dřepí jako třešinky na dortu překvapení v podobě žahavých destrukčních oxidativních enzymů (neutrofil elastázy a myeloperoxidázy).

Rajendra Kurapati, první autor publikace prokazující, že neutrofily zvládají degradovat jedno i vícevrstevný grafen. University of Strasbourg, Francie. (Kredit: UNISTRA)

Přes veškeré znalosti, jak náš imunitní systém funguje, nevyřešenou otázkou zůstávalo, zda na nanografen, který velikostně spadá do sféry zájmu neutrofilů bude jejich náčiním a pracovními návyky také degradován. Zda si s grafenem buňky budou umět poradit i v praxi.

Před výzkumníky vyvstal problém – jak takovou degradovatelnost grafenu prověřit, když se na lidských bytostech pokusy dělat nesmějí. Zákaz obešli pomocí geneticky modifikovaných bakterií. Vložili jim do genetické výbavy lidské geny a ty jim pak lidské enzymy k pokusům vyráběly. S jejich přispěním sice dospěli k poznání, že grafen naše enzymy rozložit zvládnou, ale vše bylo ještě třeba potvrdit jiným, nezávislým pokusem. K tomu využili dobrovolníky. Z jejich krve získali čerstvé eozinofily a ty v kultuře „pouštěli“ na zrnka nanografenu.

Aby z pokusů vytáhli poznatků co nejvíc, ztrpčovali buňkám život jak grafenem jednovrstevným, tak i vícevrstevným. Zcela proti logice zdravého rozumu, nanostruktury s více vrstvami buňky rozkládaly radostněji a na degradaci jim stačil den. Do struktur tvořených jednou vrstvou, jakoby se neutrofilům nechtělo. Porcování, z našeho pohledu jednodušších nanostruktur, jim místo jednoho dne zabralo téměř týden.

Sourav Prasanna Mukherjee: „Neutrofily nejen, že zvládají rozkládat grafen, ale jeho rozkladné produkty nejsou pro lidské buňky (plicního epitelu) toxické ani genotoxické“. Institute of Environmental Medicine, Karolinska Institutet, Stockholm, Švédsko.

Vědci si myslí, že na vině je dokonalost. Molekulám enzymů má jít lépe práce od ruky na grafenu, který má strukturální chyby. Těch má grafen s více vrstvami hodně, neboť jeho výroba je složitější. Tím, že jednovrstevná struktura je prakticky dokonalá, enzym se na ní nemá „čeho chytit“.  Ať už je důvod jakýkoliv, podstatné je, že i když to v nepříznivých případech trvá zhruba pět dnů, je po kontaktu s neutrofilem s nanografenem amen.

Závěr

Máme vlastně štěstí, že neutrofilům nic lidského není cizí - ani inertní látka podobná tuze, kterou jsme vyrobili v laboratoři a nazvali ji grafen. Je překvapením, že tuto umělotinu se buňkám daří poměrně snadno degradovat a že si při tom vystačí s nástroji, které se jim optimalizovaly na potyčky s bakteriemi. Hlavním aktérem v tomto případě je enzym, který se v odborných textech skrývá za zkratkou MPO (myeloperoxidáza).

Dobrou zprávou není jen to, že si neutrofily na grafenu, ať už šlo o ten jedno, nebo vícevrstevný, nevylámaly zuby, ale že rozklad zvládly svým přirozeným způsobem a že na lidských živých buňkách nic nenaznačovalo tomu, že by přitom rozkladné produkty páchaly na buňkách plicního epitelu nějakou škodu ve smyslu toxicity a genotoxicity. Jinak řečeno, strašit lidi grafenem jeho přirovnáváním k azbestu kulhá na obě nohy.

Skutečnost, že hlavním aktérem procesu proti grafenu je oxidáza, je také potěšující. Nejsou cizí ani armádám půdních mikroorganismů, a tak spolu se zdravotníky mají důvod k otevření lahvinky i ekologové, neboť nezničitelná grafenová zátěž prostředí se nekoná.

Protože tento výzkum vedl k optimistickým závěrům, což mají komise přidělující granty rády, vědcům nehrozí, že by zůstali bez prostředků a výzkum degradace grafenu ustrnul. A to je rovněž dobře, protože spektrum modifikací grafenu se rozšiřuje měrou vrchovatou a povahu degradačních procesů bude záhodno dál prověřovat, čert nikdy nespí. I my hodláme nespat a mít grafenovou destrukci dál v hledáčku. Pokud se někde něco šustne, budeme informovat.

Literatura
Rajendra  Kurapati, et al.: Single layer and few layer graphene are degraded by neutrophil myeloperoxidase, Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.201806906 Angew. Chem. 10.1002/ange.201806906  
Sourav P. Mukherjee, et al.: Graphene oxide is degraded by neutrophils and the degradation products are non-genotoxic, : Nanoscale, 2018, 10, 1180