Analyse von Toxizitätsmechanismen umweltrelevanter Nanopartikel und Untersuchung in Komplexen standardisierten Testsystemen

Projektlaufzeit

Mai 2015 bis August 2017

Zielsetzung

Aufgrund der zunehmenden Anwendung von Nanopartikeln in Alltagsprodukten kommt es zur Exposition der Verbraucher mit Nanopartikeln (NP). Um eventuelle Toxizitätsmechanismen umweltrelevanter Nanopartikel aufzuklären, sollten in einer experimentellen Studie unterschiedliche Parameter ausgewählter umweltrelevanter Metalloxid-Nanopartikel verglichen werden. Dazu sollten Testsysteme etabliert und damit wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen werden.

Ergebnisse

Bei den Untersuchungen wurde erfolgreich ein breites Spektrum an nanotoxikologischen Testsystemen etabliert. Im Projekt konnten neue Methoden entwickelt werden, um die Biokompatibiliät bzw. Toxizität von umweltrelevanten Nanopartikeln in komplexeren Testsystemen zu untersuchen. Hier handelte es sich beispielsweise um 3D-Zellkultur, ein Hühnereimodell-System sowie um immunologische Analysen. Die Methoden werden nun auch genutzt, um die Biokompatibilität insbesondere von Eisenoxid-Nanopartikeln (u. a. auch für die medizinische Anwendung) zu untersuchen und zu optimieren.

  • Beschichtet man z. B. die Oberfläche von Eisenoxid-NP mit einer dichten Hülle, so wird zum einen eine Stabilisierung der Partikel (keine Agglomeratbildung) zum anderen eine reduzierte Partikelaufnahme in Zellen erreicht. Für bestimmte Anwendungen lassen sich mit dieser Erkenntnis biokompatible NP entwerfen. Für umweltrelevante NP, die jedoch unbeabsichtigt aus einer Matrix freigesetzt werden, spielt dies eine untergeordnete Rolle.
  • Bei der Untersuchung unpolarer NP wurde deutlich, dass es auch größenabhängige Effekte gibt. So drangen kleine NP, deren Größe vergleichbar mit der Dicke der Plasmamembran von Zellen ist, leicht in die Zellen ein und zerstörten deren Ionenbarriere. Bei der Reparatur der geschädigten Membran kam es zur Fusion mit Lysosom, was eine Reaktionskaskade auslöste und in der Entstehung von sog. neutrophilen extrazellulären Fallen (Neutrophil Extracellular Traps, NETs) endete.
  • Es wurden Unterschiede zwischen ein- (2D) und mehrschichtiger (3D) Zellkultur festgestellt. Vergleicht man die effektiven Dosen, die in 2D und 3D notwendig sind, um (toxische) Effekte zu erzielen, weichen diese deutlich voneinander ab. 3D-Zellkulturen können somit realitätsnähere Testsysteme darstellen.

Es wurden zahlreiche wissenschaftliche Publikationen erzielt. Die Ergebnisse tragen zur toxikologischen Bewertung von NP bei.

Fazit

Generell sind die biologischen Effekte bei Nanopartikeln wie auch bei anderen Stoffen abhängig von Konzentration und Inkubationsdauer. Es zeigt sich jedoch, dass bestimmte Faktoren bei der Biokompatibilität von Nanopartikeln eine Rolle spielen. Die Beschichtung von Eisenoxid-Nanopartikeln mit einer dichten Hülle führt zu einer kolloidalen Stabilisierung und verhindert eine Agglomeration, die sonst vermutlich zu einer lokal erhöhten Konzentration und Toxizität führen könnte. Außerdem schirmt die Hülle die Wechselwirkung der Partikel mit den Zellen ab. Damit kommt es zu einer geringeren Partikelaufnahme und somit einer verringerten Toxizität. Durch diese Erkenntnisse lassen sich für bestimmte Anwendungen biokompatible Nanopartikel herstellen (‘‘Safe-By-Design‘‘).

Weiterführende Informationen


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