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NanoBioQuant – Quantifizierung von Nanomaterialien im Gewebe für die regulatorische Analytik und Entwicklung von in vitro-Methoden
Nanopartikel (NP), die über die Atemluft in die Lunge gelangen, werden ganz überwiegend von Fresszellen, den sog. Alveolar-Makrophagen, aufgenommen. Dennoch können Lymphflüssigkeit und Blut geringe Mengen von Nanopartikel auch in periphere Organe transportieren, in denen sie jedoch nicht gleichmäßig verteilt sind. Vielmehr kommt es z.B. in Leber, Milz oder Niere zu lokalen Anreicherungen. Welche Risiken hieraus für den Menschen erwachsen, ist unklar.
Silberverteilung in Lymphknoten nach Aufnahme von Silbernanopartikeln über die Lunge. Quantitative ortsaufgelöste Darstellung in Gewebeschnitten mittels LA-ICP-MS (Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry). Verändert nach © Wiemann, M.; Vennemann, A.; Blaske, F.; Sperling, M.; Karst, U. Silver Nanoparticles in the Lung: Toxic Effects and Focal Accumulation of Silver in Remote Organs. Nanomaterials 2017, 7, 441. Licence CC BY 4.0.
Im Projekt NanoBioQuant sollen die Nanopartikel-anreichernden Zelltypen identifiziert und die in ihnen enthaltenen Nanopartikel Konzentrationen quantifiziert werden. Dazu werden Gewebeschnitte aus zahlreichen, bereits vorhandenen Tierstudien zur Kurzzeit- und Langzeitwirkung verschiedener Nanopartikel mit modernen massenspektroskopischen und immunhistochemischen Methoden untersucht. Neuartige, industrierelevante Partikel mit teils ungewöhnlicher Geometrie werden ebenfalls in die Untersuchungen einbezogen.
Die Informationen zu den Nanopartikel-aufnehmenden Zellen werden im Projekt zum Aufbau neuer, innovativer Zellmodelle genutzt, mit denen die Wirkung von Nanopartikeln umfassend untersucht wird. Vorhandene Tierversuche können so noch umfassender ausgewertet und neue ggf. vermieden werden. Ein wesentlicher Ansatz besteht darin, die Nanopartikel-Beladung in vitro an die Konzentration in vivo anzupassen. Hierzu soll eine verbesserte in vitro-Dosimetrie etabliert werden. Neue Mikroskopie- und Analyseverfahren sollen helfen, Wirkungen von Nanopartikeln noch besser zu erfassen.
Die Erfahrung aus den Untersuchungen an analytisch herausfordernden Nanopartikel wird genutzt, um die quantitativen Nachweisverfahren (LA-ICP-MS, ToF-SIMS) weiter zu verbessern. Ziel ist die zuverlässige Bestimmung von Nanopartikeln auch an histopathologischen Routineschnitten, die in der regulatorischen Toxikologie Verwendung finden.
Ein solches Standardverfahren soll die vorhandene OECD-konforme Methodik zur Risikobeurteilung von Nanomaterialien ergänzen und schließlich Eingang in die Untersuchungsroutine finden.
An dem Projekt, das von der IBE R&D gGmbH in Münster geleitet wird (Prof. Dr. M. Wiemann), beteiligen sich die BASF SE (Ludwigshafen) sowie Münsteraner Partner. Das Institut für Anorganische und Analytische Chemie (Prof. Dr. U. Karst), die Tascon GmbH (Dr. B. Hagenhoff) und das zentrale Analytiklabor der BASF SE (Dr. O. Hachmöller, Dr. W. Wohlleben) werden Zell- und Gewebeanalysen mit moderner, bildgebender Massenspektrometrie durchführen. IBE R&D gGmbH und die Toxikologie der BASF (Dr. S. Gröters, Dr. L. Ma-Hock) werden Zell- bzw. Gewebeproben bereitstellen und pathologisch beurteilen, um morphologische Veränderungen und analytische Ergebnisse zu korrelieren. Das Biomedizinische Technologiezentrum der Medizinischen Fakultät Münster (Dr. J. Schnekenburger) wird NP-behandelte Zellen und Gewebe u.a. mit neuen optischen Verfahren untersuchen (digitale Holographie).
Projekt-Webseite: www.nanobioquant.de/de/
Förderkennzeichen: BMBF - 03XP0213
Laufzeit: 01.04.2019 - 31.03.2022 (verlängert bis 30.09.2022)
Projektleitung
Projekt-Partner
https://www.uni-muenster.de/Chemie.ac/
https://www.medizin.uni-muenster.de/biomedtech/das-bmtz.html
Unterauftragnehmer
https://www.uk-essen.de/physiologische-chemie/
Veröffentlichungen
2022
- Seiffert, S. B., A. Vennemann, I. D. Nordhorn, S. Kroger, M. Wiemann, and U. Karst. "La-Icp-Ms and Immunohistochemical Staining with Lanthanide-Labeled Antibodies to Study the Uptake of Ceo2 Nanoparticles by Macrophages in Tissue Sections." Chemical Research in Toxicology 35, no. 6 (2022): 981-91. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.1c00433
- Eder, K. M., A. Marzi, A. Barroso, S. Ketelhut, B. Kemper, and J. Schnekenburger. "Label-Free Digital Holographic Microscopy for in Vitro Cytotoxic Effect Quantification of Organic Nanoparticles." Cells 11, no. 4 (2022). https://doi.org/10.3390/cells11040644
2021
- Nordhorn, I. D., D. Dietrich, C. Verlemann, A. Vennemann, R. Schmid, M. Elinkmann, J. Fuchs, M. Sperling, M. Wiemann, and U. Karst. "Spatially and Size-Resolved Analysis of Gold Nanoparticles in Rat Spleen after Intratracheal Instillation by Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry." Metallomics 13, no. 6 (2021). https://doi.org/10.1093/mtomcs/mfab028
- Wiemann, M., A. Vennemann, C. Venzago, G. G. Lindner, T. B. Schuster, and N. Krueger. "Serum Lowers Bioactivity and Uptake of Synthetic Amorphous Silica by Alveolar Macrophages in a Particle Specific Manner." Nanomaterials (Basel) 11, no. 3 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11030628
2020
- Reifschneider, O., A. Vennemann, G. Buzanich, M. Radtke, U. Reinholz, H. Riesemeier, J. Hogeback, C. Koppen, M. Grossgarten, M. Sperling, M. Wiemann, and U. Karst. "Revealing Silver Nanoparticle Uptake by Macrophages Using Sr-Muxrf and La-Icp-Ms." Chemical Research in Toxicology 33, no. 5 (2020): 1250-55. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.9b00507