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CARBOTOX – Entwicklung von Screening-Verfahren zur Untersuchung eines möglichen kanzerogenen Potentials von Carbon Nanotubes
Im Rahmen des Verbundprojekts CarboTox wurden die vom Kooperationspartner (IFW, Dresden) maßgeschneidert hergestellten mehrwandigen Kohlenstoff Nanoröhrchen (engl. multi-walled carbon canotubes, MWCNT) mit unterschiedlichen Längen-Durchmesserverteilungen bzw. Krümmungsgraden in vivo wie auch in vitro auf toxische und kanzerogene Wirkung untersucht.
Es wurde eine Kanzerogenitäts-Studie durchgeführt, in der das krebserregende Potenzial der Kohlenstoff Nanoröhrchen über eine Versuchsdauer von 2 Jahren untersucht wurde. Dazu wurde den Ratten (2 Dosisgruppen zu je 50 Tieren: 1 x 109 WHO-Fasern*/Ratte und 5 x 109 WHO-Fasern*/Ratte, Amosit als Referenzfaser, Dosis: 0,1 x 109 WHO-Fasern*/Ratte) einmalig intraperitoneal (ins Bauchfell) das Testmaterial injiziert. Gleichzeitig wurde versucht, einen Screening-Test zu entwickeln, um Marker für chronische negative Wirkungen schon nach einer kürzeren Versuchszeit zu finden.
MWCNT |
Länge
|
Durchmesser
|
Krümmungs-
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| Amosit | 13,95 | 0,394 | nadelförmig |
| MWCNT A | 8,57 | 0,085 | nadelförmig |
| MWCNT B | 9,30 | 0,062 | gebogen |
| MWCNT C | 10,24 | 0,040 | gebogen |
| MWCNT D | 7,91 | 0,037 | gerollt |
*WHO-Fasern: Länge > 5 µm, Durchmesser < 3 µm, Verhältnis Länge/Durchmesser > 3/1
Es zeigte sich, dass allemehrwandigen Kohlenstoff Nanoröhrchen unabhängig von der Längen-Durchmesserverteilung nach einer Injektion in die Bauchhöhle zu fasertypischen Tumoren (Mesotheliome) führten, wobei die mehrwandigen CNT mit starrer Morphologie im Vergleich zu den Gewundenen deutlich stärker tumorigene Wirkung zeigten.
Für einen in vivo Screening-Test mit 3 bzw. 6 Monaten Versuchszeit scheint sich die Dickenmessung des Zwerchfells, welches das Peritoneum bedeckt, gut zu eignen. Ebenso geeignet ist der BrdU-Assay (chem. Bromdesoxyuridin), mit dem sich das Verhältnis der proliferierenden Zellen zu den nicht proliferierenden Zellen im Peritoneum (Bauchfell) bestimmen lässt. Hier deutet eine Zunahme der proliferierenden Zellen im Peritoneum auf eine mögliche beginnende unkontrollierte Zellteilung hin. In einem parallel verlaufenden subchronischen Inhalationstest mit denselben mehrwandigen Carbon Nanotubes soll die Migration der Kohlenstoff Nanoröhrchen zur Pleura (Rippenfell) nachgewiesen und quantifiziert werden. Allerdings lassen sich diese Fragen mit den derzeitigen Befunden noch nicht definitiv beantworten.
In vitro Untersuchungen mit primären Mesothel-Zellen haben gezeigt, dass die mehrwandigen Kohlenstoff Nanoröhrchen abhängig von ihrer Morphologie die Proliferation (Zellteilung) der Zellen hemmten, Membran-, Zytoskelett- und DNA-Schäden verursachten und die Zellen in einen Wachstums-arretierten Zustand versetzten, der auch als Seneszenz bezeichnet wird. Die stärksten biologischen Effekte wurden dabei von den eher geraden, starren mehrwandigen Carbon Nanotubes hervorgerufen.
Interessanterweise korrelierte das Ausmaß der Zellkultureffekte verschiedener mehrwandigen Carbon Nanotubes mit dem Ausmaß der Tumorbildung in den Ratten, sodass bestimmte Methoden aus der Zellkultur möglicherweise als Screening-Tests eingesetzt werden könnten, um das gesundheitsschädliche, kanzerogene Potenzial neuer mehrwandigen Kohlenstoff Nanoröhrchen abzuschätzen.
Förderkennzeichen: BMBF - FKZ 03X0109
Laufzeit: 01.09.2010 - 31.08.2013 (verlängert bis 31.12.2013)
Projektleitung
Projekt-Partner
Veröffentlichungen
2014
- Rittinghausen S., Hackbarth A., Creutzenberg O., Ernst H., Heinrich U., Leonhardt A., Schaudien D. (2014). The carcinogenic effect of various multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) after intraperitoneal injection in rats. Part Fibre Toxicol, 11(1): 59.
2013
- Hackbarth A., Schaudien D., Bellmann B., Ernst H., Ziemann C., Leonhardt A., Heinrich U., Rittinghausen S. (2013). Toxic effects of multiwall carbon nanotubes (MWCNT) in vivo and in vitro. Scientific Symposium "Good Particles - Bad Particles - Interaction of (Carbon) Nano Particles with Lung Cells", 23.-24.10.2013, Borstel, Deutschland. Pneumologie 67 (12): S.695
2014
- Hackbarth A., Schaudien D., Bellmann B., Ernst H., Leonhardt A., Steinberg P., Rittinghausen S. (2014). BrdU screening - short-time test for reliable prediction of carcinogenicity for MWCNT. DGPT Jahrestagung 2014, 01.-03.04.2012, Hannover, Deutschland. Naunyn Schmiedebergs Arch. Pharmacol. 387, Suppl. 1: S46, Abstract 180.
- Reamon-Buettner SM, Bellmann B, Hackbarth A, Leonhardt A, Niehof M, Ziemann C (2014). Multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) induce DNA damage and cellular senescence in human peritoneal mesothelial LP9 cells. DGPT Jahrestagung 2014, 01.-03.04.2012, Hannover, Deutschland. Naunyn Schmiedebergs Arch. Pharmacol. 387, Suppl. 1: S23, Abstract 087.
- Rittinghausen S., Bellmann B., Hackbarth A., Ernst H., Heinrich U., Leonhardt A.; Schaudien D. (2014). Histopathological analysis of malignant tumors induced by intraperitoneal injection of carbon nanotubes. SOT 2014 - 53rd Annual Meeting and ToxExpo, 23.-27.03.2014, Phoenix, USA. The Toxicologist 138 (2014), Nr.1, S.525, PS 1990.
2013
- Schlichting A, Ziemann C, Leonhardt A, Rittinghausen S, Schaudien D, Bellmann B (2013). Toxic Effects of MWCNT In Vivo and In Vitro. SOT 2013 - 52nd Annual Meeting and ToxExpoTM, 10.-14.03.2013, San Antonio, USA. The Toxicologist 132 (1): PS 460.
- Ziemann C, Reamon-Büttner SM, Hackbarth A, Brockmeyer H, Rahmer H, Bellmann B (2013). Human Pleural Mesothelial MeT-5A Cells are a limited in vitro Model for Detection of Potential Asbestos-like Genotoxic Effects of Multiwall Carbon Nanotubes. SOT 2013 - 52nd Annual Meeting and ToxExpoTM, 10.-14.03.2013, San Antonio, USA. The Toxicologist 132 (1): PS 434.
- Hackbarth A, Ziemann C, Leonhardt A, Steinberg P, Bellmann B (2013). Multiwall carbon nanotubes exhibit a cytotoxic but not directly DNA-damaging potential in human LP9/TERT-1 peritoneal mesothelial cells. DGPT Jahrestagung 2013, 05.-07.03.2013, Halle, Deutschland. Naunyn Schmiedebergs Arch. Pharmacol. 386, Suppl. 1: S30, Abstract 113.
- Reamon-Buettner S, Hackbarth A, Voepel IR, Brockmeyer H, Leonhardt A, Bellmann B, Ziemann C (2013). Human peritoneal mesothelial LP9 cells as a model system to determine the toxic and genotoxic potential of multiwall carbon nanotubes (MWCNTs). DGPT Jahrestagung 2013, 05.-07.03.2013, Halle, Deutschland. Naunyn Schmiedebergs Arch. Pharmacol. 386, Suppl. 1: S65, Abstract 262.
2012
- Ziemann C, Reamon-Büttner SM, Schlichting A, Brockmeyer H, Rahmer H, Bellmann B (2012). Human pleural mesothelial MeT-5A cells are a limited in vitro model system in determining potential asbestos-like effects of multiwall carbon nanotubes. DGPT Jahrestagung 2012, 19.-22.03.2012, Dresden, Deutschland. Naunyn Schmiedebergs Arch. Pharmacol. 385, Suppl. 1: S107, Abstract 473.
- Heinrich U, Schlichting A, Ziemann C, Seyock S, Haase D, Leonhardt A, Bellmann B (2012). Suspension of MWCNT for toxicological in vivo and in vitro studies. SOT 2012 - 51st Annual Meeting and ToxExpoTM, 11.-15.03.2012, San Francisco, USA. The Toxicologist 126 (1): PS 661.
- Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) (2014). Entwicklung von Screening-Verfahren zur Untersuchung eines möglichen kanzerogenen Potentials von Carbon Nanotubes : Endbericht des Teilvorhabens; Projektleitung: Anja Hackbarth, Fraunhofer ITEM, FKZ 03X0109A, TIB Hannover.
- Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (2014). CarboTox - Entwicklung von Screening-Verfahren zur Untersuchung eines möglichen kanzerogenen Potentials von Carbon Nanotubes : Teilvorhaben ; Schlussbericht; Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden; FKZ 03X0109B, TIB Hannover.