Project

CaNTser

CaNTser – Erforschung des toxischen Potentials von Carbon NanoTubes nach Langzeitinhalation

Durch Untersuchungen der letzten Jahre konnte gezeigt werden, dass Kohlenstoff Nanoröhrchen (engl. carbon nanoturbes, CNT) abhängig von ihrer Struktur unterschiedliche toxische Eigenschaften haben. So weisen Kohlenstoff Nanoröhrchen mit kurzer oder verknäuelter Morphologie nur toxische Wirkungen auf, die der von Partikeln ohne spezifische Toxizität entsprechen. Im Gegensatz dazu weisen Ergebnisse des vorherigen BMBF-geförderten Projektes CarboTox darauf hin, dass lange und faserförmige CNTs ähnlich wie Asbest eine Tumor-verursachende Wirkung haben könnten. Da diese Hypothese, dass Kohlenstoff Nanoröhrchen nach Inhalation ähnlich wie Asbest zu Tumoren beim Menschen führen könnten, weitreichende Konsequenzen hätte, ist eine wissenschaftliche Untersuchung dieser Hypothese dringend erforderlich.

Das Hauptziel des Projektes CaNTser ist deshalb, eine tumorverursachende Wirkung von faserförmigen CNTs nach Inhalation zu überprüfen, einen möglichen Wirkungsmechanismus zu erkennen und eventuell einen Grenzwert abzuleiten.

Weiterhin haben Untersuchungen gezeigt, dass die Toxizität und wahrscheinlich auch die Tumorinduktion von Kohlenstoff Nanoröhrchen sehr von den unterschiedlichen Modifikationen (Länge, Durchmesser, Krümmung, Oberflächenbeschaffenheit) und den Vereinzelungs-/Verklumpungs-Eigenschaften bestimmt wird. Deshalb sollen in diesem Vorhaben in Kurzzeit-Screening-Verfahren in vitro und in vivo diejenigen Eigenschaften der Kohlenstoff Nanoröhrchen ermittelt werden, welche eine toxische und darauf beruhende kanzerogene Eigenschaft hervorrufen bzw. verstärken oder vermindern.

Da für derartige Untersuchungen unterschiedliche Kohlenstoff Nanoröhrchen benötigt werden, soll im Rahmen dieses Projektes zudem die besondere Herausforderung überwunden werden, den Syntheseablauf der Kohlenstoff Nanoröhrchen so zu steuern, dass unter anderen entweder gerade gewachsene bzw. gekrümmte Nanoröhren entstehen. Dies soll über die Steuerung der Defektdichte der CNTs erreicht werden und erfordert einen genauen und reproduzierbaren Ablauf des Syntheseprozesses.

NanoBEL

NanoBEL – Biologische Elimination komplexer diagnostischer Nanopartikel

Als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts hat sich die Nanotechnologie in den vergangenen Jahren von einer forschungsnahen Disziplin zu einem weltweit bedeutenden Wirtschaftsfaktor entwickelt. Aufgrund der Querschnittsrelevanz werden hier Impulse für ein breites Spektrum gesellschaftlicher Anwendungsfelder für die unterschiedlichsten Produkte, Prozesse und Materialien und somit Innovationen für viele Branchen einschließlich Medizin und „Life Sciences“ erwartet.

NanoBEL medizinische Nano-Anwendungen (c) NanoBEL Konsortium

In Medizin und Pharmakologie spielt die Nanotechnologie bereits heute in einer Vielzahl von Anwendungen eine wichtige Rolle. Einen besonderen Stellenwert bilden magnetische Nanopartikel (MNP) für die diagnostische Bildgebung im Sinne einer Früherkennung von Erkrankungen und des therapeutischen Monitorings. Während die Auswirkungen einer akuten Exposition mit magnetischen Nanopartikeln aus toxikologischer Sicht mittlerweile weitreichend untersucht worden sind, sind Langzeiteffekte in Abhängigkeit von strukturellen Eigenschaften der magnetischen Nanopartikel und des Gesundheitsstatus der Individuen bisher noch kaum systematisch untersucht worden.

NanoBEL befasst sich daher mit der Abschätzung von Langzeit-Effekten der Exposition mit magnetischen Nanopartikeln (beispielsweise als Folge von regelmäßigen Bildgebungssitzungen), der Bedeutung von Degradations- und Eliminationsprozessen entlang des Lebenszyklus der Nanopartikel sowie der Auswirkung der Exposition im Zusammenhang mit Erkrankungen mit hoher sozioökonomischer Relevanz (Krebs, Entzündungen).

NanoBEL berücksichtigt Formulierungen von magnetischen Nanopartikeln, welche gegenwärtig und in der Zukunft eine hohe diagnostische Relevanz aufweisen. Neben der Weiterentwicklung und Optimierung dieser Nanopartikel trägt NanoBEL auch zur Entwicklung neuer tierfreier Alternativmethoden zur Langzeittestung von magnetischen Nanopartikeln bei (z.B. in Zellkulturen und im Hühnerei).

Weiterhin soll die systematische Erhebung der Daten einen Beitrag zur Kategorisierung von Nanopartikeln und zur Identifizierung dafür geeigneter Endpunkte leisten und damit die Grundlagen für eine Risikobewertung schaffen. Daten sollen auch einer breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden z.B. über die Datenbank Nanopartikel.info.

Somit liefert das Vorhaben einen wertvollen Beitrag für einen verantwortungsvollen Umgang und die optimierte Weiterentwicklung von Nanomaterialien in der Medizin, wobei Chancen bestmöglich genutzt und Risiken vermieden werden können. Somit birgt die Nanotechnologie auch für den Wirtschafts- und Innovationsstandort Deutschland enormes Potenzial, welches nicht ungenutzt bleiben darf. Daraus resultieren positive Auswirkungen nicht nur auf das Wirtschaftswachstum per se und die Schaffung qualifizierter Arbeitsplätze, sondern auch auf eine enorm verbesserte medizinische Versorgung bei gleichzeitiger Ressourcen- und Umweltschonung.

ProCycle

ProCycle – Analyse und toxikologische Bewertung von Stäuben aus Recycling- und Verwertungsprozessen von Nanokompositen und Strategien zur Gefährdungs-minimierung

Durch die steigende Nachfrage nach modernen Kunststoffwerkstoffen mit besonderen Eigenschaften werden heute immer häufiger Nanomaterialien, wie z.B. Titandioxid (nano-TiO₂) eingearbeitet. So können diese als Nanokomposite bezeichneten Materialien mit Eigenschaften wie beispielsweise einer speziellen Farbe, einer hohen Festigkeit oder einer antibakteriellen Wirkung ausgestattet werden. Beim Recycling dieser Kunststoffe werden diese oftmals in einem ersten Schritt zerkleinert, wobei häufig sehr feine Kunststoff-Stäube entstehen. Diese Stäube bestehen aus Kunststoffteilchen von wenigen Mikrometern, deren Größe vergleichbar mit menschlichen Zellen ist. Die kleinen Kunststoff-Staubteilchen können an den Bruchstellen die eingearbeiteten Nanomaterialien aufweisen. Daher stellt sich für den Fall einer Exposition die Frage, welche Auswirkungen diese nanoskaligen Partikel auf Mensch und Umwelt haben.

Elektronenmikroskopischer Nachweis der Aufnahme von synthetischen Partikeln in menschliche Lungenzellen.

Das Projekt ProCycle untersucht eine mögliche Schadwirkung von frei zugänglichen Nanopartikeln an den erzeugten Bruchstellen des Kunststoffes auf menschliche und tierische Zellen und stellt sich demnach die Frage, ob von diesen Stäuben besondere Gefahren beispielsweise beim Einatmen ausgehen.

Dazu wird der Zerkleinerungsprozess nachgebildet und die entstehenden Feinstäube charakterisiert. Für die Bewertung der Auswirkungen solcher Stäube auf den Menschen wird in dem Projekt ein besonderes Verfahren entwickelt, um Effekte auf menschliche Zellen bzw. menschliches Lungengewebe zu simulieren. Dazu wird ein so genanntes Air/Liquid-Interface-System (unmittelbar an der Luft-Flüssigkeitsgrenzschicht) eingesetzt, eine Technik, mit der menschliche Zellen und Gewebe wie in der Lunge mit staubbelasteter Luft angeströmt werden können. Danach werden die Zellen auf biologische Veränderungen analysiert. Insbesondere sollen mögliche Auswirkungen auf die Genomstabilität untersucht werden, da Veränderungen als ein Indiz für die mögliche Entstehung von Krebs gelten.

Untersuchung von DNA-Schäden in menschlichen Zellen nach Exposition mit Nanopartikeln. © IUK Freiburg

Um die Auswirkung der beim Recycling entstehenden Feinstäube auf die Umwelt beurteilen zu können, werden diese mit im Wasser lebenden Organismen untersucht, da diese am Anfang der Nahrungskette der im Wasser lebenden Tiere stehen. Auch hierfür werden spezielle Verfahren entwickelt, um die Aufnahme und Auswirkung dieser Staubteilchen auf wässrige Ökosysteme beurteilen zu können.

ProCycle Arbeitsplan

Im Anschluss an die Untersuchungen werden Empfehlungen und Messmethoden stehen, die eine Einordnung von Nanokompositen bezüglich ihrer Wirkung auf Mensch und Umwelt ermöglichen und bei zukünftig nötigen Zulassungsverfahren solcher Werkstoffe eine zuverlässige Einstufung hinsichtlich ihres Gefahrenpotenzials auf Mensch und Umwelt speziell beim Recycling treffen zu können. Dies kann bereits bei der Entwicklung und Herstellung dieser Werkstoffe einen wichtigen Beitrag zur Gefährdungsminimierung leisten.

Die Aufgabenverteilung und Zuordnung der Partner zu den Teilschritten der Wertschöpfungskette von der Analyse und Bewertung von bei Zerkleinerungsprozessen anfallenden Prozessstäuben bis hin zur Erarbeitung von gezielten Strategien zur Vermeidung oder Minderung deren human- oder umwelttoxikologischen Auswirkungen durch Änderung der Herstellungsparameter der Nanocomposite sind in der nebenstehenden Abbildung dargestellt.

nanoGRAVUR

nanoGRAVUR – Nanostrukturierte Materialien – Gruppierung hinsichtlich Arbeits-, Verbraucher- und Umweltschutz und Risikominimierung

Die Nanotechnologie eröffnet eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten in den verschiedensten Industriebereichen (u.a. chemische Industrie, Elektrotechnik, Medizintechnik). Die Herausforderung liegt dabei in der optimalen Nutzung der Potenziale dieser z.T. neuen Technologien und zugleich in einem verantwortungsvollen Umgang.

Schema zur Ableitung von Kriterienkatalogen (K) für die verschiedenen Schutzgüter ausgehend von den risikobestimmenden Faktoren Nanomaterialeigenschaften (N), Freisetzung/Exposition (E) und Gefährdungspotential (H und Ö).

Bei der Vielfalt existierender synthetischer Nanomaterialien, die mitunter seit Jahrzehnten in allgegenwertigen Produkten eingesetzt werden und die zudem auch in zahlreichen Modifikationen (Unterschiede in der Größe, Form, chemischer Zusammensetzung und Oberflächenfunktionalisierung) existieren können, ist der Aufwand zur Untersuchung von Effekten und Verhalten im Rahmen regulatorischer Anforderungen enorm. Bei der Variabilität der möglichen Wirkungen ist es zudem unmöglich, das potentielle Risiko für jedes Nanomaterial im Einzelfall zu prüfen.

Aufgrund dieses komplexen Bildes des heutigen Wissensstandes über die Gefährdung der Schutzgüter durch Nanomaterialien ist es ein zentrales Ziel von nanoGRAVUR, Kriterienkataloge für eine Gruppierung der Nanomaterialien in Hinblick auf Exposition-, Gefährdungs- und Risikopotenziale zu entwickeln. Der Ansatz von Gruppierungen, der bisher nur in speziellen Fällen (u.a. Fasern) verwendet wird, kann u.a. in Bereichen wie der Arbeitsplatzsicherheit, Produktkennzeichnung und Regulierung verwendet werden, wo zurzeit noch auf der Basis von Einzelfallstudien gehandelt werden muss.

Projekt-Webseite: www.iuta.de/nanogravur/

nanoCOLT

nanoCOLT – Langzeitwirkung modifizierter Carbon Black Nanopartikel auf gesunde und vorgeschädigte Lungen

Aufbauend auf dem Vorgängerprojekt CarbonBlack hat das Verbundprojekt nanoCOLT die Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften synthetischer Carbon Black Nanopartikel (CBNP) und der durch sie im Niedrig-Dosis-Bereich verursachten Lungenschädigung weiter untersucht. Großer Fokus lag insbesondere auf der Prüfung, ob eine CBNP-Langzeitexposition bei gesunden Lungen zu strukturellen und funktionellen Veränderungen führt, und ob vorgeschädigte Lungen sensibler auf Carbon Black Nanopartikel Exposition reagieren als gesunde. Weiterhin sollten Zell- und Gewebekultursysteme identifiziert werden, mit deren Hilfe mögliche Wirkungen von Carbon Black Nanopartikel beim Menschen vorhergesagt werden können. Die in diesen in-vitro und ex-vivo Systemen gewonnenen Ergebnisse wurden abschließend in einem in-vivo Inhalationsversuch an der Ratte gemäß OECD Richtlinie 413 geprüft.

Im Verbund wurden verschiedene in-vitro und ex-vivo Testsysteme, die z.T. im Vorgängerprojekt CarbonBlack etabliert worden waren (z.B. Explantatmodelle der murinen Trachea bzw. intrapulmonaler Atemwege, humane Präzisionslungen-schnitte), weiterentwickelt bzw. neue Testsysteme (z.B. partikel-induzierter Zellmigrationstest PICMA, Air-Liquid-Interface Zellkulturmodell) auf ihre Eignung zur Toxizitätsuntersuchung geprüft. In den in-vitro und ex-vivo Testsystemen wurden die zu prüfenden CBNP in den Konzentrationen 1, 10 und 30 μg/ml eingesetzt, in den in-vivo Tierexperimenten wurden einmalig oder siebenmalig im Abstand von je zwei Wochen 70 μg Carbon Black Nanopartikel pro Tier appliziert.

Rastermikroskopische (A) und lichtmikroskopische (B) Aufnahme der Lunge mit Atemweg (AW) und umgebenden Alveolen (AL). Die Pfeile zeigen auf Agglomerate inhalierter CBNP . © H. Fehrenbach / FZ Borstel; © N. Schreiber und B. Müller / Universität Marburg

Auf Basis der eingesetzten ex-vivo und in-vivo Tierexperimente kommt der Verbund zum Schluss, dass sowohl für gesunde als auch für durch Stickstoffdioxid (NO₂) oder experimentell induziertes allergisches Asthma vorgeschädigte Lungen gleichermaßen eine geringe akute Toxizität der geprüften Carbon Black Nanopartikel vorliegt. Die beobachteten geringgradigen Effekte werden v.a. durch die Oberflächenchemie bestimmt. Nach multiplen Carbon Black Nanopartikel-Expositionen als Modell einer Langzeitexposition waren in den ex-vivo und in-vivo Tierexperimenten ebenfalls nur geringe Effekte der Prüf- Carbon Black Nanopartikel zu verzeichnen. Der in-vivo Inhalationsversuch wurde mit Printex®90 als Referenzpartikel sowie Acetylenruß und mit Benzo[a]pyren beschichtetem Printex®90 durchgeführt. Die subchronische Exposition mit Acetylenruß induzierte bei der Ratte eine stärkere inflammatorische Antwort als die mit Printex®90 oder Printex®90 mit Benzo[a]pyren.

Die modifizierten Carbon Black Nanopartikel wurden mit Hilfe eines weiten Spektrums an Methoden charakterisiert, wobei der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Blockierung der Oberflächenfunktionen der Carbon Black Nanopartikel durch Wechselwirkungen mit Proteinen aus biologischen Umgebungen lag. Hierzu wurden verschiedene spektroskopische Methoden eingesetzt. Veränderungen der sekundären Strukturelemente als mögliche Modulatoren der biologischen Aktivität der Prüf-CBNP konnten nicht nachgewiesen werden. Die Gründe für die insgesamt geringe akute Toxizität der Prüf-CBNP liegen offenbar in einer relativ starken Wechselwirkung zwischen Proteinen und den Oberflächengruppen der Carbon Black Nanopartikel. Hierdurch könnte die toxische Wirkung von Oberflächengruppen bzw. Molekülen auf der Oberfläche abgeschirmt bzw. vermindert werden.

Die ex-vivo Untersuchungen an humanen Präzisionslungenschnitten ergaben, dass es auch im humanen Testsystem nach akuter Exposition keinen direkten zell-schädigenden Einfluss der Prüf-CBNP auf normale und erkrankte (vorgeschädigte) Lungen gibt. Vielmehr induzierten die Carbon Black Nanopartikel in Geweben aus gesunden Lungen erste Entzündungsprozesse, wie sie für physiologische Reaktionen auf Noxen kennzeichnend sind und als Schutzmechanismen gewertet werden können. An Geweben aus erkrankten Lungen (pulmonale Fibrose), die ausgeprägte fein-gewebliche Veränderungen aufwiesen, waren keine solche als physiologische Schutzmechanismen zu wertenden Entzündungsreaktionen zu beobachten. Die Befunde aus dem humanen ex-vivo Testsystem sind weitgehend deckungsgleich mit den Ergebnissen aus den ex-vivo und in-vivo Tierexperimenten.

Zusammenfassend stellt der Verbund nanoCOLT auf Basis der vielfältigen Experimente an in-vitro, ex-vivo und in-vivo Testsystemen an Maus, Ratte bzw. humanen Zellen und Geweben abschließend fest, dass die akute und subchronische Toxizität der Prüf-CBNP im Niedrig-Dosis-Bereich als gering einzuschätzen ist und v.a. durch die Oberflächenchemie bestimmt wird. Ob das im humanen ex-vivo Testsystem an feingeweblich stark veränderten Geweben beobachtete Ausbleiben von als physiologisch zu wertenden Entzündungsprozessen bei chronischer Exposition und zunehmender Persistenz der Carbon Black Nanopartikel in der Lunge einen negativen Einfluss auf den Verlauf der zugrundeliegenden Lungenerkrankung hat, wäre in weitergehenden Studien zu prüfen.