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NanoKON – Systematische Bewertung der Gesundheitsauswirkungen nanoskaliger Kontrastmittel

Ziel des Vorhabens war die Abschätzung der gesundheitlichen Auswirkungen von nanoskaligen Kontrastmitteln, die oral verabreicht werden. Dazu wurden im Verlauf des Vorhabens nanoskalige Partikel hergestellt und zusammen mit kommerziell erhältlichen Referenzpartikeln in einer Vielzahl von in vitro, in vivo und in silico Untersuchungen eingesetzt.

Alle verwendeten Nanomaterialien wurden im Rahmen des AP 1 einer eingehenden Grundcharakterisierung unterzogen, wobei auch spezielle Eigenschaften wie zum Beispiel Ionenfreisetzung toxisch relevanter Spezies (Ba, Gd) in künstlichem Magensaft untersucht wurden. Da die meisten zur Verfügung stehenden Partikelsysteme (kommerziell erhältlich auch in Eigensynthese hergestellt) die wechselnden Bedingungen (pH, hohe Ionenstärke) schlecht tolerierten, wurde für die Mehrzahl der Systeme eine Agglomeration unter diesen Bedingungen beobachtet. Arbeiten zur Modifikation der Partikeloberfläche erfolgten im Projektverlauf mit dem Ziel, möglichst stabile und hinsichtlich ihrer Abbildbarkeit funktionelle Suspensionen herzustellen.

In AP 2 und AP 3 wurden in vitro Untersuchungen der Nanopartikel an relevanten Zelllinien und Barriere-Modellen durchgeführt. Ziel war es hier, die Aufnahme und den Verbleib der Kontrastmittel in relevanten Systemen zu untersuchen, die bei oraler Gabe mit den Kontrastmitteln in Kontakt kommen. Ein weiterer Aspekt waren Untersuchungen zur Adsorption von umgebenden Proteinen auf der Oberfläche des Kontrastmittels unter Bildung einer Protein-Korona. Übereinstimmend konnte eine Aufnahme der verwendeten Kontrastmittel (FexOy und FexOy@SiO2) bzw. SiO2 Nanopartikel (Referenzoberfläche) in Darmepithelzellen, Endothelzellen und Makrophagen festgestellt werden. Eine Aufnahme der Partikel konnte in einigen Beispielen bereits nach 15-30 min detektiert werden. Die untersuchten Eisenoxid Nanopartikel wurden von Endothelzellen aufgenommen und zeigten im relevanten Konzentrationsbereich keine Zytotoxizität. Unter diesen Bedingungen wurden jedoch Zelltyp-spezifische biologische Effekte festgestellt, wie die Abnahme der Impedanz, die auf eine Veränderung der Barriere-Eigenschaften der Zellen schließen lässt.

Zudem wurde in diesem Projekt ein komplexes, multizelluläres in vitro Model der intestinalen Barriere etabliert, mit dem die Auswirkungen der Nanopartikel untersucht wurde (siehe auch AP3). Für dieses Cokultur-Modell wurden die intestinale Epithel-Zellline Caco-2 zusammen mit den mikrovaskulären Endothelzellen ISO-HAS-1 verwendet. In diesem System erwiesen sich die eingesetzten Nanopartikel weder als toxisch noch entzündungsauslösend.

Weiteres Ergebnis der Arbeiten war der Nachweis, dass die Ausbildung der Nanopartikel Proteinkorona einen entscheidenden Faktor für (nano)-medizinische und -biotechnologische Anwendungen darstellt. Die zeitaufgelöste quantitative Analyse der Proteinkorona zeigte, dass sich die Proteinhülle extrem schnell bildet, hochkomplex zusammengesetzt ist und Nanopartikel Toxizität oder die intrazelluläre Aufnahme der Nanopartikel beeinflusst.

Nach der Aufnahme lagen die verwendeten Partikel in allen eingesetzten Zelltypen in Lysosomen vor, was auf einen Aufnahmemechanismus mittels Endozytose bzw. Phagozytose hindeutet. Die Nanopartikel lagen nach Aufnahme topologisch außerhalb des Zytosols vor und können dieses erst nach Durchdringen der Vesikel-Membran erreichen. Eine Aufnahme von Partikeln in den Zellkern von Darmepithelzellen wurde nicht festgestellt.

Im AP 4 wurde in vivo im Mausmodell die biologischen Auswirkungen nanoskaliger Kontrastmittel analysiert. Keine der getesteten Partikelsuspensionen verursachte eine signifikante Organtoxizität im Mausmodell. Auch alle getesteten Serumparameter waren unauffällig. Die Verteilung der Partikel nach oraler Gabe wurde mittels Magnetresonanztomographie (MRT) und Computertomographie (CT) analysiert. Zusätzlich wurden Elementanalysen und Elektronenmikroskopische Untersuchungen an den Organen durchgeführt. Ca. 95% der verabreichten Menge der Nanopartikel Suspensionen wurde direkt wieder ausgeschieden, während der größte Teil der restlichen 5% konnte durch Spülung mit Pufferlösung aus Magen, Dünndarm und Rektum entfernt werden. Für den Organismus bedeutet dies, dass weniger als 0.5% der eingesetzten Partikeldosis im Körper verblieben ist.

Im AP5 wurden verschiedene Elemente der Bildanalyse etabliert und entwickelt, die auf die Ergebnisse der Mikroskopie-Daten angewendet werden konnten. Durch die Anwendung maßgeschneiderter Bildanalyse-Methoden konnte die dreidimensionale Struktur der Zellmembran und des MT-Netzwerks rekonstruiert werden. Das im AP5 entwickelte Simulationsmodell berücksichtigt verschiedene Aufnahmemechanismen an der Zellmembran und die Dynamik der Nanopartikel in verschiedenen Zellkompartimenten. Die Analyse der MT-Struktur legt einen Einfluss der Nanopartikel auf die Persistenzlänge des MT-Netzwerks nahe.

Grundlegende Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sind:

  • Nanoskalige Kontrastmittel werden vom Großteil der getesteten Zelllinien aufgenommen (Darmepithelzellen, Endothelzellen und Makrophagen).
  • In vitro und in vivo konnte für die getesteten Systeme in der Regel keine organ-, zytotoxische oder entzündungsauslösende Wirkung beobachtet werden. Ausnahmen stellen die Aktivierung und Verstärkung inflammatorischer Signalwege in Makrophagen durch Silica-Referenzpartikel, sowie das leicht inflammatorische Potential von Gd-dotierte BaSO4 Nanopartikel in Caco-2 Monokulturen dar.
  • Die Anwesenheit proteinhaltiger biologischer Medien führt in Abhängigkeit von der Partikeloberfläche zu einer Proteinkorona, welche das physikochemische und biologische Verhalten der Partikel beeinflusst.
  • Gd-haltige BaSO4 –Suspensionen zeigten in vitro und in vivo eine gute Röntgenkontrastierung, jedoch in vivo einen geringen MRT –Kontrast.
  • Der Zusammenhang zwischen der Struktur des membrannahen Aktin-Netzwerkes und der Partikeldynamik konnte bestimmt werden.
  • Es wurde gezeigt, dass die Aufnahme von Nanopartikel die Persistenzlänge der MT-Filamente beeinflusst.
Förderkennzeichen: BMBF - FKZ 03X0100
Laufzeit: 01.10.2010 - 30.09.2013 (verlängert bis 31.12.2013)

Projektleitung

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Dr. Hermann Schirra, Sarastro GmbH

Projekt-Partner

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Universität des Saarlandes

Veröffentlichungen

2014

  • Astanina K., Simon Y., Cavelius C., Petry S., Kraegeloh A., Kiemer A.K. (2014). Superparamagnetic iron oxide nanoparticles impair endothelial integrity and inhibit nitric oxide production.Acta Biomater, 10(11): 4896-4911.
  • Kucki M., Cavelius C., Kraegeloh A. (2014). Interference of silica nanoparticles with the traditional Limulus amebocyte lysate gel clot assay. Innate Immun, 20(3): 327-336.

2013

  • Tenzer, S., D. Docter, J. Kuharev, A. Musyanovych, V. Fetz, R. Hecht, F. Schlenk, D. Fischer, K. Kiouptsi, C. Reinhardt, K. Landfester, H. Schild, M. Maskos, S. K. Knauer, R. H. Stauber (2013). Rapid formation of plasma protein corona critically affects nanoparticle pathophysiology. Nature Nanotechnology 8(10): 772-781.
  • Pollok S., Ginter T., Gunzel K., Pieper J., Henke A., Stauber R.H., Reichardt W., Kramer O.H. (2013). Interferon alpha-armed nanoparticles trigger rapid and sustained STAT1-dependent anti-viral cellular responses. Cell Signal, 25(4): 989-998.
  • Diesel B., Hoppstadter J., Hachenthal N., Zarbock R., Cavelius C., Wahl B., Thewes N., Jacobs K., Kraegeloh A., Kiemer A.K. (2013). Activation of Rac1 GTPase by nanoparticulate structures in human macrophages. Eur J Pharm Biopharm, 84(2): 315-324.
  • Helou M., Reisbeck M., Tedde S.F., Richter L., Bar L., Bosch J.J., Stauber R.H., Quandt E., Hayden O. (2013). Time-of-flight magnetic flow cytometry in whole blood with integrated sample preparation.Lab Chip, 13(6): 1035-1038.

2012

  • Gebauer J.S., Malissek M., Simon S., Knauer S.K., Maskos M., Stauber R.H., Peukert W., Treuel L. (2012). Impact of the nanoparticle-protein corona on colloidal stability and protein structure. Langmuir, 28(25): 9673-9679.

2011

  • Tenzer, S., D. Docter, S. Rosfa, A. Wlodarski, J. Kuharev, A. Rekik, S. K. Knauer, C. Bantz, T. Nawroth, C. Bier, J. Sirirattanapan, W. Mann, L. Treuel, R. Zellner, M. Maskos, H. Schild, R. H. Stauber (2011). Nanoparticle size is a critical physicochemical determinant of the human blood plasma corona: a comprehensive quantitative proteomic analysis. ACS Nano 5(9): 7155-7167.

Alle verfügbaren Abschlussberichte des NanoKON Konsortiums finden Sie auf den Seiten der TIB Hannover https://www.tib.eu/de/  
  • NanoKon Konsortium (2014). NanoKon - Systematische Bewertung der Gesundheitsauswirkungen nanoskaliger Kontrastmittel : Berichtszeitraum: 01.10.2010 - 31.12.2013; Abschlussbericht; Annette Kraegeloh et al., INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien gGmbH, FKZ 03X0100A-E, TIB Hannover.

2014

  • Astanina K. (2014). Iron oxide nanoparticles impair endothelial integrity: risk for the blood brain barrier? Global Environmental Contamination – Challenges for the Well-Being of the Human Brain, 8.September 2014, Luxembourg. [Vortrag]
  • Kiemer, A.K. (2014). Nanoparticulate structures amplify inflammantory reactions in macrophages. Global Environmental Contamination – Challenges for the Well-Being of the Human Brain, 8.September 2014, Luxembourg. [Vortrag]
  • Müller S.G. (2014). In vivo Analyse der Nanopartikel Endothelzell-Interaktion an einem Kolitismodell der Maus. 22. Jahrestagung der Saarländischen Chirurgenvereinigung e.V., 15. Januar 2014, Saarbrücken, Deutschland. [Vortrag]

2013

  • Kiemer A.K. (2013). Inflammatory activation of cells from the cardiopulmonary system by oxidic nanoparticles. Nanosafety 2013, 22.-23. Nov 2013, INM, Saarbrücken, Deutschland. [Vortrag]
  • Peuschel H., C. Cavelius, and A. Kraegeloh (2013). Uptake and intracellular distribution of core-shell iron oxide particles in Caco-2 cells. Nanosafety 2013, 22.-23. Nov 2013, INM, Saarbrücken, Deutschland. [Poster]
  • Kraegeloh A. , C. Cavelius, H. Peuschel, K. Böse, and M. Kucki (2013). Nanoparticle interactions on a cellular scale. Carbon Black Symposium, 24.-25. Oktober 2013, Forschungszentrum Borstel, Borstel, Deutschland. [Vortrag]
  • Kraegeloh A. (2013). NanoKon – Systematische Bewertung der Gesundheitsauswirkungen nanoskaliger Kontrastmittel. NanoMed Workshop, 12. Juni 2013, Friedrich-Schiller-Universität, Jena, Deutschland. [Vortrag]
  • Senger S., S.G. Müller, M.W. Laschke, and M.D. Menger (2013). Leukocyte-endothelial cell interaction in brain vessels is enhanced by circulating silver nanoparticles .Jahrestagung der DGNC, 26.-29. Mai 2013, Deutschland. [Poster]
  • Kucki M., C. Cavelius, and A. Kraegeloh (2013). Nanoscale contrast agents – Particle uptake, subcellular distribution and morphological effects. BioNanoMed 2013, 4th International Congress Nanotechnology, Medicine & Biology, 13.-15. März 2013, Krems, Österreich. [Poster]
  • Kucki M. (2013). NanoKon – Systematische Bewertung der Gesundheitsauswirkungen nanoskaliger Kontrastmittel. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 14.-15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Vortrag]
  • Astanina K., Kiemer A.K. (2013). Iron oxide nanoparticles: intracellular transport and localization. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 14.-15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Müller A., S. Müller,T. Jung, A. Kraegeloh, C. Cavelius, M. Laschke (2013). Untersuchung der bildgebenden Eigenschaften neuartiger Gd-haltiger Nanopartikel in der Magnetresonanztomographie. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 14.-15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Müller S., A. Müller, T. Jung, A. Kraegeloh, C. Cavelius, and M. Laschke (2013). In-vitro-Charakterisierung neuartiger Gd-haltiger Nanopartikel auf BaSO4-Basis. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 14.-15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Kucki M., C. Cavelius, and A. Kraegeloh (2013). Nanoscale Contrast Agents: Microscopical Analysis of Particle Uptake and Intracellular Localisation. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 14.-15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Jung T., C. Cavelius, H. Schirra, D. Kreischer, A. Kurz, A. Schwarz, A. Kraegeloh, and R. Danzebrink (2013). Nanoscale Contrast Agents: Synthesis, Modification and Characterization. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 14.-15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Docter D., N. Habtemichael, S. Tenzer, V. Fetz, D. Gößwein, A. Hahlbrock, and R. H. Stauber (2013). The Dynamic Nanoparticle-Protein Corona - Implications for Nano-Toxicology and – Biomedicine. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 14.-15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]

2012

  • Kucki M., C. Cavelius, and A. Kraegeloh (2012). The devil is in the details – Endotoxin-Detection in Nanoparticle Formulations. SENN – International Congress on Safety of Engineered Nanoparticles and Nanotechnologies, 28.-31. Oktober 2012, Helsinki, Finnland. [Poster]
  • Docter D., V. Fetz, W. Mann, and R. H. Stauber (2012). Proteomic Profiling of the Dynamic Nanoparticle-Plasma Protein Corona - Implications for Biomedical Applications. The 6th International Conference on Nanotoxicology 2012, Beijing, VR China. [Poster]
  • Kraegeloh A. (2012). NanoKon – novel nanoscaled contrast agents and systematic evaluation of their safety. NanoMed Workshop, 26.-27. Juni 2012, Friedrich-Schiller-Universität, Jena, Deutschland. [Vortrag]
  • Kucki M., C. Cavelius, S. Schmidt, and A. Kraegeloh (2012). Nanoskalige Kontrastmittel: Endotoxin-Bestimmung und mikroskopische Darstellung. 2. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 13 – 14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Kraegeloh A. (2012). NanoKon –systematische Bewertung der Gesundheitsauswirkungen nanoskaliger Kontrastmittel. 2. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 13 – 14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Vortrag]
  • Jung T., C. Cavelius, H. Schirra, D. Kreischer, A. Kurz, S. Schmidt, A. Kraegeloh, and R. Danzebrink (2012). Synthese und Charakterisierung nanoskaliger FexOy und BaSO4 Suspensionen als MRT / CT Kontrastmittel. 2. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 13 – 14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Docter D., N. Habtemichael, S. Tenzer, and R. H. Stauber (2012). Proteomic Profiling of the Nanoparticle/Protein Corona. 2. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, DECHEMA, 13 – 14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Zarbock R., J. Hoppstädter, B. Diesel, B. Wahl, A. Kraegeloh, and A.K. Kiemer (2012). Macrophage Models. BioBarriers 2012, 9th International Conference and Workshop on Biological Barriers, 29.02.-09.03.2012, Saarland Universität, Saarbrücken, Deutschland. [Vortrag]
  • Kucki M., C. Cavelius, A. R. Jochem, S. Schmidt, and A. Kraegeloh (2012). Interference of Nanoparticle Suspensions with the recombinant Factor C Endotoxin-Detection System. BioBarriers 2012 - 9th International Conference and Workshop on Biological Barriers, 29.02.-09.03.2012, Saarland Universität, Saarbrücken, Deutschland. [Poster]
  • Kucki M., C. Cavelius, and A. Kraegeloh (2012). Hide and Seek – Endotoxin-Detection in Nanoparticle Suspensions. NanoImpactNet – QNano Konferenz „From theory to practice – development, training and enabling nanosafety and health research", 27.-29. Februar 2012, Dublin, Irland. [Poster]

2011

  • Senger S., S.G. Müller, M.W. Laschke, and M.D. Menger (2011). Leukocyte-endothelial cell interaction in brain vessels is enhanced by circulating silver nanoparticles. Joint Meeting der 'European Society of Microcirculation (ESM)‚ und der 'German Society of Microcirculation und Vascular Biology (GfMVB)', 13.-16. Oktober 2011, München, Deutschland. [Poster]
  • Müller S.G., S. Senger, M.W. Laschke and M.D. Menger (2011). In vivo analysis of nanoparticle-endothelial cell interaction in a colitis mouse model. Joint Meeting der 'European Society of Microcirculation (ESM)‚ und der 'German Society of Microcirculation und Vascular Biology (GfMVB)', 13.-16. Oktober 2011, München, Deutschland. [Poster]
  • Müller S.G., S.Senger, M.W.Laschke, and M.D.Menger (2011). In vivo Analyse der Nanopartikel Endothelzell-Interaktion in einem Kolitis-Modell der Maus. 15. Chirurgische Forschungstage 2011, Medizinisch Theoretisches Zentrum (MTZ) der Technischen Universität Dresden, 22 – 24 September 2011, Dresden, Deutschland. [Poster]
  • Senger S., S.G.Müller, M.W.Laschke, and M.D.Menger (2012). Zirkulierende Silber-Nanopartikel verstärken die Leukozyten Endothelzell-Interaktion an der Blut-Hirn-Schranke. 15. Chirurgische Forschungstage 2011, Medizinisch Theoretisches Zentrum (MTZ) der Technischen Universität Dresden, 22 – 24 September 2011, Dresden, Deutschland. [Poster]
  • Müller A., G. Schneider, S. Müller, M. Laschke, and A. Bücker (2011). Magnetresonanztomographische Charakterisierung des Referenzpartikels USPIO. 1. Clustertreffen zu den BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11. Mai 2011, DECHEMA, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Müller S.G., M.W. Laschke, and M.D. Menger (2011). In vivo Analyse der Aufnahme, Verteilung und Toxizität nanoskaliger Kontrastmittel. 1. Clustertreffen zu den BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11. Mai 2011, DECHEMA, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Kucki M., C. Cavelius, S. Schmidt, and A. Kraegeloh (2011). Referenzmaterial Eisenoxid-Nanopartikel: Fluoreszenzmarkierung, Endotoxingehalt und Verhalten in zellbasierten Assays. 1. Clustertreffen zu den BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11. Mai 2011, DECHEMA, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Kraegeloh A. (2011). Vorstellung des NanoKon-Projektes. 1. Clustertreffen zu den BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11. Mai 2011, DECHEMA, Frankfurt/Main, Deutschland. [Vortrag]
  • Jung T., C. Cavelius, H. Schirra, A. Kurz, S. Schmidt, A. Kraegeloh, R. Hanselmann, and R. Danzebrink (2011). Physikochemische Charakterisierung der Referenzmaterialien. 1. Clustertreffen zu den BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11. Mai 2011, DECHEMA, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Docter D., V. Fetz, C. Bier, and R. H. Stauber (2011). In vitro-Analyse biologischer Auswirkungen nanoskaliger Kontrastmittel auf den Magen-Darmtrakt (BioProfile). 1. Clustertreffen zu den BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11. Mai 2011, DECHEMA, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Astanina K., S. Petry, and A.K. Kiemer (2011). Interaction of human endothelial cells with iron oxide nanoparticles (ENDOREM®). 1. Clustertreffen zu den BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11. Mai 2011, DECHEMA, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]

2010

  • Kraegeloh A., C. Brochhausen, R. Danzebrink, A.K. Kiemer, M.W. Laschke, L. Santen, G. Schneider, R. Stauber, and R. Hanselmann (2010). NanoKon – novel nanoscaled contrast agents and systematic evaluation of their safety. NanoMed 2010 – 7th International Conference on Biomedical Applications of Nanotechnology, 2.-3. Dezember 2010, Berlin, Deutschland. [Poster]

2013

2011

  • Kraegeloh, A; Kucki, M. "Verfahren zur Detektion von Endotoxinen und/oder 1,3-beta-D-Glucanen in einer Probe", DE 102012110288 A1, 26.10.2012 (Prioritätsdatum).
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