nanOxiMet

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nanOxiMet – Oxidantien-Bildungspotential als Maß für die Gruppierung von Nanomaterialien und Vorrausage von gesundheitlichen Auswirkungen auf den Menschen

Toxikologische Studien der letzten Jahrzehnte zeigen, dass die spezifische Oberfläche und das Oxidative Potential (OP) von Partikeln vielversprechende Metriken sind, um das toxische Potential von Nanomaterialien (NM) abzuschätzen. Ziel des nanOxiMet Projekts war es, dieses näher zu untersuchen und wenn möglich eine Gruppierung anhand dieser Metriken abzuleiten.

Hierzu wurden (1) eine Analyse der physikalisch-chemischen Eigenschaften, insbesondere des Oxidativen Potentials (OP) und der spezifischen Oberfläche sowie (2) eine Untersuchung und Bewertung möglicher Zelltoxikologie der Nanomaterialien durchgeführt. Insgesamt wurden 16 Nanomaterialien (z.B. TiO2, CeO2, Cu, Ni etc.) in Suspension (in deionisiertem Wasser und Zellkulturmedien) untersucht.

Für die intrinsische Charakterisierung der Nanomaterial-Suspensionen zeigten sich erwartungsgemäß nicht alle angewandten Methoden als nützlich bzw. anwendbar. Hinsichtlich des Oxidativen Potentials erwies sich die spin trap basierte Elektronenspinresonanzspektroskopie (ESR) als das am „meist” geeignetste intrinsische Analyseverfahren zur Bestimmung des Oxidativen Potentials. Für die Ermittlung der spezifischen Oberfläche können basierend auf den Projektergebnissen die Methoden der BET und dynamische Lichtstreuung empfohlen werden.

Hinsichtlich möglicher Nanomaterial-induzierte zelltoxischer Effekte zeigten sich jedoch nur sehr geringe bis moderate Assoziationen zwischen der spezifischen Oberfläche und toxikologischen Endpunkten. Für die Metriken Oxidatives Potential und Oxidatives Potential bezogen auf die spezifischen Oberfläche hingegen wurden weitergehende Assoziationen zu toxikologischen Effekten aufgezeigt. Die ESR Methodik war hierbei am stärksten mit dem Endpunkt Oxidativer Stress verknüpft, wobei auch weitere, alternative Methoden zur Bestimmung des Oxidativen Potentials komplementäre Assoziationen zu zelltoxischen Effekten widerspiegeln. Dies belegt die Notwendigkeit mehrere Methoden parallel zu verwenden, zumindest jedoch Fenton-ähnliche Reaktivitäten und Elektronentransfer induzierte Effekte von Nanomaterialien zu erfassen.

Die toxikologischen Untersuchungen jedoch zeigten auch Probleme hinsichtlich eines zuverlässigen Nachweises von spezifischen Effekten auf, welches die Bedeutung der immer wieder kehrenden Problematik einer Identifikation von Assay-Artefakten untermauert. Unter den zellbasierten Analysen des Oxidativen Potentials erwiesen sich die Fluoreszenz- und ESR-Spektroskopie als am „meist” geeignet. So wurden gute Korrelationen zwischen den intrinsischen und zellbasierten Methoden zur Bestimmung des Oxidativen Potentials gefunden, jedoch sei darauf hingewiesen, dass zurzeit eine parallele Analyse (intrinsisch und zellulär) von Nöten erscheint um das weite Effekt- und Reaktionsspektrum der untersuchten Nanomaterialien zu erfassen. Darüber hinaus wurden die zellulären Effekte aller 16 Nanomaterialien entsprechend dem 3-Stufen Modell des Oxidativen Stresses eingeordnet und somit eine prinzipielle Gruppierungsmöglichkeit auf dieser Basis gezeigt.

Eine anschließende schematische (bestehendes Gruppierungsschema) und statistische Gruppierung (insbes. Clusteranalyse) anhand der Metriken Oxidatives Potentials bzw. Oxidatives Potential bezogen auf die spezifischen Oberfläche konnte ebenfalls durchgeführt werden. Sowohl das Oxidative Potential als auch das Oxidative Potential bezogen auf die spezifischen Oberfläche wurden hierbei als mögliche Gruppierungsmetriken für Nanomaterialien identifiziert. Der nanOxiMet Gruppierungsansatz ist prinzipiell sowohl auf neuartige als auch auf bereits untersuchte Nanomaterialien, für die Toxizitätsdaten vorliegen, anwendbar. Eine Übertragung auf bestehende Daten kann somit in der Zukunft zu einer (weiteren) Validierung der Oxidativen Potentials bzw. Oxidativen Potential bezogen auf die spezifischen Oberfläche als Metriken zwecks der Gruppierung von Nanomaterialien führen.

Standardarbeitsanweisungen (engl. = standard operation procedures, SOP) und Datenblätter der Nanomaterialien sind im Veröffentlichungs-Bereich auf der DaNa Webseite verfügbar.


Förderkennzeichen: ERA-Net SIINN - FKZ 03X0128
Laufzeit: 01.06.2013 - 30.05.2016

Projektleitung

Institut für Energie und Umwelttechnik e.V. (IUTA) Logo
PD Dr. Thomas Kuhlbusch, Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V.

Projekt-Partner

Institut für Energie und Umwelttechnik e.V. (IUTA) Logo
Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V., Duisburg (DE)
Leibniz Institut für Umweltmedizinische Forschung (IUF) Logo
Leibniz Institut für Umweltmedizinische Forschung (IUF) gGmbH, Düsseldorf (DE)
Universität Duisburg-Essen (UDE) Logo
Science Support Centre (SSC), Universität Duisburg-Essen (UDE), Essen (DE)
Universität Paris Diderot (UDP) Logo
Unit of Functional and Adaptive Biology (BFA), Universität Paris Diderot (UDP), Paris (FR)

Veröffentlichungen

  • nanOxiMet (2016) "Nanoparticle suspension preparation by cup horn sonication V1.1" [PDF, 205 KB]
  • nanOxiMet (2016) "Procedure for solubility testing of NM suspensions V1.0" [PDF, 157 KB]
  • nanOxiMet (2016) "Size distribution analysis by spray characterisation V1.0" [PDF, 355 KB]
  • nanOxiMet (2016) "Particle size and zeta potential analysis via DLS/ELS V1.1" [PDF, 166 KB]
  • nanOxiMet (2016) "Scanning Electron Microscopy (SEM) Analysis of Nanoparticle Samples V1.0" [PDF, 176 KB]
  • nanOxiMet (2016) "NMR spectroscopy analysis for specific surface area determination V1.0" [PDF, 173 KB]
  • nanOxiMet (2016) "Specific surface area analysis by BET theory V1.0" [PDF, 159 KB]
  • nanOxiMet (2016) "UV/VIS and optical band gap identification of NM suspensions V1.0" [PDF, 187 KB]
  • nanOxiMet (2016) "pH and Redox Potential Analysis V1.0" [PDF, 120 KB]
  • nanOxiMet (2015) "Cellular DCF-DA assay V1.0" [PDF, 330 KB]
  • nanOxiMet (2014) "EPR spectroscopy analysis using the spin probe CPH V1.0" [PDF, 181 KB]
  • nanOxiMet (2014) "EPR spectroscopy analysis using the spin trap DMPO for OH• detection V1.0" [PDF, 184 KB]
  • nanOxiMet (2014) "Cellular viability - WST-1 assay Protocol for adherent cells V2.0" [PDF, 191 KB]
  • nanOxiMet (2015) "Cellular viability - WST-1 assay in NR8383 macrophages V1.0" [PDF, 245 KB]

Liste der nanOxiMet Materialien [PDF, 95 KB] 

2016

  • Aragao-Santiago L., L.C. Bui, A. Evola, S. Boland, A. Baeza-Squiban (2016). The oxidative potential of nanomaterials as a predictive indicator of their toxicity. European Society of Toxicology In Vitro (ESTIV) 2016 International Conference, 14-17 Oktober 2016, Juan-les-Pins, Frankreich. [Poster]
  • Boland S. (2016). In vitro models of the human bronchial epithelium to study the toxicity of nanomaterials. Seminary at UMR-S 1139 INSERM/University of Paris Descartes, Paris, Frankreich. [Vortrag]
  • Hellack B., Aragao-Santiago L, Boland S, Baeza-Squiban A, Neumeyer-Sickinger A, Kolling J, Albrecht C, Schins RPF, Kuhlbusch TAJ (2016). Oxidantien-Bildungspotential als Maß für die Gruppierung von Nanomaterialien und Voraussage von gesundheitlichen Auswirkungen auf den Menschen. 2. NanoCare Clustertreffen, 03-04 Mai 2016, Frankfurt /M., Deutschland. [Vortrag]
  • Aragao-Santiago L., Boland S, Baeza-Squiban A, Neumeyer-Sickinger A, Albrecht C, Schins RPF (2016). The three tiers of oxidative stress response – Results of the nanOxiMet project. nanOxiMet workshop, 2. Mai 2016, Frankfurt /M., Deutschland. [Vortrag]
  • Hellack B, Kuhlbusch TAJ, Aragao-Santiago L, Boland S, Baeza-Squiban A, Neumeyer-Sickinger A, Kolling J, Albrecht C, Schins RPF (2016). Characterisation of NM – Results of the nanOxiMet project. nanOxiMet workshop, 2. Mai 2016, Frankfurt /M., Deutschland. [Vortrag]
  • Kuhlbusch TAJ, Aragao-Santiago L, Boland S, Baeza-Squiban A, Neumeyer-Sickinger A, Kolling J, Albrecht C, Schins RPF, Hellack B (2016). Oxidant Generating Capacity as a metric for grouping of nanomaterials – Results of the nanOxiMet project. nanOxiMet workshop, 2. Mai 2016, Frankfurt /M., Deutschland. [Vortrag]
  • Schins RPF, Kolling J, Neumeyer-Sickinger A, Albrecht C (2016). Oxidant generation properties and oxidative stress – Results of the nanOxiMet project. nanOxiMet workshop, 2. Mai 2016, Frankfurt /M., Deutschland. [Vortrag]

2015

  • Boland S, Santiago-Aragao L, Baeza-Squiban A, Neumeyer-Sickinger A, Albrecht C, Schins RPF, Hellack B, Kuhlbusch TAJ (2015). Oxidant generating capacity as a metric to allow grouping of nanomaterials and prediction of human health effects: the nanOxiMet project. CompNanoTox 04-06 Nov 2015, Malaga, Spanien. [Vortrag]
  • Hellack B., L.A. Santiago, S. Boland, A. Baeza-Squiban, A. Neumeyer-Sickinger, C. Albrecht, R.P.F. Schins, T.A.J. Kuhlbusch (2015). Surface area detection of nanomaterials for exposure and toxicological assessments. European Aerosol Conference, September 6–11, 2015, Milan, Italy. [Poster]
  • Hellack B, Aragao-Santiago L, Boland S, Baeza-Squiban A, Neumeyer-Sickinger A, Albrecht C, Schins RPF, Kuhlbusch TAJ (2015). Oxidant generating capacity as a metric to allow grouping of nanomaterials and prediction of human health effects. EuroNanoForum SIINN-ERANET Workshop, 10-12 Juni 2015, Riga, Lettland. [Vortrag]
  • Neumeyer-Sickinger A., C. Albrecht, J. Werner, R. Wedekind, B. Hellack, TAJ Kuhlbusch, R.P.F. Schins (2015). Nanopartikel-induzierte Toxizität, Entzündung und oxidativer Stress in Lungenzelllinien: Ergebnisse aus dem nanOxiMet Projekt. 1. Clustermeeting NanoCare, 19-20 Mai 2015, Frankfurt /M., Deutschland. [Poster]
  • Hellack B, Aragao-Santiago L, Boland S, Baeza-Squiban A, Neumeyer-Sickinger A, Albrecht C, Schins RPF, Kuhlbusch TAJ (2015). Oxidantien-Bildungspotential als Maß für die Gruppierung von Nanomaterialien und Voraussage von gesundheitlichen Auswirkungen auf den Menschen. 1. Clustermeeting NanoCare, 19-20 Mai 2015, Frankfurt /M., Deutschland. [Vortrag]
  • Neumeyer-Sickinger A., C. Albrecht, J. Werner, R. Wedekind, B. Hellack, T.A.J. Kuhlbusch, R.P.F. Schins (2015). Screening of the toxicity, oxidant generating and inflammogenic properties of sixteen types of nanoparticles. 81st Annual Congress of the DGPT 2015, 02-04 März 2015, Kiel, Deutschland. [Poster]
  • Aragao-Santiago L., L.C. Bui, J. Dairou, S. Boland. A. Baeza-Squiban (2015). Characterization of the oxidative potential of nanomaterials. Journée scientifique de l'Université Paris Diderot: L'environnement, parlons-en!, 2015, Paris, Frankreich. [Poster]
  • Baeza-Squiban A (2015). Evaluation du potentiel oxydant des nano matériaux pour prédire leur toxicité. Journées « Formation Ingénieurs Citoyens en Nano-microtechnologies », Lyon, Frankreich. [Vortrag]
  • Baeza-Squiban, A. (2015). Nanoparticle et stress oxydant. Ecole scientifique de GIENS (Groupe Interdisciplinaire pour l'étude des Effets environnementaux des NanotechnologieS), Luzarches, Frankreich. [Vortrag]
  • Boland S (2015). Atout et limites des tests in vitro pour évaluer la toxicité des nanoparticules. Séminaire du comité de direction et collège d'experts de Francopa, 2015, Paris, Frankreich. [Vortrag]

2014

  • Aragao-Santiago L, Bui LC, Dairou J, Boland S, Baeza-Squiban A (2014). Characterization of the oxidative potential of nanomaterials. The Fourth International Conference NANOSAFE 2014, Nov 2014, Grenoble, Frankreich. [Vortrag]
  • Kuhlbusch TAJ, Hellack B, Albrecht C, Schins RPF, Neumeyer A, Boland S, Baeza-Squiban A, Aragao-Santiago L(2014). NanOxiMet - Oxidant generating capacity as a metric to allow grouping of nanomaterials and prediction of human health effects. MODENA COST action work group meeting, 10-11 Oktober 2014, Syracuse, Italien. [Vortrag]
  • Aragao-Santiago L, Boland S, Baeza-Squiban A (2014). Characterization of the oxidative potential of nanomaterials. Nanosafety Forum for Young Scientists, 8-9 Oktober 2014, Syracuse, Italien. [Vortrag]
  • Boland S. (2014). Mechanisms of pulmonary toxicity induced by nanomaterials. Third workshop on the risk management of engineered nanomaterials, 22. August 2014, Tsukuba, Japan. [Vortrag]
  • Boland S., A. Baeza-Squiban, L. Aragao-Santiago (2014). Characterization of the oxidative potential of nanomaterials. International antioxidant congress, June 12–13 2014, Paris, Frankreich. [Poster]
  • Aragao-Santiago L., L.C. Bui, J. Dairou, S. Boland, A. Baeza-Squiban (2014). Characterization of the oxidative potential of nanomaterials. ESTIV2014, June 10-13, 2014, Egmond aan Zee, Netherlands. [Poster]
  • Aragao-Santiago L., L.C. Bui, J. Dairou, S. Boland, A. Baeza-Squiban (2014). Characterization of the oxidant potential of nanomaterials. NANOTOX 2014, 7th International Nanotoxicology Congress, April 23–26, 2014, Antalya, Turkey. [Poster]
  • Boland S., A. Baeza-Squiban, L. Aragao-Santiago (2014). Caractérisation du potentiel oxydant des nanoparticules. Congress of the Association for research in toxicology (Association pour la recherche en toxicologie – ARET), Paris, Frankreich. [Poster]

2013

  • Kuhlbusch T.A.J., B. Hellack, C. Asbach, L. Aragao-Santiago, S. Boland, A. Baeza‐Squiban, A. Neumeyer, C. Albrecht, R.P.F. Schins (2013). nanOxiMet – Oxidant generating capacity as a metric to allow grouping of nanomaterials and prediction of human health effects. NanoSafety 2013, 20-22November 2013, Saarbrücken, Deutschland. [Poster]
  • Kuhlbusch T.A.J., B. Hellack, C. Asbach, L. Aragao-Santiago, S. Boland, A. Baeza‐Squiban, A. Neumeyer, C. Albrecht, R.P.F. Schins (2013). nanOxiMet – Oxidant generating capacity as a metric to allow grouping of nanomaterials and prediction of human health effects. 6th International Symposium on Nanotechnology, Occupational and Environmental Health, 28-31 Oktober 2013, Nagoya, Japan. [Poster]
  • Kuhlbusch TAJ, Hellack B, Boland S, Baeza-Squiban A, Albrecht C und Schins R. (2013). Oxidantien-Bildungspotential als Maß für die Gruppierung von Nanomaterialien und Voraussage von gesundheitlichen Auswirkungen auf den Menschen. IUTA-Seminar, 25 Juli 2013, Duisburg, Deutschland. [Vortrag]
  • Kuhlbusch T.A.J., B. Hellack, S. Boland, A. Baeza‐Squiban, C. Albrecht, R.P.F. Schins (2013). nanOxiMet – Oxidant generating capacity as a metric to allow grouping of nanomaterials and prediction of human health effects. EuroNanoForum 2013, Dublin Ireland. [Poster]
  • Hellack B., S. Boland, A. Baeza‐Squiban, C. Albrecht, R.P.F. Schins, T.A.J. Kuhlbusch (2013). nanOxiMet – Oxidant generating capacity as a metric to allow grouping of nanomaterials and prediction of human health effects. IPTC 2013. [Poster]
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