Project

nanOxiMet

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.