Project

Nanosilberpartikel

NanoSilberPartikel – Wirkmechanismen und Untersuchung ihrer möglichen Interaktion mit Geweben, Zellen und Molekülen. Definition ihres relevanten Unverträglichkeitspotenzials

Ziel des Projekts war es, Methoden zu erarbeiten, um Silber Nanopartikel (AgNP) herzustellen, die sich sicher und unter Erhalt der angestrebten Wirkung in ein Produkt einbringen lassen. Aus verschiedenen Produkten, die sowohl aus fest eingebundenen Silber Nanopartikeln als auch aus freisetzenden, resorbierbaren Systemen bestehen, sollten genaue Kenntnisse über die Wechselwirkungen der eingesetzten Nanopartikel und Nanomaterialien gewonnen werden, um potenzielle Risiken bei ihrer Anwendung möglichst auszuschließen.

Es wurden verschiedene Nanosilber-haltige Materialien entwickelt, die als Modellsysteme für folgende drei Produkttypen mit Silber Nanopartikeln dienen sollen:

1. organische Basis: schnelle und kurzzeitige Silberfreisetzung aus z.B. Kollagenfolien
2. metallische Basis: intermediäre Implantate zur Osteosynthese, z.B. Titanschrauben oder Titanplatten
3. synthetische Basis: Dauerimplantate, z.B. Knochenzement

Es wurde an Materialien mit unterschiedlichem Gehalt an Silber Nanopartikel gearbeitet, um die wirksame Dosis zu finden, bei der sowohl eine ausreichende Freisetzung und Wirksamkeit von Silber erzielt wird und gleichzeitig nicht toxisch auf die untersuchten Zellen wirkt. Hierzu wurden Freisetzungsprofile erstellt und die Toxizität auf verschiedene Zelltypen des Organismus ermittelt. Zum Vergleich wurden neben den Silber Nanopartikeln auch herkömmliche, vollständig lösliche Silbersalze getestet. Des Weiteren wurde die antimikrobielle Wirksamkeit der Produkte unter anderem nach simuliertem Gebrauch bestimmt, um die mögliche Wirkdauer zu ermitteln. In einem begrenzten Tierversuch wurde neben der Verträglichkeit für den Organismus auch eine mögliche Anreicherung der eingesetzten Silber Nanopartikel in den Organen untersucht, was für die verwendeten Implantate nicht der Fall war.

Die Ergebnisse ermöglichen es, das Gefährdungspotential von Silber Nanopartikel und Nanosilber-haltigen Materialien besser und realistischer einzuschätzen, so dass dadurch eine sichere Risikobewertung für ihren Einsatz in Medizinprodukten durchführbar ist. Antimikrobiell aktive Nanosilber-haltige Medizinprodukte stellen nach den vorliegenden Ergebnissen ein geringes Risiko für den Verbraucher dar und vermindern gleichzeitig das Risiko einer Implantat-assoziierten Infektion.

Die Silber Nanopartikel zeigen in den entwickelten Produkten:

• eine gute bakterizide Wirkung
• bereits in geringer Dosierung eine gute Wirksamkeit
• gutes Einbring-Verhalten in erprobte Materialien ohne deren Leistungsfähigkeit zu mindern
• keine unerwünschte Freisetzung beim Einbringen (gilt nicht für resorbierbare Produkte)

NanoPharm

NanoPHARM – Neue photokatalytisch aktive Verbundmaterialienzur Eliminierung von pharmazeutischen Reststoffen

Ziel des Projekts NanoPharm war die Entwicklung und Erprobung neuartiger technologischer Ansätze zum Abbau von Arzneimittelkontaminationen in verschiedenen Wässern, für die mit unterschiedlichen Verfahren modifizierten Photokatalysatoren (z.B. Zink oder TiO₂Nanopartikel) verwendet wurden.

Als besonders effektiv erwiesen sich dabei Biokomposit-Materialien, die unter Nutzung von S-Layern hergestellt wurden, sowie ein Granulat aus Zink Nanopartikeln, welche mit Silber-Ionen dotiert wurden. Darüber hinaus wurden ausreichend stabile Aptamere zur Erkennung ausgewählter Wirkstoffe und deren Anreicherung ausgewählt und charakterisiert.

Sowohl die Stabilität und als auch die Aktivität der neuartigen Photokatalysatoren, die im Vergleich mit bekannten Materialien signifikant erhöht war, wurde in umfangreichen Abbauversuchen untersucht. Hierfür wurden sowohl einzelne Wirkstoffe als auch Wirkstoff-Gemische in Labor- und Versuchsanlagen nachweislich umgesetzt. Begleitet wurden diese Versuche von einer weitgehenden chemisch-analytischen und toxikologischen Bewertung der Transformationsprodukte.

Für die praktische Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Wasserbehandlungskonzept erarbeitet, bei dem der Prozess der Photokatalyse mit dem der Photooxidation verknüpft wurde und simultan im gleichen Reaktionsraum ablaufen kann. Auf diese Weise lassen sich der Verbrauch an Energie und Oxidationsmittel um ca. 20-30% reduzieren.

NanoKon

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 (Fe_xO_y und Fe_xO_y@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.