Leibniz-Forschungsverbund
Nanosicherheit

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Forschungsoutput

Quantifizierung internalisierter Silika-Nanopartikel mittels STED-Mikroskopie

Auf dem Gebiet der Nanosicherheitsforschung trägt Dosimetrie zum Verständnis von Nanopartikel-induzierten Effekten auf zellulärer Skala und zur Risikoabschätzung bei. Nicht nur in vivo sondern auch bei in vitro Experimenten sind Informationen zur Anzahl der eingesetzten Nanopartikel (NP), der die Zellen erreichenden NP-Dosis sowie der intrazellulären NP-Dosis erforderlich.

In der durchgeführten Studie wurde die Anzahl von in A549-Zellen aufgenommenen 25 nm und 85 nm Silika-NP bestimmt. A549-Zellen dienen als Modell für Typ-II-Lungenepithelzellen. Die Zellen wurden jeweils einer identischen Ausgangspartikelzahl von (9,2×10^10 NP ml^-1) ausgesetzt. Aufgrund von Sedimentation betrug die Partikelzahl in unmittelbarer Umgebung der Zellen 2,3×10^12 NP ml^-1.

Die Anzahl der Partikel wurde mit Hilfe von Bildbearbeitungsmethoden aus 3D-STED (Stimulated Emission Depletion)-Mikroskopieaufnahmen der Zellen extrahiert. Die Anzahl der aufgenommenen NP lag bei beiden Partikelgrößen in der gleichen Größenordnung (2,5 10^11-4,8 10^12 NPs ml^-1 Zellvolumen). Die kleineren Partikel wurden dabei nur in geringfügig stärkerem Maß akkumuliert. Die intrazelluläre Partikelkonzentration lag damit innerhalb von 5 h nicht signifikant über der Partikelkonzentration in unmittelbarer Umgebung der Zellen. Die Experimente wurden bei nicht-zytotoxischen NP-Konzentrationen durchgeführt.

Henrike Peuschel, Thomas Ruckelshausen, Christian Cavelius, and Annette Kraegeloh „Quantification of internalized silica nanoparticles via STED microscopy“, BioMed Research International, Article ID 961208.


Seneszenz und Organalterung ausgelöst durch Kohlenstoffnanopartikel

Die Arbeitsgruppen von Prof. Judith Haendeler und Dr. Klaus Unfried am IUF Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung haben gemeinsam erstmalig gezeigt, dass reine Kohlenstoffnanopartikel zelluläre Seneszenz in primären humanen Endothelzellen und Lungenepithelzellen auslösen (Büchner et al., 2013). Diese Behandlung führte auch zu einer Zunahme von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die an Alterungsprozessen beteiligt zu sein scheinen. Während des Alterungsprozesses kommt es zur Reduktion von Organfunktionen und letztendlich zum multiplen Organversagen, das zum Tod führt. Ein Kennzeichen der Alterung ist die zelluläre Seneszenz. Seneszente Zellen kommen in vivo vor und sind durch verringerte Funktionalität gekennzeichnet. In einem jüngst von der DFG bewilligten Forschungsprojekt werden nun die bislang unbekannten molekularen Mechanismen der Kohlenstoffnanopartikel-induzierten zellulären Seneszenz in primären humanen Lungenepithelzellen und Gefäßendothelzellen ex vivo untersucht. Die Relevanz dieser Ereignisse wird im in vivo Modell mit realistischen Dosierungen verifiziert.


Mechanismen der Toxizität ausgelöst durch inhalierbare Kohlenstoffnanopartikel

Zwei aktuelle Arbeiten aus dem IUF tragen zur Aufklärung molekularer Mechanismen der Nanopartikel-Zell-Interaktion bei:

  • Die Wirkung von Kohlenstoffnanoröhren (multi walled carbon nanotubes, MWCNT) im Hinblick auf Gewebeveränderungen der Lunge wurden von Forschern um Dr. Catrin Albrecht untersucht (van Berlo et al., 2014). Die Forscher beschreiben Zusammenhänge zwischen physikalischen Parametern der Nanoröhren und ihrer Fähigkeit, im Zellkultursystem und im in vivo-Modell oxidativen Stress, Entzündungsreaktionen und Lungenfibrose auszulösen.
  • In einer zweiten Arbeit wird die Bedeutung von Signalprozessen, die durch Kohlenstoffnanopartikel auf der Ebene der Zellmembran ausgelöst werden, beschrieben (Autengruber et al., 2014). Diese Prozesse lassen sich sowohl in Lungenepithelzellen in vitro als auch in vivo im Tiermodell und in aus menschlichem Blut gewonnenen Entzündungszellen nachweisen. Anhand einer neu entwickelten Präventivstrategie, die gegenwärtig für ihre Anwendung am Menschen getestet wird, konnte die Relevanz dieser spezifischen Interaktion zwischen Nanopartikeln und der Zellmembran für die Entstehung von Entzündungsreaktionen demonstriert werden.

Endotoxinbestimmung in Nanopartikel-Suspensionen

Lipopolysaccharide, auch als Endotoxine bezeichnet, sind Bestandteile der äußeren Membran gram-negativer Bakterien und können beim Menschen Reaktionen des Immunsystems hervorrufen. Dementsprechend müssen Nanomaterialien vor einer medizinischen Applikation auf Kontaminationen mit solchen Endotoxinen getestet werden. Umgekehrt können unentdeckte Endotoxin-Kontaminationen bei Studien zur sicheren Anwendung von Nanomaterialien zu falschen Ergebnissen oder Rückschlüssen führen. Die mögliche Interferenz von Nanopartikeln mit Standard-Testsystemen stellt hierbei eine Herausforderung für die Gewinnung verlässlicher Testergebnisse dar.

Im Rahmen des BMBF-Projektes „NanoKon – Systematische Bewertung der gesundheitlichen Auswirkungen nanoskaliger Kontrastmittel“ wurde der Frage nach der Testinterferenz systematisch nachgegangen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Innate Immunity publiziert. Tatsächlich wurde im Rahmen der Untersuchungen eine Interferenz von Silika und Silika-Eisenoxid Kern-Schale-Nanopartikeln mit dem eingesetzten Testassay, dem sogenannten Limulus-Amoebozyten-Gel-Clot Assay festgestellt. Je nach Partikeltyp und eingesetzter Konzentration wurde eine Hemmung oder auch eine Verstärkung des Tests beobachtet. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass unmittelbare Wechselwirkungen zwischen Proteinen des Testreagenzes und der Partikeloberfläche diese Interferenzen bewirken. Die Erkenntnisse tragen zu einem verbesserten Verständnis von Partikelwechselwirkungen mit biologischen Molekülen bei.

Melanie Kucki, Christian Cavelius, and Annette Kraegeloh „Interference of silica nanoparticles with traditional Limulus Amebocyte Lysate gel clot assay” , Innate Immunity 2014, 20, (3), 327-336