Toxikologie und Umwelthygiene

Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin

In-vitro-Toxikologie

Arbeit im Labor

Die Arbeitsgruppe In-vitro-Toxikologie bietet ein einzigartiges Leistungsspektrum zur Charakterisierung der biologischen Wirkung inhalativ wirksamer Noxen – Gase, Partikeln und Aerosole – auf zellulärer Ebene mit In-vitro-Verfahren an. Dafür werden besondere Kultur- und Expositionsverfahren eingesetzt, die auf die individuelle Fragestellung der jeweiligen Studie abgestimmt werden. In Anlehnung an die Realsituation in vivo werden vorwiegend standardisierte Zelllinien des Respirationstrakts in eigens konzipierten Prüfabläufen in so genannten Air/Liquid-Interface-Systemen (unmittelbar an der Luft-Flüssigkeitsgrenzschicht) behandelt und auf biologische Veränderungen analysiert.
Diese Verfahren werden auch zur toxikologischen Bewertung des zyto- und gentoxischen Potenzials umwelt- und arbeitsplatzrelevanter sowie pharmakologisch wirksamer Substanzen eingesetzt. Damit können alternative Prüfmethoden in Sinne der 3Rs (Refine, Reduce, Replace) angeboten werden, die der aktuellen gesetzgeberischen Forderung nach dem Inkrafttreten der europäischen REACH-Verordnung Rechnung tragen.

Weitere Informationen

Methoden

  • Zelluläre Prüfsysteme

    Bild 1 zu den Methoden In-vitro-Toxikologie

    Im Fokus der Arbeiten der Arbeitsgruppe In-vitro-Toxikologie stehen inhalativ wirksame Prüfsubstanzen, zu deren Untersuchung verschiedene zelluläre Prüfsysteme eingesetzt werden. Ihre Auswahl für individuelle Studien wird nach Gesichtspunkten wie Spezies-, Organ- und Wirkort-Relevanz, Auswahl der zu analysierenden Endpunkte, Umfang der Untersuchung, Routine- oder Einzeltest, Konformität zu OECD-Guidelines u.a. getroffen.

  • Air/Liquid Interface Kultur- und Expositionssysteme

    Methoden In-vitro-Toxikologie

    Für die Untersuchung luftgetragener Prüfsubstanzen wurden von der Arbeitsgruppe In-Vitro-Toxikologie verschiedene Verfahren und Expositionssysteme entwickelt und zur Anwendung gebracht. Es stehen Ausstattungen zur Verfügung, um gemäß den Ansprüchen einer individuellen Prüfung luftgetragene Prüfsubstanzen von Abgasen aus Verbrennungsprozessen und umweltrelevanten Gemischen bis zu Chemikalien der In-vitro-Untersuchung zugänglich zu machen.

  • Endpunktmessungen

    In-vitro-Toxikologie, Methoden

    Je nach Fragestellung und biologischem Material werden toxikologisch relevante Endpunkte an den exponierten Zellen oder Geweben analysiert. Dabei stehen sowohl GLP-Methoden (OECD-Guidelines) zur Verfügung als auch individuell etablierte Parameter. Im Hinblick auf inhalative biologische Wirkungen können Endpunkte aus den Bereichen Zelltoxizität, Gentoxizität, immunmodulatorische Effekte oder spezielle Wirkmechanismen wie z. B. oxidativer Stress untersucht werden.

PRIT® ALI-System

Apparatur Prit Bild 2

Das PRIT® Air/Liquid Interface (ALI) Kultur- und Expositionssystem stellt eine völlig neuartige Lösung zum Arbeiten mit Membrankulturen adhärenter Zellsysteme oder Gewebe dar. Auf Grundlage umfangreicher Erfahrungen und Entwicklungen des Fraunhofer ITEM auf diesem Gebiet wurden Erkenntnisse aus einer Vielzahl wissenschaftlicher Untersuchungen eingebracht, um grundsätzliche Limitationen der zur Zeit verfügbaren Methoden dieser Art zu überwinden und damit neue Wege für die Untersuchung inhalierbarer Substanzen in vitro zu erschließen.

Erstmalig ist es mit der PRIT® ALI-System Culture Plate möglich, alle expositionsrelevanten Parameter, die für derartige Untersuchungen essentiell sind und erheblichen Einfluss auf die Robustheit, Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit solcher Untersuchungen nehmen, exakt zu definieren und zu kontrollieren. Hierzu gehört beispielsweise die vollständig getrennte physikalische Konditionierung (Zusammensetzung, Flüsse, Drücke, u.a.) der an der Zellbarriere eines ALI-Kultursystems zusammentreffenden Medien Gasphase (Prüfatmosphäre) und Flüssigphase (Kulturmedium).
 

Prit Apparatur Bild 3

Die Anordnung des Systems in einem Format, das kompatibel ist zu den gängigen Multiwell-Platten, ermöglicht darüber hinaus nunmehr deutlich erweiterte Perspektiven beispielsweise hinsichtlich Durchsatz und Einsatzgebiet für die Routineanwendung solcher Kultursysteme in der Untersuchung von luftgetragenen Prüfsubstanzen.

Gleichzeitig ist erstmalig eine In-situ-Beobachtung der individuell exponierten Kulturen unter der Expositionssituation möglich. Dazu können die exponierten Gewebe direkt in der PRIT® ALI Culture Plate mit laborüblicher Ausstattung wie Mikroskop und Multiwell-Reader per Durchlicht-, Fluoreszenz- oder Lumineszenz-Methoden charakterisiert werden. Von der Einzelzellbeurteilung per mikroskopischer High-Content-Analyse bis zum höheren Durchsatz über Multiwell-Reader-Assays können somit verschiedenste gängige Analyseverfahren unmittelbar angewendet werden.

Prit Bild 1 Apparatur

Angebunden an zugehörige Systemkomponenten wie den PRIT® -Expositionsaufsatz und -Gaszuleitung sind mit diesem System prinzipiell alle luftgetragenen Prüfsubstanzen wie Abgase aus Verbrennungsprozessen, Pharmazeutika, umweltrelevante Prüfatmosphären, gasförmige oder leicht flüchtige Chemikalien der Untersuchung im Hinblick auf verschiedenste inhalative biologische Wirkungen (toxikologische, gentoxikologische oder immunmodulatorische Effekte, Wirkmechanismen, etc.) zugänglich.

Das Fraunhofer ITEM bietet kundenorientiert für spezifische Fragestellungen die Systemetablierung einer hierauf basierenden Lösung an und führt Studien unter Verwendung dieser Technik durch.

Prit Logo

Das System unterliegt dem Patentschutz und befindet sich für weitere Patente der Fraunhofer-Gesellschaft im Anmeldeverfahren.

Projekte

Die Arbeitsgruppe In-Vitro-Toxikologie bearbeitet Projekte von industriellen und öffentlichen Auftraggebern. Schwerpunkte der Projektarbeiten sind

  • Kundenorientierte Entwicklung von Prüfverfahren nach individuellen Erfordernissen des Auftraggebers;
  • Validierungsstudien zu Prüfverfahren, auch unter behördlicher Beteiligung;
  • GLP-Guideline-Studien;
  • Durchführung von Prüfungen für die regulatorische Beurteilung von Substanzen.


Durch die enge Zusammenarbeit mit den anderen Bereichen des Fraunhofer ITEM wie z. B. Genetische Toxikologie, Atemwegsimmunologie, Bio- und Umweltanalytik und Chemikalienbewertung können auch komplexe Projektfragestellungen fachübergreifend bearbeitet werden.

Ausgewählte Publikationen

2009

  • S. Switalla, K. Sewald, D. Ritter, M. Henjakovic, N. Krug, J. Knebel, A. Braun (2009): Precision Cut lung slices for testing of gaseous compounds. 45th Congress of the European societies of toxicology, EUROTOX 2009, Dresden, Germany 09/2009.
    Toxicology Letters 180S, S218
  • L. Smirnova, M. Liebsch, J. Tharmann, M. Bauer, C. Graebsch, G. Linsel, R. Siemers, C. Otto, E. Berger-Preiß, H. Kock, A. Oertel, D. Ritter and J. Knebel (2009): Prevalidation study for testing the toxic effects of inhalable substances (gases) on human lung cells using an air/liquid culture technique.
    7th World Congress on Alternatives and Animal Use in Life Sciences, Rome, Italy 30.08.–03.09/2009
    ATLA 26, Special Issue 101
  • K. Sewald, S. Switalla, D. Ritter, J. Knebel, N. Krug and A. Braun (2009): Cytokine Production after acute exposure of precision cut lung slices to NO2 and O3. 7th World Congress on Alternatives and Animal Use in Life Sciences, Rome, Italy 30.08. – 03.09/2009.
    ATLA 26 Special Issue, 134
  • S. Switalla, K. Sewald, D. Ritter, M. Henjakovic, N. Krug, J. Knebel, A. Braun (2009): Cytokine Production after acute exposure of precision cut lung slices to NO2 and O3. 45th Congress of the European Societies of toxicology, EUROTOX 2009, Dresden, Germany 09/2009.
    Toxicology Letters 56, 189S
  • D. Ritter, J. W. Knebel (2009): Genotoxicity testing in vitro – Development of a higher throughput analysis method based on the comet assay.
    Toxicology in Vitro 16, 691-700

2008

  • D. Ritter and J. Knebel (2008): Standardization of the Comet-Assay – Development of a procedure for improved automated scoring in a system for higher throughput analysis of the Comet-Assay.
    45th Congress of the European societies of toxicology, EUROTOX 2008, Rhodes, Greece, 10/2008.
    Toxicology Letters 180S, S113
  • K. Sewald, D. Ritter, M. Henjakovic, N. Krug, J. Knebel, A. Braun (2008): Precision Cut lung slices for testing of gaseous compounds.
    In vitro World Congress, Rome, Italy 09/2009
    Toxicology Letters 180S, S218

2007

  • Ritter,D.; Knebel, J.; Krüger, D.: Development of a procedure for high content and higher throughput analysis of DNA-damage based on the COMET-Assay
    EuroTox 2007, 10/2007
    In: Abstract Toxicology Letters (2007), 172S, S91

2004

  • D. Ritter, J.W. Knebel, M. Aufderheide (2004): Comparative assessment of toxicities of mainstream smoke from commercial cigarettes.
    In: Inhalation Toxicology 16 (10), 691-700

2003

  • D. Ritter, J. W. Knebel, M. Aufderheide (2003): Exposure of human lung cells to inhalable substances: A novel test strategy involving clean air exposure periods using whole diluted cigarette mainstream smoke. Inhalation Toxicology 15, 69-86
  • M. Aufderheide, J. W. Knebel, D. Ritter (2003): Novel approaches for studying pulmonary toxicity in vitro.
    Toxicology Letters 140-141, 205-211
  •  M. Aufderheide, J. W. Knebel, D. Ritter (2003): An improved in vitro model for testing the pulmonary toxicity of complex mixtures such as cigarette smoke.
    Exp. Toxic Pathol 55, 51-57

2002

  • J. W. Knebel, D. Ritter, M. Aufderheide (2002): Exposure of human lung cells to native diesel motor exhaust – development of an optimized in vitro test strategy.
    Toxicology in Vitro 16, 185-192
  • M. Aufderheide, J. W. Knebel, D. Ritter (2002): A method for the in vitro exposure of human cells to environmental and complex gaseous mixtures: Application to various types of atmosphere.
    ATLA 30, 433-441

2001

  • W. Heppt, J.W.Knebel, D. Ritter, M. Kohler, M. Aufderheide (2001): Induction of cellular effects of complex compositions of nasal sprays exposed under realistic conditions to human respiratory epithelial cells.
    Allergy, Supplement 68 (56), 68
  • D. Ritter, J. W. Knebel, M. Aufderheide (2001): In vitro exposure of isolated cells to native gaseous compounds – Development and validation of an optimized system for human cells.
    Exp. Toxic Pathol 53, 373-386
  • M. Aufderheide, D. Ritter, J. W. Knebel, G. Scherer (2001): A method for in vitro analysis of the biological activity of complex mixtures such as sidestream cigarette smoke.
    Exp. Toxic Pathol 53, 141-152
  • J. W. Knebel, D. Ritter, K. Hoffmann, H. Lödding, H. Windt, W. Koch, M. Aufderheide (2001): Development and validation of a semiautomatic system for generation and deposition of sprays on isolated cells of the respiratory tract.
    Toxicology Methods 11, 161-171

2000

  • D. Ritter (2000): Entwicklung eines Systems zur Untersuchung der biologischen Aktivität atmosphärischer Gase in vitro Hannover, Univ. Diss. 2000

1999

  • D. Ritter, J.W. Knebel, M. Aufderheide, U. Mohr (1999): Development of a Cell Culture Model System for Routine Testing of Substances Inducing Oxidative Stress.
    Toxicology in Vitro 13, 745-751

1998

  • Palm, W.U., Elend, M., Knebel, J.W., Ritter, D., Hecht, M., Rupp, M., Görlitz, B., Emmendörffer, A., Fahrig, R., Zetzsch, C., Aufderheide, M.  (1998): Toxic potential of native and photochemically transformed gaseous compounds: first results of the phototox project.
    In: Mohr, U. (Edit.): Relationships between respiratory disease and exposure to air pollution. ILSI Press 394-398
  • Knebel, J.W., Ritter, D., Aufderheide, M. (1998): Development of an in vitro system for studying effects of native and photochemically transformed gaseous compounds using an air/liquid culture technique.
    Toxicology Letters 96, 97: 1-11
  • Linsel G., J.W. Knebel, C. Otto, M. Tauscher, K. Hoffmann, M. Aufderheide (1998): Risk assessment of bioaerosols: two experimental setups of a bronchial epithelial cell line.
    In Mohr, U. (Edit.): Relationships between respiratory disease and exposure to air pollution. ILSI Press 377-382
  • D. Ritter, J. W. Knebel, M. Aufderheide (1998): PAN (Peroxyacetylnitrat) zeigt stark zytotoxische Wirkungen auf Lungenzellen in vitro.
    39. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Pneumologie, Leipzig, Deutschland, 3/1998
    Pneumologie 52 S75
  • J.W. Knebel (1998): Ein Generierungs- und Depositionssystem zur direkten Untersuchung pharmazeutischer Spray´s an menschlichen Nasenepithelzellen.
    ALTEX 16 (1), 33
  • M. Aufderheide, D. Ritter, J.W. Knebel (1998): Cytotoxic activity of PAN (Peroxyacetyl nitrate), an environmental pollutant, on rat lung cells.
    8th International Congress of Toxicology, Paris, Frankreich, 07/1998
    Toxicology Letters 95 (Suppl. 1) 240
  • Massay, E., Aufderheide, M., Koch, W., Lödding, H., Pohlmann, G., Windt, H., Jarck, P., Knebel, J.W. (1998): Micronucleus induction in V79 cells after direct exposure to whole cigarette smoke.
    Mutagenesis 13, 145-149