Toxikologische Prüfung von Nanomaterialien, Partikeln und Fasern

Seit mehr als 20 Jahren führen wir Inhalationsstudien bei Nagern durch und sind damit erfahren auch in komplexen Studien. Dank der apparativen Ausstattung können neben gängigen Faser- und (Nano-)Partikel-Aerosolen anspruchsvolle Expositionsatmosphären (z. B. arbeitsplatzrelevante Bitumenaerosole) erzeugt werden. Wir untersuchen vor allem schwer lösliche Partikel in umweltrelevanten Atmosphären und nach beruflicher Exposition, aber auch die Toxikokinetik retinierter Partikel in der Lunge und den Mechanismus von toxischen Effekten. In den letzten Jahren sind neben den feinen Partikeln die technisch synthetisierten Nanopartikel (< 0,1 µm) aufgrund ihrer vielfältigen Verwendungen in den Fokus der Toxikologie gerückt. Am Institut wurden daher abteilungsübergreifend Pilotprojekte initiiert, mit denen robuste, validierte Screening-Assays zur Abschätzung des toxischen Potenzials dieser Partikelklasse etabliert werden. Aktuell bearbeitete Substanzklassen sind Kohlenstoffnanoröhren (CNT) und Graphene.

Nano-Know-how für aktuelle Forschungsprojekte

Die Partikel- und Faserforschung hat am Fraunhofer ITEM Tradition – seit mehr als zehn Jahren sind auch Nanomaterialien Gegenstand der Forschung und haben sich zu einem Schwerpunktthema entwickelt. ITEM-Wissenschaftler bringen ihr Know-how dazu in aktuelle Forschungsprojekte ein.

Partikel- und Faserforschung hat am Fraunhofer ITEM Tradition – seit mehr als zehn Jahren sind auch Nanomaterialien Gegenstand der Forschung und haben sich zu einem Schwerpunktthema entwickelt.

Einer der Gründe hierfür ist die hohe Zahl neuer nanoskaliger Stoffe, die vor ihrem Marktzugang toxikologisch auf ihre Sicherheit untersucht werden müssen. Zusätzlich zu der Vielzahl von Metallen, Metalloxiden und Industrierußen sind neue synthetische Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Graphene aufgetaucht und in den Fokus der Forschung gelangt. Wissenschaftler vom Fraunhofer ITEM haben an zahlreichen Forschungsprojekten mitgewirkt – und tun das auch aktuell –, die exemplarisch eine kombinierte Anwendung von In-vitro-Tests (Screening) und In-vivo-Tests (physiologische Validierung) zum Ziel hatten. Das Prüfverfahren beinhaltet auch Genexpressionsanalysen, um Frühreaktionen zu erkennen, die mit entzündlichen, proliferativen, gentoxischen oder kanzerogenen Geschehen in Verbindung stehen könnten.

Zu den Projekten gehören unter anderem:

  • CarboTox
  • CaNTser
  • InhalT90
  • PLATOX
  • ICONS
© Fraunhofer ITEM

Voraussetzung für eine Bewertung: Nanomaterialien umfassend charakterisieren

Bevor experimentelle Untersuchungen beginnen können, müssen Proben von Nanopartikeln umfassend physikalisch und chemisch charakterisiert werden. Dies beinhaltet die Bestimmung der spezifischen Oberfläche, des Zeta-Potenzials (gibt Auskunft über die Oberflächenladung der Partikel), des Endotoxinstatus sowie des Agglomerat- und Sedimentationsverhaltens in Flüssigkeiten und Luft. Bei der Charakterisierung des toxischen Potenzials spielen außerdem chemische Oberflächenmodifizierungen mit funktionellen Gruppen für technische Zwecke eine große Rolle.

© Fraunhofer ITEM

Zeit und Ressourcen sparen durch Kombination von In-vitro- und In-vivo-Tests

Angesichts der Vielzahl neuer Nanomaterialien wurde den zuständigen Behörden schon frühzeitig die Notwendigkeit neuer, weithin anerkannter In-vitro-Testbatterien bewusst. Dabei lag der Schwerpunkt auf Hochdurchsatz-Screeningtests (Zell- und Gentoxizität) mit einer anschließenden, sehr eingeschränkten In-vivo-Prüfung, um die Validität der In-vitro-Daten sicherzustellen. Mit diesem Vorgehen kann das zeitaufwendige und sehr kostspielige volle Testprogramm auf diejenigen Substanzen begrenzt werden, die in einer Kategorie oder Gruppe von ähnlichen Substanzen als sehr repräsentativ identifiziert wurden.

Einheitliche Prüfungskriterien finden

Das vorrangige Ziel von Organisationen wie OECD, ECHA und EPA bestand darin, die Anforderungen an die anfängliche Charakterisierung von Nanomaterialien zu vereinheitlichen und Kriterien festzulegen, nach denen sich die extrem große Zahl von Nanomaterialien einengen lässt, bevor mit experimentellen Untersuchungen begonnen wird. Dieser Prozess innerhalb der regulatorischen Behörden ist noch nicht abgeschlossen und tendenziell wird eine Erweiterung der vorhandenen Prüfrichtlinien gegenüber der Verabschiedung separater, reiner »Nano«-Richtlinien bevorzugt. Die zusätzlichen Parameter, die für Nanomaterialien empfohlen werden, betreffen vor allem ihr Lösungsverhalten und ihre Fähigkeit zur systemischen Ausbreitung nach einer Ablagerung im Zielorgan.

Unsere Leistungen im Überblick

  • Nose-only- und Ganzkörperexposition von Nagern
  • Toxikokinetik inhalierter Partikel
  • Deposition und Retention
  • Partikel-Clearance mit Hilfe radioaktiver Tracer
  • Biopersistenz von Fasern
  • Bioverfügbarkeit von Metallen aus Feststoffpartikeln
  • Entzündliche Reaktionen der Lunge
  • Enzyme und Zytokine in der bronchoalveolären Lavage-Flüssigkeit
  • Parameter für oxidative Schädigung
  • Untersuchungen der Zellproliferation in der Lunge
  • Histopathologie