Ziel des Projektvorhabens INOS ist eine umfassende Analyse möglicher Schadwirkungen von Nanopartikeln auf Mensch und Umwelt. Bei diesem relativ neuen Forschungsgebiet der Nanotoxikologie ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit verschiedener Fachrichtungen wie Chemie, Werkstoffwissenschaften, Medizin bzw. Toxikologie und Mikroskopie unerlässlich. Die Materialien, die in biologischen Systemen getestet werden sollen, müssen zuvor umfangreich charakterisiert sein, damit die Ergebnisse korrekt interpretiert werden. So ist beispielsweise das Agglomerationsverhalten in den verwendeten Medien der Zellkultur zu berücksichtigen.

Mit den von den Verbundpartnern bereitgestellten und charakterisierten Nanopartikelsuspensionen werden am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig und am Universitätsklinikum in Dresden toxikologisch relevante zelluläre Endpunkte untersucht und mögliche negative Auswirkungen von Nanopartikeln identifiziert.

Einige toxische Reaktionen der Zellen auf Nano- bzw. (Ultra)feine Partikel sind bereits beschrieben worden. Dabei sind die Auswirkungen abhängig von der Art der Partikel, den verwendeten Zellsystemen und den untersuchten Endpunkte.

Unser Forschungsschwerpunkt liegt auf in vitro-Untersuchungen mit

1. •humanen Zelllinien (von Lunge, Haut, Darm und Blut), die sich an möglichen  Aufnahmewegen von Partikeln orientieren,
   

2. •Fischzellen, die stellvertretend für die Auswirkung auf aquatische Systeme untersucht werden und mit
   

3. •Zellen des Gehirns (Primärkulturen von Neuronen und Gliazellen aus Ratten), da von anderen Arbeitsgruppen bereits gezeigt wurde, dass Nanopartikel bis in das Gehirn vordringen (Takenaka et al. 2001) und verschiedene Schädigungen nach sich ziehen. In den Gehirnen exponierter Hunde beispielsweise wurden neurodegenerative Veränderungen und eine Störung der Blut-Hirn-Schranke beobachtet (Calderon-Garciduenas et al. 2002).
   

Unsere Experimente sollen zeigen, ob eine Exposition mit verschiedenen Nanopartikeln

1. •Einfluss auf die Vitalität oder Proliferation der Zellen hat
   

2. •Zelltod bzw. Apoptose bewirkt
   

3. •eine allgemeine Stressantwort in Zellen auslöst
   

4. •Entzündungsmarker reguliert
   

5. •die Gen- bzw. Proteinexpression verändert
   

6. •Mutationen und Tumorpromotion bewirkt
   

7. •die Funktionalität neuronaler Netze beeinträchtigt
   

Um all diese Fragen beantworten zu können, wird eine Vielzahl von Methoden angewendet. Einfache Vitalitätstests wie zum Beispiel der Alamar Blue- und CFDA,AM-Assay (Schreer et al. 2005), Verfahren zur Detektion von reaktiven Sauerstoffspezies (H2DCFDA-Assay und Glutathion-Assay) und Genveränderungen (COMET-Assay) bis hin zu umfangreichen Expressionsstudien mittels realtime RT-PCR, Micro-Arrays und Western Blot gehören zum Repertoire der beteiligten Laboreinrichtungen. Mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie wird außerdem die Aufnahme und Verteilung der Nanopartikel innerhalb der Zellen verfolgt. Weiterhin soll anhand der Messung von extrazellulären Feldpotentialen an kortikohippokampalen Hirnschnitten die Wirkung von Nanopartikeln auf die Funktionalität der Gehirnzellen im Verbund untersucht werden.

Bei allen Experimenten müssen mögliche Interferenzen der Partikel mit den eingesetzten Testsystemen berücksichtigt werden.

Mit Hilfe unserer Ergebnisse wird ein Beitrag zur Identifizierung und Bewertung von Gesundheits- und Umweltauswirkungen von technischen nanoskaligen Partikeln geleistet.

Ansprechpartner:

Dipl.-Biol. Susanne Bastian, Dipl.-Biol. Maria Iwe
Abteilung Neuropädiatrie
Universitätsklinikum Dresden
susanne.bastian@uniklinikum-dresden.de
maria.iwe@uniklinikum-dresden.de

Dr. D. Kühnel
Department für Zelltoxikologie
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) 
dana.kuehnel@ufz.de

Dr. Irina Lehmann
Department für Umweltimmunologie
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)  
Irina.lehmann@ufz.de