Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Möglichen Gefahren der Nanopartikel auf der Spur - Empa-ForscherInnen entwickeln Zellkultur-Testverfahren

09.05.2006
Die Welt wird besser dank Nanotechnologie. Das verspricht zumindest das Marketing der Nanotechbranche. Hingegen sind mögliche Risiken der winzigen Teilchen für Mensch und Umwelt erst wenig erforscht. Dem wollen Empa-ForscherInnen abhelfen; innerhalb des Projekts "NanoRisk" hat ein Empa-Team Zelltests entwickelt, welche die Toxizität - die "Giftigkeit" - schnell und einfach abschätzen sollen. Erste Ergebnisse zeigen: Nanopartikel ist nicht gleich Nanopartikel.

MaterialwissenschaftlerInnen bieten sich seit dem Anbruch des "Nano-Zeitalters" ungeahnte Möglichkeiten. Denn Nanopartikel - also Teilchen mit einem Durchmesser von einigen Nanometern, oft nur wenige Moleküle gross - weisen andere physikalisch-chemischen Eigenschaften auf als grössere Partikel des gleichen Materials. Damit lassen sich erstmals neuartige Werkstoffe mit massgeschneiderten Eigenschaften herstellen. Schmutz abweisende Hemden, Pfannen, die nichts mehr anbrennen lassen, kratzfeste Beschichtungen, bessere Computer-Harddisks oder effektiverer Sonnenschutz - die Nano-Produktepalette ist in der Tat beeindruckend. Doch wie reagiert der menschliche Organismus auf die winzigen Teilchen? Welche Auswirkungen haben Nanopartikel etwa auf Zellen und Gewebe? Da die Nanoteilchen ungefähr die gleiche Grösse haben wie die Eiweissmoleküle einer Zelle, sollten sie von dieser leicht aufgenommen werden können. Doch was geschieht dann mit der Zelle? Viele Fragen, wenige Antworten.


Menschliche Lungenzellen, die drei Tage lang Eisenoxid-Nanopartikeln (Fe2O3) ausgesetzt waren. Die Zellen fangen bereits an sich abzurunden und von der Unterlage zu lösen. Ein erstes Anzeichen dafür, dass Eisenoxidpartikel zytotoxisch sind. Foto: Peter Wick, Empa.

Höchste Zeit also, sich der "Nanotoxikologie" zu widmen, dachten sich Peter Wick, Arie Bruinink und ihre KollegInnen an der Empa. "Wenn man diese neuartigen Materialien schon in grossem Massstab einsetzen will, ist es notwendig abzuklären, ob die neuen physikalisch-chemischen Eigenschaften nicht unerwartete Auswirkungen auf den menschlichen Organismus mit sich bringen", sagt der Zellbiologe Wick.

Zellkulturen als Versuchskaninchen für Toxizitätstests

Ziel der Empa-ForscherInnen war es, ein schnelles und einfaches Testsystem zu entwickeln, um eine erste Abschätzung der Toxizität von Nanopartikeln zu erhalten ohne auf Tierversuche zurückzugreifen. Ein idealer Kandidat hierfür sind Zellkulturen, wie sie auch bei Toxizitätstests von Chemikalien zum Einsatz kommen. "Wir mussten allerdings schnell feststellen, dass dies bei Nanopartikeln nicht so einfach ist", so Wick. Das Problem: Die kleinen Teilchen verkleben sehr schnell. "Als wir die Nanopartikel in die Nährlösung zu den Zellen gaben, erhielten wir anfangs nur Klumpen, die etwa so gross waren wie eine ganze Zelle", erinnert sich Wick. "Gott sei Dank haben wir gute Materialwissenschaftler an der Empa." Die halfen den Biologen mit einigen Tricks, das Nanopulver in der Zellnährlösung zu suspendieren und anschliessend zu untersuchen, etwa unter dem Elektronenmikroskop. So wissen die Empa-ForscherInnen stets genau, in welcher Form und in welcher Grösse die Nanopartikel vorliegen. Inzwischen ist es ihnen auch gelungen, die Nanoteilchen nach Grösse und Form voneinander zu trennen. "Viele der bisherigen Studien, die sich mit der Toxizität von Nanopartikeln befassen, wurden von Biologen durchgeführt, die sich nicht darüber im Klaren sind - wie wir anfangs eben auch -, in welcher Form die Teilchen schlussendlich mit den Zellen interagieren. Das ist dann gute Biologie, aber lausige Materialwissenschaft", sagt Wick. Gebe man einfach Nano-Rohmaterial auf die Zellen, könne man nie sicher sein, welche Art von Teilchen für den beobachteten Effekt verantwortlich waren.

Nicht alle Nanopartikel sind gleich schädlich für die Zellen

Nach ihren materialwissenschaftlichen "Hausaufgaben" haben Wick und seine KollegInnen nun sieben industriell wichtige Nanopartikel auf ihre zelltoxische Wirkung untersucht - von dem als harmlos geltenden Siliziumoxid, das schon seit langem als Nahrungsmittelzusatz verwendet wird, etwa in Ketchup, über Titan- und Zinkoxid, das in Kosmetika zum Einsatz kommt, bis hin zu Cer- und Zirkonoxid aus der Elektronikindustrie. Zum Vergleich testeten die Empa-ForscherInnen Asbestfasern, deren toxische Wirkung auf Zellen bestens bekannt und untersucht ist. (Asbestfasern, die eine durchschnittliche Länge von rund zehn Mikrometern und einen Durchmesser von etwa einem Mikrometer aufweisen, zählen allerdings nicht zu den Nanopartikeln.) Als Versuchskaninchen benutzten die ForscherInnen Zellinien zweier Zelltypen: menschliche Lungenzellen und Mausfibroblasten, welche häufig bei Toxizitätstest verwendet werden. Der Stoffwechsel der Zellen, deren Teilungsrate sowie ihr Erscheinungsbild unter dem Mikroskop diente den ForscherInnen als Gradmesser für den Gesundheitszustand der Zellen. Fazit der Studie, die demnächst im Fachblatt "Environmental Science & Technology" erscheint: "Nicht alle Nanopartikel sind gleich toxisch".

Zwischen Asbest und Siliziumoxid konnte das Empa-Team eine Art "Toxizitätsrangliste" aufstellen: Während Eisen- und Zinkoxidpartikel den menschlichen Lungenzellen erheblich zusetzen, erwies sich Trikalziumphosphat (das bei medizinischen Implantaten zum Einsatz kommt) als ähnlich verträglich wie Siliziumoxid. Titanoxid, Ceroxid und Zirkonoxid haben den Zellstoffwechsel zwar kurzfristig beeinträchtigt, waren aber deutlich weniger toxisch als Asbest. Insgesamt reagierten die menschlichen Lungenzellen deutlich empfindlicher auf die Nanopartikel als Mausfibroblasten. "Die Lungenzellen eignen sich daher sehr gut für derartige Toxizitätsuntersuchungen", sagt Wick. "Unser Ziel ist es, ein Zellsystem zu entwickeln, das den Tierversuchen möglichst nahe kommt." Daher untersuchen die Empa-ForscherInnen derzeit eine ganze Reihe unterschiedlicher Zelllinien, unter anderem drei unterschiedliche Lungenzelltypen sowie frisch isolierten Hühnerembryo-Nervenzellen.

Für Kohlenstoffnanoröhrchen gilt: Je mehr sie miteinander verkleben, desto toxischer

In einer noch unveröffentlichten Studie haben Wick und seine KollegInnen Kohlenstoffnanoröhrchen - im wahrsten Sinn - unter die Lupe genommen. Im Gegensatz zu Nanopartikeln waren die Nanoröhrchen gerade dann besonders schädlich für die Zellen, wenn sie zu grösseren Nadeln zusammengeklebt waren. "Diese Agglomerate gleichen Asbestfasern - sowohl im Aussehen wie auch in ihrer Toxizität", sagt Wick. "Die scheinen also nicht ganz unbedenklich zu sein."

Als nächstes will der Biologe verstehen, was genau in einer Zelle abläuft, wenn sie Nanopartikeln ausgesetzt ist. Dazu analysiert er die Aktivität von Tausenden von Genen mit Hilfe so genannter DNA-Chips. "So können wir sehen, was die Partikel in der Zelle auslösen, welche genetischen Programme an- oder abgeschaltet werde", so Wick.

"NanoRisk" untersucht auch die Auswirkungen der Nanotechnologie auf die Gesellschaft

Die Ergebnisse aus Wicks Studien werden - zusammen mit anderen Daten etwa aus Tierversuchen oder Untersuchungen über die Verteilung der Nanopartikel in der Umwelt - von ForscherInnen um Lorenz Hilty dazu benutzt, eine Risikoabschätzung für Nanopartikel und -röhrchen vorzunehmen. Dazu analysieren sie sämtliche Studien zum Thema Nanotoxikologie und befragen ExpertInnen, um die Stärken und Schwächen der Studien zu evaluieren. Vorläufiges Zwischenresultat: Es gibt erst wenige aussagekräftige Studien auf diesem Gebiet, die sich zum Teil erst noch widersprechen. Das könnte unter anderem daran liegen, dass die verwendeten Nanopartikel oft nicht genau analysiert werden; die ForscherInnen wissen also oft nicht, in welcher Form bzw. Grösse die Teilchen vorliegen.

In einer zweiten Phase werden die Empa-ForscherInnen dann konkrete Anwendungsbeispiele von Kohlenstoffnanoröhrchen genauer untersuchen, und zwar von deren Herstellung über die Fertigung der Nanopartikel enthaltenden Produkte bis zu deren Entsorgung. Ziel dieser Lebenszyklusanalyse ist es, genaue Angaben darüber zu erhalten, wann Nanopartikel in welchen Mengen freigesetzt werden, um daraus mögliche Vorsorgestrategien ableiten zu können.

Weitere Informationen
Dr. Peter Wick, Abt. Materials Biology Interactions, peter.wick@empa.ch, Tel. +41 71 274 76 84
Prof. Dr. Lorenz Hilty, Abt. Technologie und Gesellschaft, lorenz.hilty@empa.ch, Tel. +41 71 274 73 45

Dr. Michael Hagmann, Abt. Kommunikation, michael.hagmann@empa.ch, Tel. +41 44 823 45 92

Martina Peter | idw
Weitere Informationen:
http://www.empa.ch/
http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/32939/---/l=2

Weitere Berichte zu: Empa-ForscherInnen Lungenzellen Nanopartikel Teilchen Zelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Up-Scaling: Katalysatorentwicklung im Industriemaßstab
22.11.2017 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

nachricht Ozeanversauerung schädigt Miesmuscheln im Frühstadium
22.11.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bakterien als Schrittmacher des Darms

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Ozeanversauerung schädigt Miesmuscheln im Frühstadium

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die gefrorenen Küsten der Arktis: Ein Lebensraum schmilzt davon

22.11.2017 | Geowissenschaften