Vergleich der zellulären Antwort zwischen humanem respiratiorischen Primärgewebe und 3D-Co-Kulturen auf Bariumsulfat - Nanopartikel - Aerosol

Durch den zunehmenden Einsatz synthetischer Nanomaterialien in einer Vielzahl
verbrauchernaher Produkte, müssen neben Arbeitsschutzaspekten bei der Herstellung auch
Gesundheitsaspekte bei der Verwendung der Produkte sowie ihr Verhalten im Abfallpfad geklärt
sein [1]. Die Forderung der NanoKommission die Forschungsanstrengungen zu Risiken durch
Nanomaterialien und -produkte für Verbraucher und Umwelt deutlich zu erhöhen ist daher nach
wie vor aktuell [2]. Der Wissenschaft fällt dabei die Aufgabe zu in Umsetzung des Vorsorgeprinzips
frühzeitig Hinweise auf irreversible Schäden zu geben und Kriterien für eine wissenschaftlich
fundierte Begründung zu entwickeln [3]. In den letzten Jahren hat es einen enormen Fortschritt in
der Datenlage zur humantoxikologischen Relevanz von vielen Nanomaterialien gegeben. Eine
überragende Bedeutung muss freien Nanopartikeln gegenüber Aggregaten, Agglomeraten oder
Matrix gebundenen Kompositen zugeschrieben werden. Der inhalative Aufnahmepfad ist dabei
besonders relevant [2]. Auch primär gebundene Nanopartikel können im Lauf ihres Lebenszyklus
wieder freigesetzt werden, etwa bei der Bearbeitung oder Verbrennung von nanopartikelhaltigen
Produkten und Werkstoffen. Dabei können in nennenswertem Umfang nanopartikelhaltige
Aerosole entstehen [3].
Trotz aller Fortschritte gibt es nach wie vor Informationsdefizite, v. a. im Bereich subtoxischer und
wiederholter Expositionen, oder bei der Beurteilung von Stressantworten aufgrund einer
Überlastung (Particle Overload) und dem Potential einer adaptiven Antwort auf niedrige
Belastungen. Die Unterschiede in der Empfindlichkeit und die Variabilität zwischen Humangewebe
und anderen Spezies, sowie zwischen Tumorzelllinien und Primärzellen, sind ein ebenfalls noch
nicht adäquat gelöstes Problem. Darüber hinaus können in klassischen Submerskulturen die
Bedingungen der humanen Lunge nicht zufriedenstellend abgebildet werden, da hier das Medium
die Zellen bedeckt und so bereits im Kontakt mit diesem aus den Nanopartikeln biologisch weniger
aktive Aggregate entstehen können. Um solche Artefakte weitgehend zu vermeiden werden im
vorliegenden Projekt verschiedene Zellmodelle der humanen Lunge eingesetzt, die jeweils an
einer Seite direkt gegenüber den Testaerosolen exponiert werden. Die Inkubation findet in speziell
dafür konstruierten Systemen statt.

Ziel des geplanten Projektes ist es daher an der Schnittstelle zwischen Zellkulturbasierten in-vitro
Systemen und in-vivo Studien anzusetzen und an humanem Material aus der Lunge in 3DKonfiguration
die Mobilität und die zellulären Effekte von Nanopartikeln aus Aerosolen zu
untersuchen. Hierzu dienen Gewebeexplants aus Operationsmaterial (L-MOC) sowie 3D-Kulturen
aus zum einen primären Lungenzellen und zum anderen aus der alveolaren Epithelzelllinie A549
jeweils in Co-Kultur mit der kapillaren Endothelzelllinie EA.hy926.
Als Testsubstanz soll nanoskaliges Bariumsulfat (BaSO4) verwendet werden. Im Gegensatz zu
anderen Nanomaterialien mit hohem Produktionsvolumen wie Titandioxid, Siliziumdioxid oder
Zinkoxid ist die Datenlage für Bariumsulfat trotz weiter Verbreitung vergleichsweise gering und
daher die regulatorische Bewertung weniger robust.
Aufgrund der guten Datenlage und den in vielen in-vitro Studien belegten Effekten von
nanoskaligem Titandioxid (TiO2) [61], soll Titandioxid als Positivkontrolle eingesetzt werden.
Darüber hinaus eignet es sich mechanistisch für das Forschungsvorhaben, da seine Effekte, wie
die der Bariumsulfat-Nanopartikel, nicht über freigesetzte Ionen vermittelt werden.
Die Nanopartikel-Aerosole werden über ein Expositionssystem mit MatriGrid® Kulturmatrix
(Expertise TUILM) einmalig sowie wiederholt auf primäres normales Lungengewebe (Expertise
MLU) einwirken und bis zu vier Wochen nachverfolgt werden. Als Parameter werden zytotoxische
Effekte und weitere Endpunkte sowie Marker für epitheliale Morphologie und Zell-Zellkontakte untersucht. Der
spezielle Fokus ist dabei niedrige, subtoxische Expositionen anzuwenden und die Reaktionen über
einen längeren Zeitraum zu verfolgen, um zu differenzieren welche Auswirkungen direkt Partikelassoziiert
und welche auf Entzündungsmediatoren zurückzuführen sind.
Das Projekt soll das Wissen aus den unterschiedlichen Fachdisziplinen Ingenieurswissenschaften
und Toxikologie zusammenführen und bei den technischen und physikalischen Aspekten der
Aerosolerzeugung und der Zellkulturexpositionen anwenden. Die Expositionssysteme und die
speziellen Matrices für die 3D-Kultivierung der Zellen sind an der TUILM etabliert und werden auf
die Erfordernisse des Projektplans adaptiert. Die MLU bringt sein System der Primärkultur
normaler humaner Lunge sowie seine Erfahrung im Bereich der Inhalationstoxikologie zur
Bewertung von Daten und die besonderen Erfahrungen zum regulatorischen und legislativen
Kontext (Bewertungsgremien, Sachverständigenrat für Umweltfragen) ein. Gemeinsam sollen im
vorliegenden Projekt die Mobilität von Bariumsulftat- und Titandioxid-Nanopartikeln und die
zellulären Effekte bestimmt werden. Die Befunde sollen als Grundlage für die Ableitung eines
NOAEL für BaSO4 genutzt werden, um die Risiken durch Nanopartikel im Vergleich zur in-vivo-
Situation weder zu überzeichnen noch zu unterschätzen.