Toxikologisch und funktionelle Charakterisierung von Partikeln

einschließlich der Fasern und Nanomaterialien

Projektkürzel: IPA-132-Partikelassay

Projektlaufzeit: Fortlaufend

Deskriptoren: Partikel, Fasern, Stäube, Nanomaterialien, arbeitsbedingte Erkrankungen, Gefahrstoffe

Anlass/Ziel:

Der weitaus größte Teil der Todesfälle unter den Berufskrankheiten wird durch Partikel einschließlich Fasern verursacht. Dabei wird die Toxizität der Partikel durch deren entzündliche Eigenschaften bestimmt. Chronische Entzündungen der Lunge führen zu schweren Erkrankungen wie chronisch-obstruktive Bronchitis, Fibrosen (z.B. Silikose und Asbestose) bis hin zu Krebserkrankungen. Sehr kleine Partikel, insbesondere Nanopartikel, scheinen besonders wirksam zu sein. Ähnliches wird auch für neue Werkstoffe, vor allem Nanomaterialien, befürchtet.

Für die Entzündungswirkung und die nachfolgenden gesundheitlichen Effekte von eingeatmeten Partikeln und Fasern ist die Einwanderung von Entzündungszellen in die Lunge ein zuverlässiges Zeichen. Arbeitsplatzgrenzwerte für Partikel zielen entsprechend auf die Vermeidung der Entzündung ab. In einem Vorläuferprojekt konnte dieser Prozess der Einwanderung (Migration) von Entzündungszellen in einem robusten, gut reproduzierbaren und in gängigen Labors einsetzbaren Screening-Assay abgebildet werden. Dieser Test soll für die Routinetestung von neuen (Nano)-Materialien und weiteren bislang nicht oder unzureichend untersuchten Partikeln und Fasern weiterentwickelt werden.

Durchführung

Als Grundlage für den In-vitro-Asssay dient die Fähigkeit von Entzündungszellen, in Richtung körpereigener Signalstoffe zu wandern (Chemotaxis). Als Hypothese wird angenommen, dass Partikel unterschiedlich starker Entzündungswirkung ein unterschiedliches Ausmaß dieser Zellwanderung bewirken.

Im Rahmen des Vorläuferprojektes wurde hierzu der „Partikel-induzierte-Zellmigrationstest“ (Particle-Induced Cell Migration Assay, PICMA) entwickelt. Bei dem Test werden NR8383-Alveolarmakrophagen eingesetzt, die zwar aus der Ratte stammen, aber alle wesentlichen Funktionen menschlicher Alveolarmakrophagen besitzen. Zu diesen Zellen werden zunächst Partikel mit bekannter, unterschiedlich ausgeprägter entzündungsfördernder Wirkung gegeben und die Zellüberstände untersucht. Als Zellen, die angelockt werden sollen, werden differenzierte Human Leukemia-60 Zellen genutzt (dHL-60), eine sehr häufig eingesetzte Modellzelllinie für neutrophile Granulozyten.

Die bisherigen Versuche zeigen, dass Partikel und Fasern in dem Test differenzierte, dosisabhängige und teils starke chemotaktische Wirkungen zeigen, deren Ausmaß mit deren bekannten entzündlichen Wirkungen im Einklang steht: keine Chemotaxis für inerte Partikel wie Bariumsulfat, schwache Chemotaxis für wenig entzündliche Partikel - beispielsweise Titandioxid – und sehr starke für stark entzündliche Fasern, insbesondere Chrysotil A –Asbest oder Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNT).

Die aus dem Assay gewonnenen Erkenntnisse können bei der Einstufung von Partikeln und in erweiterte Schutzmaßnahmen beim Einsatz verschiedener Fasern und Nanomaterialien einfließen.

Literatur

Loza K, Schremmer I, Bünger J, Westphal GA, Köller M, Epple M, Sengstock C. Barium sulfate micro- and nanoparticles as bioinert reference material in particle toxicology. Nanotoxicology Nanotoxicology. 2016; 10:1492-1502

Schremmer I, Brik A, Weber DG, Rosenkranz N, Rostek A, Loza K, Brüning T, Johnen G, Epple M, Bünger J, Westphal GA. Kinetics of chemotaxis; cytokine; and chemokine release of NR8383 macrophages after exposure to inflammatory and inert granular insoluble particles. Toxicol Lett 2016; 263: 68-75

Westphal GA, Schremmer I, Rostek A, Loza K, Rosenkranz N, Brüning T, Epple M, Bünger J. Particle-induced cell migration assay (PICMA): a new in vitro assay for inflammatory particle effects based on permanent cell lines Toxicol in Vitro 2015; 29: 997-1005