Abteilung für Lebensmittelchemie und Toxikologie

Partikuläre und faserförmige (Nano-) Materialien

Partikuläre und faserförmige Materialien in nano- und mikroskaligen Größenbereichen gewinnen zunehmend an Bedeutung in unterschiedlichsten Anwendungen, darunter in der Elektronik, der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie. Voraussetzung für die Akzeptanz dieser Schlüsseltechnologien ist jedoch der sichere Umgang mit den jeweiligen Materialien, der eine fundierte Risikobewertung voraussetzt.

Die potenziell toxischen Wirkungen dieser Materialien sind vielfältig und hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab. Es spielen sowohl die chemische Zusammensetzung als auch die Struktur und Oberflächeneigenschaften eine tragende Rolle.

Es wird jedoch nicht möglich sein, jedes eingesetzte Material einer umfangreichen toxikologischen Untersuchung zu unterziehen. Aus diesem Grund ist die Etablierung von Untersuchungs- und Bewertungsstrategien sowohl für Zellkulturen als auch für Tierversuche dringend erforderlich, um generelle Wirkungsmechanismen für Gruppen von Nanomaterialien aufzuklären und eine anschließende Risikobewertung durchzuführen.

Unsere Arbeiten konzentrieren sich auf mögliche toxische Effekte von partikulären und faserförmigen Materialien in in-vitro Zellkultursystemen. Ein besonderer Fokus wird zunächst auf eine umfangreiche Materialcharakterisierung gelegt, vor allem auf die Größenverteilung, Ermittlung von Löslichkeiten und das Agglomerations- bzw. Aggregationsverhalten der Materialien in biologischen Medien (u.a. Zellkulturmedium und artifizielle Lungenflüssigkeiten).

Die im Rahmen verschiedener Projekte untersuchten Materialien umfassen unter anderem Metall-basierte Nanopartikel und Nanofasern (engl. Nanowire), kristalline Quarzpartikel, Carbonfaserbruchstücke und carbon nanotubes.

Die verwendeten Zellkultursysteme spiegeln die Bedingungen in unterschiedlichen Teilen des menschlichen Körpers wider: Eine potenzielle Inhalation von Partikeln wird durch die Verwendung von Epithelzellen, Immunzellen und Fibroblasten der Lunge simuliert; zur Nachbildung einer dermalen Exposition wird ein Hautmodell mit Keratinozyten und Immunzellen verwendet.

Schematische Darstellung der Applikation von Nanomaterialien über submerse und air-liquid interface (ALI) Exposition. Links: submerse Exposition einer Monokultur. Mitte: ALI Exposition einer Monokultur. Rechts: ALI Exposition einer Triplekultur.
Schematische Darstellung der Applikation von Nanomaterialien über submerse und air-liquid interface (ALI) Exposition. Links: submerse Exposition einer Monokultur. Mitte: ALI Exposition einer Monokultur. Rechts: ALI Exposition einer Triplekultur.

Um in-vivo-Expositionsbedingungen möglichst genau in-vitro nachstellen zu können, werden Mono-, Co- und 3D-Kulturmodelle eingesetzt. So werden auch Interaktionen verschiedener Zelltypen für die Risikobewertung berücksichtigt. Neben der klassischen submersen Exposition ist darüber hinaus eine Exposition über eine Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht (engl. air-liquid interface) möglich. In diesem Szenario werden die Zellkulturen partikel- oder faser-haltigen Aerosolen ausgesetzt.

Ein besonderer Fokus unserer toxikologischen Untersuchungen wird auf mögliche genotoxische Wirkungen der Materialien gelegt, z.B. durch eine vermehrte Generierung reaktiver Sauerstoffspezies oder die Induktion von DNA-Strangbrüchen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Feststellung möglicher inflammatorischer und fibrotischer Mechanismen sowie in der Identifizierung von Toxizitätsprofilen mittels Hochdurchsatz RT-qPCR.

Aktuelle Forschungsprojekte

CFC, weitere Informationen hier.
MetalSafety, weitere Informationen hier.

Ansprechpartner: Dr. Matthias Hufnagel

Titan(IV)-dioxid Nanowires
Silber Nanopartikel

Relevante Publikationen

Hufnagel M., Schoch S., Wall J., Strauch B.M., Hartwig A.

Toxicity and Gene Expression Profiling of Copper- and Titanium-Based Nanoparticles Using Air-Liquid-Interface Exposure

Chemical Research in Toxicology (2020)
 

Strauch B.M., Hubele W., Hartwig A.

Impact of Endocytosis and Lysosomal Acidification on the Toxicity of Copper Oxide Nano- and Microsized Particles: Uptake and Gene Expression Related to Oxidative Stress and the DNA Damage Response

Nanomaterials (2020)
 

Strauch B.M., Niemand R.K., Winkelbeiner N.L., Hartwig A.

Comparison between micro- and nanosized copper oxide and water soluble copper chloride: interrelationship between intracellular copper concentrations, oxidative stress and DNA damage response in human lung cells

Particle and Fibre Toxicology (2017)
 

Maser E., Schulz M., Sauer U.G., Wiemann M., Ma-Hock L., Wohlleben W., Hartwig A., Landsiedel R.

In vitro and in vivo genotoxicity investigations of differently sized amourphous SiO2 nanomaterials

Mutation Research (2015)


Semisch A., Ohle J., Witt B., Hartwig A.

Cytotoxicity and genotoxicity of nano - and microparticulate copper oxide: role of solubility and intracellular bioavailability

Particle and Fibre Toxicology (2014)