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Toxizität von Nanopartikeln
Martin Wiemann
IBE R&D gGmbH
Institute for Lung Health
Münster, Germany
martin.wiemann@ibe-ms.de
Inhalt
1. Nanopartikel in der Lunge: Testsysteme und Wirkungen in vivo
2. In vitro –Testsystem: das Makrophagenmodell
3. NP in aquatischen Systemen
From: Geiser and Kreyling Particle and Fibre Toxicology 2010, 7:2
Alveolen der Lunge sind der Hauptdepositions-ort für luftgetragene (Nano)partikel
Inhalationstoxikologische Untersuchungen(OECD 403, OECD 413, OECD GD39)
From: NanoCare: Final Scientific Report (BASF)
- Nose-only-Exposition: 6h/d, 5 d/week, 4 weeks- Untersuchung der Broncho-Alveolären Spülflüssigkeit (BALF)- Histologische Untersuchungen
CeO2
Macrophages
20 µm
Granulozyten (PMN)
BaSO4
Aus NanoCare: Final Scientific Report, 2009
Fehlende Genotoxizität von n-TiO2 (P25, T805)
From: Rehn et al. 2003, Toxicol. Appl. Pharmacol
TiO2(P25) TiO2(T805)
In vivo Experimente grenzen den Dosisbereichfür in vitro Tests ein
From: Pauluhn, Inhal. Toxicol. 2009
Inflammatory responses: >3.9 mg AlOOH per gram lung tissue
> 69 pg/BAL-cell (macrophage)
Makrophagen-Test: quantitative Aufnahme von Partikeln ���� Zellparameter nach 16 h
ROS
TNF
Cytotoxicity
(LDH)
Induced formation of H2O2 (after 16 h particle exposure)
Sedimentation of
particle agglomerates
Uptake of particles by alveolar macrophages
AlOOH (prim. Partikel: ca. 50 nm)
Sum
index (Svitro )
Testung von Alveolarmakrophagen im relevanten Dosisbereich (0-120 pg/Zelle)
Aufnahme von n-TiO2 (600x)
Ergebnisse des Makrophagen-Tests korrelieren mit in vivo Befunden (Instillation)
0
100
200
300
400
0 100 200 300 400 500 6000
100
200
300
400
0 100 200 300
NaCl
AlOOH (5.1)
TiO2 (1.2)
BaSO4 (10)
Quartz DQ12R2 = 0.729(w/o 1.2 mg AlOOH)
S-vivo S-vivo
S-v
itro
R2 = 0.787(w/o 1.2 mg DQ12)
CeO2 (3.1)
Ti-Al-Zr (7.3)
CeO2 (4.4)
Ti-Zr (6.3)
30 pg/cell vs. 0.6 mg/lung 120 pg/cell vs. 4.8 mg/lung S
-vitr
o
A B
Aus NanoCare: Final Scientific Report, 2009
Übersicht über bekannte Wirkungen von Nanopartikeln auf die Lunge
Nanopartikeln vs. mikroskalige Partikel
• transiente Entzündungsreaktion (BALF: Zytokine, Granulozyten, ox. Stress Marker)
• Gewebeschädigung (BALF: Enzyme, Proteine, Faktoren, Histologie)
• Meist ausgeprägtere Wirkung bei gleicher Masse, (oberflächenabhängig, u.a. TiO2, �“dose metric“)
• Einige dieser Wirkungen lassen sich mit demMakrophagenmodell in vitro darstellen
Irreversible Schäden (exprimentell)
• Fibrosierung, Neoplasien (CeO2)
• Granulome (manche CarboNano Tubes)
• Kanzerogene Wirkung bei hohen Dosen in der Ratte (TiO2)
Wissenslücken: Langzeitwirkungen bei niedriger Dosierung
Lemna-Test(höheren Wasserpflanzen)
Algen-Test(OECD 201)
Stoffgem., DIN EN ISO 8692Abwasser, DIN 38412-33
Daphnien-Test(OECD 202)
Gentox-Studien
Quelle: Internetseites des Bayerischen Landesamt für Umwelt
Amerik. Hundsfisch
22 Chromosomen
Fischei-Test(OECD 203, 210)
Aquatische Testsysteme: Adaptierbar für Nanopartikel?
Griffitt et al , Environmental Toxicology and Chemistry, Vol. 27, No. 9, pp. 1972–1978, 2008
(10.5+/- 2.3nm)
( 6.1+/- 1.4nm)( 26.6+/- 8.8 nm)
(26.7+/- 7.1 nm)
(41.7+/ -8.1 nm)
(20.5+/- 6.7 nm)
(270 mg/L)
Nanopartikel in aquatischen Systemen: Agglomeration im Süßwasser
Ag
Ni
Cu
TiO2
Al( 26.6+/- 8.8 nm)
LC50 (48 h), in mg/L
Daphnia pulex Ag 0.04Cu 0.06
Daphnia magna CeO2 (20 nm) 40.0 CeO2 (15nm, 30nm) 1.0
Zebrafisch Ag 7.0Cu 1.0
Nano-Silber, -Kupfer, -Ceroxid im Vergleich: Daphnia - Zebrafisch
AgCu
AgCu
Griffitt et al , Environmental Toxicology and Chemistry, Vol. 27, No. 9, pp. 1972–1978, 2008, sowie daraus [18], [17] , [10]
• Berechnete NOEC: 0.24 mg nTiO2/L
• Maximale Konzentration von nTiO2 in Ablaufwasser: 0.073 mg/L
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m:D
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2011
2
+ 1h + 48 h
+72 h +96 h ESEM-EDX
24h
1. H
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ng
Zum Wirkmechanismus von n-TiO2: behinderte Häutung bei Daphnien
• Aquatische Testsysteme reagieren in Abhängigkeit ihrer organismischen Besonderheiten äußerst sensitiv auf Nanopartikel
• Einige Spezies scheinen daher als Bioindikatoren in besonderer Weise geeignet zu sein
Wissenslücken/Forschungsbedarf:
- Validierte Testsysteme für die ökotoxikologische Prüfung
- organismenspezifische Methodik
- Verfügbarkeit der Test-NP (Agglomeration)
Fazit
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
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