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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.
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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.
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.
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