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Untersuchung der anti-oxidativen Antworten von Lungenzellen als Endpunkt für die Bewertung von Aerosolen nach Exposition an der Luft-Flüssigkeitsgrenzschicht
Projekt
Förderkennzeichen: BfR-ZEBET-08-1328-209
Laufzeit: 01.11.2007
- 30.09.2011
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Für die toxikologische Untersuchung von Substanzen, die durch Inhalation in den menschlichen Körper gelangen können, gibt es bisher keine anerkannten Ersatzmethoden für Tierversuche. Dies gilt insbesondere für unlösliche Nanopartikel. Daher müssen für die Bewertung des toxischen Potentials von Staubbelastungen am Arbeitsplatz z.B. bei der Produktion von Nanopartikeln oder beim Gebrauch von Nanopartikel-basierten Produkten neue Methoden entwickelt werden, wobei soweit wie möglich auf Tierversuche verzichtet werden soll. Der Einsatz von in vitro Methoden direkt an der Partikelquelle wird angestrebt, allerdings sind die Partikelkonzentrationen häufig so gering, dass die biologischen Effekte nicht messbar sind. Das langfristige Ziel ist, das im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte in vitro Verfahren zur toxikologischen Bewertung von Aerosolen weiter zu entwickeln hinsichtlich Dosisbestimmung und relativ einfach zu messender und trotzdem sensitiver biologischer Endpunkte, um Aerosole mit biologischer Wirkung und möglicher Gesundheitsgefährdung zu detektieren. Dazu muss der Mechanismus der Partikelwirkung auf zellulärer und molekularer Ebene besser verstanden werden. Mit unseren bisherigen Arbeiten konnten wir zeigen, dass oxidativer Stress ein Schlüsselereignis bei der zellulären Antwort auf Partikel aus Verbrennungsprozessen darstellt. Die Zellen verstärken daraufhin ihre anti-oxidativen Abwehrmechanismen, um proapoptotischen Stimuli entgegenzuwirken. Das äußert sich z.B. durch Induktion der Enzyms Hämoxygenase-1 (HO-1) und durch eine Erhöhung des zellulären Glutathionspiegels. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die redox-sensitiven Transkriptionsfaktoren Nrf2 und AP-1 an der Aktivierung der beteiligten Gene involviert sind. Der exakte Mechanismus dieser Prozesse ist jedoch noch nicht gut verstanden. Die Untersuchungen sollen zunächst in Submerskultur durchgeführt und später durch Exposition von Zellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht verifiziert werden.
Der Betrieb des Expositionssystems sowie die Erzeugung und Messung von Aerosol werden am Institut für Technische Chemie des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführt. Das System wird kontinuierlich verbessert insbesondere hinsichtlich der Depositionseffizienz von Partikeln. Die Studie konzentrierte sich auf SiO2 Nanopartikel (NP), weil sie toxischer als TiO2 und Fe2O3 NP in RAW264.7 Makrophagen waren, besonders in Abwesenheit von Serum. Dabei handelte es sich hauptsächlich um nekrotischen Zelltod. SiO2 NP induzierten zeit- und dosisabhängig eine Aktivierung der MAP Kinasen ERK1/2, p38 und JNK1/2. Während die antioxidative Zellantwort (HO-1, NQO1 und GCLC) sehr schwach ausfiel, waren die inflammatorischen Gene TNFß, COX-2, iNOS, IL-6, Cxcl2, IL-1ß MCP-1, FOS auf mRNA-Ebene signifikant erhöht. Auf Proteinebene konnten jedoch nur geringe Mengen TNF-ß, COX-2, IL-1ß und IL-6 nachgewiesen werden. Da bei keinem der untersuchten Endpunkte ein Effekt des Antioxidanz N-Acetyl-Cystein (NAC) festgestellt werden konnte, wurde geschlussfolgert, dass oxidativer Stress bei den SiO2 NP-induzierten Zellantworten keine Rolle spielt. Die beobachteten Effekte sind daher möglicherweise ein Resultat der Partikel-induzierten Zytotoxizität. SiO2-NP wurden auch als Aerosol auf A549 Epithelzellen appliziert und die Effekte wurden mit der Submersexposition verglichen. Die A549-Zellen waren bei vergleichbarer Dosis gegenüber dem Aerosol weniger empfindlich als nach Submersexposition.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Tiergesundheit
