Einblick in die Nanotoxikologie: erste zytotoxikologische ... · Materials Science &Technology...
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Ma te ria ls Sc ie nc e &Te c hnology
Einblick in die Nanotoxikologie:erste zytotoxikologische Ergebnissevon NanopartikelnDr. Peter Wick, Pius Manser, Philipp Spohn, Dr. Arie BruininkMaterials-Biology Interactions
Anwendungsgebiete und Trends
Produktionsverfahren und CNT Eigenschaften
2004Produktion CNT 65tUmsatz 144 Mio € 2005Produktion CNT 100 t Umsatz 200 Mio €
Eigenschaften:- Durchmesser 1 - 50nm- Länge 1 – endlos nm- ein- und mehrwandig- Orientierung der Gitterstruktur- Verunreinigungen Katalysator- Katalysatoren: Ni, Y, Fe, Co,…
übernommen von Hayashi T et al. 2003
Verfahren:- Lichtbogensynthese- Laser Abdampfung - CVD
Aufnahmewege von Nanopartikeln
übernommen von Oberdörster et al. 2005 übernommen von Monteiro-Riviere et al. 2005
Ma te ria ls Sc ienc e &Te chno logy
PS80 ein Detergenz zur CNT Dispergierung
Nicht-ionisches Detergenz
250 µg / ml CNT Rohmaterial
H2O PS80
effect of PS 80 on MTT and DNA
0
50
100
0 25 50PS 80 [µg / ml]
activ
ity [%
of c
ontr
ol]
MTTDNA
a
Probenaufbereitung und Charakterisierung
Fraktionierung mit PS80 Scale bar 200nm
Scale bar 20nmSäure / Hitze Aufreinigung Scale bar 200nm
Morphologieveränderungen der Zellen nach NP
Menschliche Mesothelioma Zelllinie MSTO-211H
CNT Agglomerate Asbest
Scale Bar 20µm
Kontrolle CNT Bündel
3 Tage Inkubation mit 15 µg / ml Np
Reaktive Sauerstoff Radikale (ROS) Messungen
gemessen nach 2h Partikel-Expostition
0
200
400
600
800
ctrl Sin-1 0.5µM Asb 50µg CNT rm10µg
CNT rm50µg
amou
nt [%
of c
ontr
ol]
ROS
CNT pellet
0
20
40
60
80
100
120
DNA MTT
amou
nt [%
of c
ontro
l]
**
*
*
*
*
Ni 8.5 wt%Y 1.1 wt%
SWCNT 28%200 nm
CNT Pellet
CNT supernatant
0
20
40
60
80
100
120
DNA MTT
amou
nt [%
of c
ontro
l]
**
*
*
** Ni 5.5 wt%
Y 0.7 wt%
SWCNT 50%100 nm
CNT Bündel
SWCNT Rohmaterial
Ni 2.4 w%Y 0.4 w%
SWCNT 48%
SWCNT purified
0
20
40
60
80
100
120
DNA MTT
amou
nt [%
of c
ontro
l]
*
**
*
*
*
100 nm
CNT Agglomerate
asbestos MSTO
020406080
100120
DNA MTT
amou
nt [%
of c
ontr
ol]
**
*
*
Ni 13.8 wt%Y 1.6 wt%
SWCNT 36%400 nm
CNT Rohmaterial
Cytotoxikologische Beurteilung versch CNT Fraktionen
Wick et al. submitted
Konsequenzen
� Durch Fraktionierung der CNT detailliertecytotoxikologische Beurteilung möglich
� Nickel und Yttrium keine cytotoxikologische Relevanz� gut dispergierte CNT (Bündel) sind weniger cytotoxisch
als agglomertierte CNT� ‚amorpher‘ Kohlenstoff (Pellet Fraktion) reduziert
Zellaktivität und Zellproliferation� Nur eine vollständige Charakterisierung der CNT lässt
eine vernünftige cytotoxikologische Beurteilung zu� CNT Agglomerate sind grösser, steifer als dispergierte
CNT → Analogie zu Asbest?
Cytotoxikologische Beurteilung von Asbest
Ma te r ia ls S c ie n c e & Te c h n o lo gy
Scale bar 1 µm
Grössenverteilung
53.8% 3 – 5 µm36.0% 5 – 10 µm9.2% 10 – 25 µm1.1% > 25 µm
Zusammensetzung
Fe 15.1 wt%Ni 0.001 wt%Cr 0.002 wt%Mn 0.09 wt%
Crocidolit Asbest
asbestos
0
25
50
75
100
DNA MTT
activ
ity [%
of c
ontr
ol] *
*
*
**
*d
*
*
Scale bar 20 µm
Asbest3 Tage Inkubation mit:0; 7.5; 15; 30 µg/ml
Vergleich CNT mit anderen industriell relevanten Np
cell proliferation MSTO
0.0
25.0
50.0
75.0
100.0
SiO2
TiO2
TCP
CNT rm
CNT bun
dles
CNT pell
etSW
CNT p.
Elica
rb*
Cat (F
e) Ni Y
ZrO2
CeO2
Fe2O
3
ZnO
Asb
activ
ity [%
of c
ontrol
]
cell activity MSTO
0.0
25.0
50.0
75.0
100.0
125.0
SiO2
TiO2
TCP
CNT rm
CNT bun
dles
CNT pell
etSW
CNT p.
Elica
rb*
Cat (F
e) Ni Y
ZrO2
CeO2
Fe2O
3
ZnO
Asb
activ
ity [%
of c
ontrol
]
Ma te ria ls Sc ie nc e &Te c hno logy
Brunner TJ et al, in press 3 Tage Inkubation mit 15 µg / ml NP
Gen Chip
markierteRNA
+
Hybridisierung
Effekte von Nanopartikel auf die Genregulation
Up regulatedUp regulated
Down regulatedDown regulated
Affymetrix GeneChip®
unbehandelt behandelt
1 Experiment, alle 33‘000 Gene des menschlichen Genoms analysiert!
Ma te ria ls Sc ie nc e &Te c hno logy
Induzierte Gengruppen nach CNT Behandlung
Asb CNTbundles
Apoptosis 18 3Cell adhesion 12 3Cell cycle 18 5Cell differentiation 15 1Cell migration/motility 10 -Cell proliferation 17 -Cell surface signal trans 10DNA repair / replication 15Inflammatory response 8 2Signaling 68 11Phosphorylation 17 9Regulation Transcription 102 30Unknown 238 73
http://vortex.cs.wayne.edu/ontoexpress/
p>0.05; 1.5 induziert
biologische Prozesse molekulare Funktionen
Asb CNTbundles
ATP binding 38 16DNA binding 33 8GTP binding 23 2Hydrolase 20 7Metal ion binding 100 20Nucleid acid binding 58 6Oxidoreductase activity 19 3Protein binding 49 4Protein serine/threonine 11 8Signal transducer 11 3TFs (inkl activators) 29 9Transferase 31 12Unknown 64 62
Zellkern
Aufnahme
µm - Partikel
nm - Partikel
Nanotubes
Zell – Partikel Interaktion Zusammenfassung
ROSROS
?
??
Genregulation
ApoptoseNekrose
ZellaktivitätZellproliferation
Empa, , 16
Empa, , 17
Prof. Dr. W. StarkT. BrunnerL. Limbach
Functional Material Laboratory
Prof. Dr. P. GehrDr. B. Rothen
Dr. S. RothDr. U. Dettlaff