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

Fro

m:D

abru

nzet

al 2

011,

PLo

SO

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Vol

ume

6 |I

ssue

5 | e

2011

2

+ 1h + 48 h

+72 h +96 h ESEM-EDX

24h

1. H

äutu

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!