Gefahren von Nanoteilchen aus der Umwelt bewerten – wie das gelingt
Kleine Teilchen, große Gefahr: Nanopartikel schädigen die Gesundheit auf vielfältige Weise. Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und-Wissenschaftler fanden einen Weg, die biologische Wirkung solcher Umweltschadstoffe zu bewerten.
Multiorgan-Chip zur Bestimmung biologischer Eigenschaften von Nanopartikeln.
Foto: TissUse GmbH
Nanopartikel entstehen auf unterschiedlichen Wegen. Natürliche Quellen sind Vulkanausbrüche, Waldbrände oder mineralische Partikel, die durch Luftströmungen verfrachtet werden. Deutlich wichtiger sind anthropogene Ursachen, nämlich Industrieruß, Abgase aus Fahrzeugen, Abrieb von Reifen oder Staub aus Laserdruckern.
Kleine Teilchen werden aufgrund ihrer geringen Größe von 10 bis 100 Nanometern leicht vom menschlichen Organismus aufgenommen. Sie durchdringen Barrieren der Haut und der Schleimhäute. Die toxikologische Bewertung solcher Umwelt-Schadstoffe wirft zahlreiche Fragen auf. Umso wichtiger sind Technologien zur Bewertung der Risiken. Deshalb haben Forschende am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM, am Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI und an der TU Berlin einen Multiorgan-Chip. Er bewertet die Wechselwirkung von Nanopartikeln aus der Umwelt mit verschiedenen Zell- und Gewebetypen. Die Ausgründung TissUse GmbH verfolgt alle Arbeiten weiter.
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Wie lässt sich die biologische Wirkung von Nanoteilchen nachweisen?
Moderne Verfahren zur Detektion von Nanoteilchen in Umweltproben sollen schnell funktionieren, reproduzierbare Ergebnisse liefern und möglichst ganz auf Tierversuche verzichten. Es kommt darauf an, Effekte auf menschliche Zellen zu erkennen. Wie kann das gelingen? Die Idee war, zwei bereits entwickelte Systeme zu kombinieren, nämlich den Multiorgan-Chip Humimic Chip3 und den P.R.I.T.® ExpoCube®. Der Humimic Chip3 hat die Größe eines Objektträgers von 76 mal 26 Millimetern: Platz genug für miniaturisierte Gewebekulturen menschliche Zellen, etwa Lungen- oder Leberzellen. Mikropumpen versorgen sie mit Nährlösungen. Er dient dazu, Zellen am Leben zu erhalten.
Die Forschenden haben vier dieser Multiorgan-Chips in einen P.R.I.T.® ExpoCube® gepackt. Das Gerät hat eine Besonderheit. Damit gelingt es, Zellkulturen luftgetragenen Umwelt-Schadstoffen an der Grenze zwischen Luft und Flüssigkeit auszusetzen und die Effekte zu bewerten. Nanopartikel gelangen über ein spezielles Leitungssystem bis an die Zellen auf den Multiorgan-Chips. Diese Technologie zur Exposition simuliert, wie beispielsweise Lungengewebe auf Schadstoffe reagiert. Sie verfügt über diverse Steuerungssysteme wie Mikropumpen, Heizelektronik, Aerosolleitungen und Sensoren, um Zellkulturen am Leben zu halten. Warum das so wichtig ist, erklärt Tanja Hansen vom Fraunhofer ITEM. „Sollen Lungenzellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenze exponiert werden, spielen zahlreiche Parameter hinein, beispielsweise die Temperatur, der Fluss des Nährmediums im Chip, aber auch der Aerosolfluss.“ Genau dies sei recht kompliziert.
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Mit Simulationen die Realität genau abbilden
Doch entspricht das In-vitro-Modell tatsächlich den Gegebenheiten im Organismus, wenn Nanopartikel eingeatmet werden? Und wie gelingt es, reproduzierbare Bedingungen zu schaffen? Antworten auf diese Fragen kamen vom Fraunhofer SCAI. Ingenieurinnen und Ingenieure entwickelten Modelle, um die Exposition zu simulieren. Eine Herausforderung war, dass sich Teilchen unterschiedlicher Größe auch unterschiedlich verhalten – und dass die sich die Rechenzeit deutlich nach oben ging.
Ein Ergebnis der Modellierung: Im experimentellen System wandern Teilchen durch eine Leitung mit mehreren Abzweigungen an das jeweilige Multiorgansystem. Nur sind die Trägheitskräfte der Nanopartikel gering. Ihre Schwerkraft allein reicht nicht aus, um Zellen zu erreichen. Als Lösung arbeiteten die Forschenden mit der Thermophorese. Darunter sind Kräfte in einem Temperaturgefälle zu verstehen. Die Partikel selbst wurden aufgeheizt. Dann bewegen sie sich in die kühleren Kulturbereiche mit den Zellen.
Genau hier wartete die nächste Herausforderung; schließlich sollen biologische Strukturen nicht thermisch verändert werden. Auch dazu lieferte die Simulation Möglichkeiten, die Geometrie des Systems zu optimieren und den Temperaturgradienten so zu steuern, dass – bei optimalem Effekt – keine Zellen thermisch geschädigt werden. „Über Simulationen können wir die Randbedingungen schnell und einfach ändern und die Auswirkungen dieser Änderungen verstehen – zudem sehen wir Dinge, die im Experiment verborgen bleiben würden“, erklärt Carsten Brodbeck vom Fraunhofer SCAI.
Das Testsystem für Nanopartikel auf dem Sprung in die Praxis
Die Simulationen lieferten den Forschenden Input, um ihr Design weiter zu optimieren. Bei den Tests selbst kamen Referenzpartikel aus Kohlenstoff („Carbon Black“) bzw. als Metalloxiden (Zinkoxid) zum Einsatz. In ihrem System sehen sie einen „Beitrag zur Bewertung der gesundheitlichen Gefahr, die von diesen Partikeln möglicherweise ausgeht“, schreiben sie.
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