Einblick in die Nanotoxikologie: erste zytotoxikologische Ergebnisse von Nanopartikeln

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Lisa Koch
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1 Ma te ria ls Sc ie nc e &Te c hnolo gy Einblick in die Nanotoxikologie: erste zytotoxikologische Ergebnisse von Nanopartikeln Dr. Peter Wick, Pius Manser, Philipp Spohn, Dr. Arie Bruinink Materials-Biology Interactions

2 Anwendungsgebiete und Trends

3 Produktionsverfahren und CNT Eigenschaften übernommen von Hayashi T et al Verfahren: - Lichtbogensynthese - Laser Abdampfung - CVD Eigenschaften: - Durchmesser 1-50nm - Länge 1 endlos nm - ein- und mehrwandig - Orientierung der Gitterstruktur - Verunreinigungen Katalysator - Katalysatoren: Ni, Y, Fe, Co, 2004 Produktion CNT 65t Umsatz 144 Mio 2005 Produktion CNT 100 t Umsatz 200 Mio

4 Aufnahmewege von Nanopartikeln übernommen von Oberdörster et al übernommen von Monteiro-Riviere et al Materials Science &Technology

5 PS80 ein Detergenz zur CNT Dispergierung 250 µg / ml CNT Rohmaterial a effect of PS 80 on MTT and DNA H 2 O PS80 activity [% of control] MTT DNA 0 PS [µg / ml] 50 Nicht-ionisches Detergenz

6 Probenaufbereitung und Charakterisierung Säure / Hitze Aufreinigung Scale bar 200nm Scale bar 20nm Fraktionierung mit PS80 Scale bar 200nm

7 Morphologieveränderungen der Zellen nach NP Menschliche Mesothelioma Zelllinie MSTO-211H Kontrolle CNT Bündel CNT Agglomerate Asbest 3 Tage Inkubation mit 15 µg / ml Np Scale Bar 20µm

8 Reaktive Sauerstoff Radikale (ROS) Messungen 800 amount [% of control] ROS 0 ctrl Sin-1 0.5µM Asb 50µg CNT rm 10µg CNT rm 50µg gemessen nach 2h Partikel-Expostition

Cytotoxikologische Beurteilung versch CNT Fraktionen 400 nm am ount

control] 120 100 80 60 40 20 0 Ni 5.5 wt% Y 0.

submitted 200 nm 100 nm amount [% of control] amount [% of control]

9 Cytotoxikologische Beurteilung versch CNT Fraktionen 400 nm am ount [ % o f c o n tro l] asbestos MSTO SWCNT Rohmaterial DNA MTT Ni 13.8 wt% Y 1.6 wt% SWCNT 36% CNT Bündel CNT supernatant 100 nm amount [% of control] Ni 5.5 wt% Y 0.7 wt% DNA MTT SWCNT 50% Wick et al. submitted 200 nm 100 nm amount [% of control] amount [% of control] CNT Pellet CNT pellet DNA SWCNT purified CNT Agglomerate DNA MTT MTT Ni Y 8.5 wt% 1.1 wt% SWCNT 28% Ni 2.4 w% Y 0.4 w% SWCNT 48%

10 Konsequenzen Durch Fraktionierung der CNT detaillierte cytotoxikologische 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?

11 Cytotoxikologische Beurteilung von Asbest Crocidolit Asbest Grössenverteilung Zusammensetzung 53.8% 3 5 µm 36.0% 5 10 µm 9.2% µm 1.1% > 25 µm Fe Ni Cr Mn 15.1 wt% wt% wt% 0.09 wt% Scale bar 1 µm activity [% of control] d Asbest asbestos 3 Tage Inkubation mit: 0; 7.5; 15; 30 µg/ml DNA MTT Scale bar 20 µm Materials Science &Technology

12 Vergleich CNT mit anderen industriell relevanten Np cell proliferation MSTO SiO2 TiO2 TCP CNT rm CNT bundles CNT pellet SWCNT p. Elicarb Cat (Fe) Ni Y ZrO2 CeO2 Fe2O3 ZnO Asb activity [% of control] cell activity MSTO SiO2 TiO2 TCP CNT rm CNT bundles CNT pellet SWCNT p. Elicarb Cat (Fe) Ni Y ZrO2 CeO2 Fe2O3 ZnO Asb activity [% of control] Brunner TJ et al, in press 3 Tage Inkubation mit 15 µg / ml NP Materials Science &Te chnology

13 Effekte von Nanopartikel auf die Genregulation Affymetrix GeneChip unbehandelt behandelt Gen Chip Hybridisierung + markierte RNA Down regulated Up regulated 1 Experiment, alle Gene des menschlichen Genoms analysiert! Materials Science &Technology

14 Induzierte Gengruppen nach CNT Behandlung biologische Prozesse Asb CNT bundles Apoptosis 18 3 Cell adhesion 12 3 Cell cycle 18 5 Cell differentiation 15 1 Cell migration/motility 10 - Cell proliferation 17 - Cell surface signal trans 10 DNA repair / replication 15 Inflammatory response 8 2 Signaling Phosphorylation 17 9 Regulation Transcription Unknown molekulare Funktionen Asb CNT bundles ATP binding DNA binding 33 8 GTP binding 23 2 Hydrolase 20 7 Metal ion binding Nucleid acid binding 58 6 Oxidoreductase activity 19 3 Protein binding 49 4 Protein serine/threonine 11 8 Signal transducer 11 3 TFs (inkl activators) 29 9 Transferase Unknown p>0.05; 1.5 induziert

15 Zell Partikel Interaktion Zusammenfassung µm - Partikel Nanotubes? ROS? ROS? Aufnahme Zellkern nm - Partikel Apoptose Nekrose Genregulation Zellaktivität Zellproliferation

16 Empa,, 16

17 Functional Material Laboratory Prof. Dr. W. Stark T. Brunner L. Limbach Prof. Dr. P. Gehr Dr. B. Rothen Dr. S. Roth Dr. U. Dettlaff Empa,, 17

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