CaNTser. Erforschung des toxischen Potentials von Carbon Nano Tubes nach Langzeitinhalation. BMBF Förderkennzeichen.

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1 CaNTser Erforschung des toxischen Potentials von Carbon Nano Tubes nach Langzeitinhalation BMBF Förderkennzeichen Projektpartner: Fraunhofer ITEM Leibniz-Institut IFW FutureCarbon FC Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare Mai 2015 in Frankfurt/Main

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3 Das Hauptziel des Vorhabens ist es eine tumorverursachende Wirkung von faserförmigen MWCNTs nach Inhalation zu überprüfen einen möglichen Wirkungsmechanismus zu erkennen

4 AP 1 Herstellung und Charakterisierung der CNTs AP 2 Inhalationsversuch AP 3 Instillationsversuche AP 5 Bewertung AP 4 In vitro - Versuche

5 Arbeitspaket 1: Herstellung größerer Mengen einer MWCNT (CNT1), die in dem Langzeitversuch per nose-only Inhalation eingesetzt wird Herstellung verschiedener MWCNTs, wobei CNT-Charakteristika Faserdicke, Krümmungsgrad und eventuell Oberflächenbeschaffenheit variiert werden sollen. Metallgehalt, welcher als Katalysator dient, soll so niedrig gehalten werden, wie es herstellungstechnisch möglich ist

6 Arbeitspaket 1: Um zu testen wieweit sich die MWCNTs für die weiteren geplanten Untersuchungen eignen, soll zunächst die Suspendierbarkeit der Test-CNTs im simulierten Lungenflüssigkeitsmilieu, beispielsweise im Dispersionsmedium nach Porter et al. 2008, untersucht werden Nur MWCNTs, die in diesem Milieu in hoher Einzelfaserkonzentration vorliegen, werden dann vollständig charakterisiert und bei in vivo- (Arbeitspaket 3) und in vitro-untersuchungen (Arbeitspaket 4) eingesetzt

7 Arbeitspaket 1: Da für die Untersuchungen unterschiedliche MWCNTs benötigt werden, soll im Rahmen dieses Projektes die besondere Herausforderung überwunden werden, den Syntheseablauf der MWCNTs so zu steuern, dass unter anderen entweder gerade gewachsene bzw. gekrümmte Nanoröhren entstehen Dies soll über die Steuerung der Defektdichte der MWCNTs erreicht werden und erfordert einen genauen und reproduzierbaren Ablauf des Syntheseprozesses

8 Arbeitspaket 2: CNT 1 - low CNT 1 - mid 28 Tage 90 Tage 12 Monate >24 Monate CNT 1 - high Reinluft (neg. Kontr.) Asbest (pos. Kontr.) CNT 1 (Länge > 5µm, D 40nm)

9 Aerosolausgang Druckausgleichsmembran Stopfen (Reserve) Aerosolbox Lufteinlaß Anregungsmembran Dichtung Sauganschluß Lautsprecher Kabeldurchführung Driverbox Lochplatte Lufteinlaß Druckausgleichsmembran Nach: McKinney W, Chen B, Frazer D. Computer controlled multi-walled carbon nanotube inhalation exposure system. Inhalation Toxicology 2009;21(12): CNT - Generator Dunkhorst

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11 Arbeitspaket 2: Folgende experimentelle Ansätze/Endpunkte sind geplant: Nose-only Inhalationstest (28 Tage subakut, 90 Tage subchronisch und 12 Monate chronisch plus lebenslange Nachbeobachtung) an Ratte mit Histopathologie, Untersuchung der Faserverteilung und Faserbeständigkeit in der Lunge, Wanderung von Fasern zur Serosa, Entzündung, Zellproliferation und Zelluntergang Genexpressionsanalyse von isolierten Ratten Pneumozyten Typ II einen Tag nach einer 28-tägigen und 12-monatigen Inhalation von MWCNTs zur Ermittlung von frühen Biomarkern für eine chronisch-toxische und kanzerogene Wirkung Immunhistologie eines in der Genexpressionsanalyse ermittelten Biomarkers in Lungengewebsschnitten

12 Die Toxizität und wahrscheinlich auch die Tumorinduktion von MWCNTs wird sehr von den unterschiedlichen Modifikationen (Länge, Durchmesser, Krümmung, Oberflächenbeschaffenheit) und den Vereinzelungs-/Verklumpungseigenschaften bestimmt Deshalb sollen in diesem Vorhaben in Kurzzeit-Screeningverfahren diejenigen Eigenschaften der MWCNTs ermittelt werden, welche eine toxische und darauf beruhende kanzerogene Eigenschaft hervorrufen bzw. verstärken oder vermindern

13 Arbeitspaket 4: In vitro Untersuchungen: LP9 - primäre humane Mesothelzellen A549 - Äquivalent zu Lungenepithelzellen (Pneumozyten Typ II) Untersuchung von bis zu 8 verschiedenen CNTs

14 Arbeitspaket 4: In vitro Untersuchungen: Manifeste DNA-Schäden, Nachweis numerischer Chromosomenaberrationen Zytotoxizität und Proliferation Apoptose/Seneszenz Genexpressionsanalysen in vitro basierend auf den Ergebnissen der Genexpressionsanalyse in vivo

15 Arbeitspaket 3: CNT 1 - low CNT 1 - mid CNT 1 - high CNT NM low 28 Tage 90 Tage CNT NM mid CNT NM high 1-2 CNT XY - low 1-2 CNT XY - mid 1-2 CNT XY - high Suspension (neg. Kontr.) Asbest (pos. Kontr.) CNT 1: (Länge > 5µm, D 40nm) CNT NM-401: (Länge 5-15µm, D 10-30nm)

16 Arbeitspaket 3: Folgende experimentelle Ansätze/Endpunkte sind geplant: Intratracheale Instillation von MWCNT Suspension (28 Tage subakut, 90 Tage subchronisch) an Ratte mit Histopathologie, Untersuchung der Faserverteilung und Faserbeständigkeit in der Lunge, Wanderung von Fasern zur Serosa, Entzündung, Zellproliferation und Zelluntergang Genexpressionsanalyse von isolierten Ratten Pneumozyten Typ-II einen Tag nach einer 28-tägigen Instillation von MWCNTs zur Ermittlung von frühen Biomarkern für eine chronisch-toxische und kanzerogene Wirkung Immunhistologie eines in der Genexpressionsanalyse ermittelten Biomarkers in Lungengewebsschnitten

17 AP 1 Herstellung und Charakterisierung der CNTs AP 2 Inhalationsversuch AP 3 Instillationsversuche AP 5 Bewertung AP 4 In vitro - Versuche