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Neues Instrumentarium für rationales Design und sicheren Einsatz von Nanomaterialien

Trotz jahrzehntelanger Forschung sind die Toxizitätsrisiken von Nanomaterialien noch wenig erforscht, sodass auch die Sicherheitsbewertung hinterherhinkt. Mit einer bahnbrechende Entwicklung könnten nun die gesundheitlichen Risiken von Nanomaterialien anhand ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften genauer prognostiziert werden.

Sicherheit
Gesundheit

Nanomaterialien gehören einer vielseitigen, praktisch unbegrenzt einsetzbaren Klasse von Materialien mit unterschiedlichsten Zusammensetzungen und physikalisch-chemischen Eigenschaften an. Das einzige gemeinsame Merkmal ist ihre geringe Größe, auf die ihre besonderen, oft aber auch unvorhersehbaren Eigenschaften zurückgehen. Diese wiederum bergen über den gesamten Lebenszyklus des Materials hinweg Risiken für Mensch und Umwelt. Derzeitige Sicherheitsbewertungen sind allerdings teuer, zeitaufwändig und umfassen häufig auch Tierversuche. Das EU-finanzierte Projekt SmartNanoTox entwickelte daher eine einfachere, schnellere und materialspezifische Methode, um vor der Erzeugung eines Produkts mögliche nanotoxische Effekte zu ermitteln.

Zwei Seiten einer Medaille

SmartNanoTox untersuchte die langfristigen Auswirkungen auf Organismen, deren Lunge in Kontakt mit verschiedenen Nanomaterialien gekommen ist, und entwickelte Flussdiagramme, die biologische Reaktionen auf anhaltende toxische Einflüsse aufzeigen, sogenannte Adverse Outcome Pathways, AOP. Zudem wurde mit hochauflösender Bildgebung, chemischen Analysen und Computersimulationen dargestellt, was mit Nanopartikeln in exponiertem Gewebe geschieht. Ein Zusammenführen dieser Informationen zeigte, inwieweit molekulare Wechselwirkungen spezifische, weniger komplexe biologische Prozesse auslösen, etwa Proteinfehlfaltung, Membranzerstörung, Katalyse chemischer Reaktionen oder Penetration der Zellwand. Mit maschinellen Lernalgorithmen und Statistikmodellen wurden Korrelationen zwischen biologischer Toxizität und physikalisch-chemischen Eigenschaften erstellt (etwa, ob es sich um lange, steife, nadelförmige oder um chemisch aggressive, kleine, unlösliche Partikel handelte).

Ausschließen von Zufällen

Das AOP-Framework zeigt kausale Zusammenhänge zwischen dem molekularen Auslöser, mehreren bedeutsamen Zwischenstadien und unerwünschten Nebenwirkungen auf. Zudem wurden mehrere davon unabhängige Reaktionspfade analysiert, die schwere Krankheiten auslösen können. Überrascht war die Gruppe insbesondere über die starken Wechselwirkungen zwischen AOP und auch über die bei mehreren Nebenwirkungen beobachteten ähnlichen Zwischenstufen. Der erweiterte Kenntnisstand trug wesentlich dazu bei, die Prognostizierbarkeit zu verbessern. Projektkoordinator Vladimir Lobaskin vom University College Dublin erklärt hierzu: „Erstmals gelang es, direkte Zusammenhänge zwischen gemessenen oder berechneten Eigenschaften eines Nanomaterials und wichtigen Zwischenstufen der Krankheitsentstehung aufzuzeigen und vorherzusagen, welches Material das Risiko für Fibrosen, Herz-Kreislauf- oder Tumorerkrankungen erhöht.” Mit dieser leistungsstarken neuen Methode zur Sicherheitsbewertung konnte SmartNanoTox detailliert nachweisen, wie Nanopartikel chronische Lungenentzündung auslösen können und wie sich dies mit Zellkulturtests und Computersimulationen vorhersagen lässt, ohne dass Tierversuche nötig sind. Die Ergebnisse hierzu wurden im Fachblatt „Advanced Materials“ veröffentlicht. Zudem wurde belegt, dass die chronische Entzündung bereits durch einmaligen Kontakt mit bestimmten biopersistenten Materialien initiiert werden kann.

In-vitro- und In-silico-Prognosen chronischer Krankheiten

In-vitro-Testsysteme der Aerosolexposition und nach dem Tissue-on-Chip-Prinzip funktionierende zelluläre Sensoren werden bereits über die Projektpartner vertrieben. Andere Werkzeuge sind über Datenbanken oder Open-Source-Software-Repositorien wie die Informationsplattform NanoCommons, AOP-Wiki und die Biochemie-Onlinedatenbank Gene Expression Omnibus frei zugänglich. „Diese bahnbrechende Verknüpfung von Physik, Chemie und Biologie mit der Medizinforschung korrelierte elementare Strukturen von Nanomaterialien mit ihrer biologischen Wirkung. So demonstrierten wir, dass es mit einfachen In-vitro-Tests und Computersimulationen möglich ist, Nanomaterialien als Auslöser für spezifische chronische Krankheiten dingfest zu machen“, schließt Lobaskin. Das Instrumentarium von SmartNanoTox wird dazu beitragen, den Einsatz von Nanomaterialien grundlegend neu bewerten und deren Einfluss im gesamten Lebenszyklus eines Organismus genauer bestimmen zu können.

Schlüsselbegriffe

SmartNanoTox, Nanomaterial, AOP, physikalisch-chemisch, Toxizität, Sicherheitsbewertung, Nanopartikel, biopersistent, Adverse Outcome Pathway

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