Freund oder Feind: Neue Plattform zur Bestimmung der Toxizität von Nanopartikeln
Nanomaterialien werden für ihre einzigartigen physikochemischen Eigenschaften gepriesen, die größtenteils auf ihre geringe Größe, große Oberfläche, chemische Zusammensetzung, Löslichkeit, Form und Aggregation zurückzuführen sind. Ihre Anwendung umfasst viele Sektoren, von der Landwirtschaft und dem Ingenieurswesen bis zu Werkstoffkunde und Medizin. Doch trotz dieser im Vergleich zu Schüttgut vorteilhaften Eigenschaften kann die Anwendung von Nanopartikeln auch ernste Umwelt- und Gesundheitsschäden nach sich ziehen.
Die Säulen der nachhaltigen Nanomaterialfertigung
„Um die Sicherheit von Nanomaterialien bestimmen zu können, müssen wir grundlegend verstehen, wodurch ein Werkstoff toxisch wird. Dazu braucht es tiefgreifendes Wissen aller Phasen des Lebenszyklus der synthetischen Nanopartikel: Quelle, Verbleib, Exposition, Dosierung und Reaktion. Das hängt alles eng zusammen“, berichtet Miguel A. Bañares, Professor am CSIC Institut für Katalyse und Petrochemie in Madrid und Koordinator des EU-finanzierten Projekts NanoInformaTIX. Über das Projekt wurde ein Nanoinformatikinstrument entwickelt, in dem all diese Aspekte zusammengeführt werden, um herauszufinden, wodurch ein Nanomaterial toxisch wird. „Zunächst müssen wir den Verbleib von synthetischen Nanopartikeln in der Umwelt bestimmen, also deren Wechselwirkungen mit der Umwelt: Werden sie zu Sediment oder bleiben sie ungebunden? Anhand dieses Verbleibs in der Umwelt können die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen ihnen ausgesetzt sind, sowie assoziierte Gesundheitsrisiken je nach Menge (Dosis), der die Zellen und das Gewebe ausgesetzt waren, bestimmt werden. Letztendlich hängt die Verteilung von Nanomaterialien von unserer Physiologie und den Wegen, auf die Nanopartikel in unsere Körper gelangen, ab“, ergänzt Bañares.
Datenfragmentierung zur Nanotoxikologie überwinden
Die enormen Datenmengen zu den physikochemischen, toxikologischen und ökotoxikologischen Eigenschaften synthetischer Nanopartikel aus den letzten Jahrzehnten werden durch neue Forschungsergebnisse stets umfangreicher. Doch diese Daten sind weit gestreut. In dem webbasierten Rahmen zur nachhaltigen Nanoinformatik von NanoInformaTIX sind vorhandene und neu eingespeiste Daten in effizienten, benutzungsfreundlichen Schnittstellen integriert, um die Zugänglichkeit und Nutzbarkeit des Nanoinformatikmodells für die Industrie, Regulierungsbehörden und die Gesellschaft zu verbessern. „Wir haben modernste rechnergestützte Instrumente aus verschiedenen wissenschaftlichen Gebieten verwendet, um Informationen im Zusammenhang mit Nanotoxikologie herauszufiltern“, erklärt Bañares. In der Plattform ist zum Beispiel eNanoMapper integriert, eine der größten Datenquellen zu den toxikologischen Eigenschaften von Nanomaterialien.
Ein umfassendes Bild der Toxizität von Nanopartikeln erstellen
„Unser Verständnis davon, wie Nanopartikel miteinander, mit der Umwelt und mit Zellen/Gewebe in unserem Körper interagieren, wäre begrenzt, wenn wir nur aktuelle (öko)toxikologische Daten und Modelle in unsere Plattform einbinden würden. Wir müssen auch die Hintergründe ihres Verhaltens kennen“, betont Bañares. Daher beinhaltete ein Teil der Projektarbeit den Aufbau neuer Modelle zur Beschreibung von Nanopartikeln selbst, also wie deren Struktur, Form und Defekte ihre Interaktionen mit der Umwelt und unseren Zellen beeinflussen könnten. Diese Modelle wurden insbesondere anhand speziell konzipierter Experimente validiert, über die ein Großteil der relevanten Toxizitätsdeskriptoren bestimmt wurde. Diese neuen Modelle und Deskriptoren sind essentiell für die Entwicklung von Modellen zur Exposition, Biodistribution und Dosisempfindlichkeit. Die NanoInformaTIX-Plattform umfasst auch inhärent sichere Modelle, damit die Toxizitätsrisiken gleich zu Beginn der Fertigung von Nanomaterialien minimiert werden können. Darüber hinaus werden mit dem Instrument anhand experimenteller Daten die Oberflächenreaktivität und Omik-Ansätze untersucht, um nachteilige biologische Auswirkungen durch die Wechselwirkung zwischen Nanopartikeln und Zellen zu bestimmen. „Auf der einen Seite haben wir Daten extrahiert, deren Erfassung durch Experimente sehr schwierig oder kostenintensiv wäre. Auf der anderen Seite hat die Kombination aus Instrumenten und neuen Modellen unser Wissen zu den grundlegenden Mechanismen der Toxizität fortschrittlicher synthetischer Nanomaterialien vertieft“, merkt Bañares an.
Schlüsselbegriffe
NanoInformaTIX, Plattform, Nanoinformatik, synthetische Nanopartikel, Toxizität von Nanopartikeln, Nanotoxikologie, Verbleib in der Umwelt, Nanopartikel-Zell-Interaktionen