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Umfassende Modelle zur besseren Sicherheit von Nanopartikeln

Nanomaterialien haben verschiedenste Bereiche von der Energieerzeugung bis zur Medizin revolutioniert. EU-finanzierte Wissenschaftler entwickelten nun mathematische Modelle für Risikoanalysen, Optimierung des Designs und Erarbeitung von Vorgaben, um die Sicherheit von Mensch und Umwelt zu gewährleisten.
Umfassende Modelle zur besseren Sicherheit von Nanopartikeln
Aufgrund der komplexen Beschaffenheit von Nanomaterialien könnten Modelle sehr viel schneller, billiger und genauer Ergebnisse zur biologischen Wirkung und Toxizität liefern als Tests.

Das EU-finanzierte Projekt http://www. nanotranskinetics. eu/ (NANOTRANSKINETICS) (Modelling basis and kinetics of nanoparticle interaction with membranes, uptake into cells, and sub-cellular and inter-compartmental transport) entwickelte mathematische Modelle auf vier Ebenen des Transports und der Kinetik von Nanopartikeln (NP) in biologischen Systemen.

Bei der Wechselwirkung mit biologischen Flüssigkeiten werden vor allem die physikalisch-chemischen Eigenschaften von NP verändert. Z.B. entsteht beim Kontakt mit biologischen Flüssigkeiten durch Adhäsion von Proteinen und Lipiden aus der biologischen Umgebung bei den NP eine so genannte biomolekulare Korona, die nachträglich die Interaktion von NP mit Zellen und Geweben verändert.

Die nächste Ebene ist die Interaktion zwischen NP und extrazellulärer Matrix sowie den die Membran umgebenden Zellen, die Kinetik der zellulären Aufnahme, der Transport innerhalb der Zelle und schließlich die subzelluläre Verteilung. Zuletzt wurden Modelle der NP-Kinetik beim Durchgang durch biologische Barrieren (etwa Blut-Hirn-Schranke) erstellt.

Auf allen vier Ebenen machte die Modellentwicklung deutliche Fortschritte. Die zahlreichen anderen Experimente, in denen Mikroskopiedaten zur Interaktion von Nanopartikeln mit Zellen erfasst und die neuen Modelle gleichzeitig angewendet wurden, lieferten enorme Mengen an hochwertigen Daten.

Gefördert wurde auch die enge Zusammenarbeit zwischen Forschern und Experten auf diesem Gebiet. Die kritischen Faktoren wurden für die Dateneingabe in Modelle und Datenbanken aufbereitet. Die Forscher validierten die Modelle mit physikalisch-chemischen Daten über Epitopkartierung der Korona und In-vitro-Lebermodelle, um die Interaktion mit Zellrezeptoren zu ermitteln.

Eine Reihe von Anwendungen, die die Forscher zur Berechnung von NP-Komplexen entwickelten, sowie die wichtigsten Faktoren zur Reproduktion experimenteller Datensätze wurden auch anderen EU-Projekten zur Verfügung gestellt.

Bei vielen bereits eingesetzten oder neu entwickelten Nanopartikeln sind die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt noch weitgehend unbekannt. NANOTRANSKINETICS wird mit den Simulationswerkzeugen viel dazu beitragen, die dringend benötigten Toxizitätstests für diese Materialien durchführen zu können. Darüber hinaus könnten diese Tools helfen, Design und Vorgaben für künftige NPs zu optimieren und sie damit sicherer zu machen.

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Schlüsselwörter

Modelle, Nanopartikel, Transport, Kinetik, biologische Systeme
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