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Verhalten von Nanomaterialien im Körper Multi-Organ-Plattform zur Risikobewertung von Nanomaterialien

| Autor/ Redakteur: Annette Eva Maurer* / Dr. Ilka Ottleben

Neue Einsatzmöglichkeiten bei stetig steigenden Produktionsmengen führen zu einer vermehrten Exposition von Mensch und Umwelt mit Nanomaterialien. Eine Vorhersage des Verhaltens der Nanomaterialien im Organismus sowie eine umfassende Risikobewertung gestalten sich aufgrund fehlender Vorhersagemodelle aktuell als schwierig. Nun entwickeln europäische Wissenschaftler dazu eine multimodulare Mikrochip-basierten Multi-Organ-Plattform.

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Nanomaterialien sind längst Bestandteil des Alltags unserer modernen Gesellschaft -beispielsweise in zahlreichen Kosmetika, Textilien, Reinigungsmitteln und Sprays.
Nanomaterialien sind längst Bestandteil des Alltags unserer modernen Gesellschaft -beispielsweise in zahlreichen Kosmetika, Textilien, Reinigungsmitteln und Sprays.
(Bild: gemeinfrei)

Sulzbach – Wie überwinden die nur wenige Millionstel Millimeter kleinen Nanopartikel die Schutzschichten unseres Körpers? Wie verhalten sich die Partikel im Organismus? Werden die Nanopartikel verstoffwechselt und sind sie gefährlich? Um diese Fragen besser beantworten zu können, entwickeln elf Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft in dem EU-Projekt „HISENTS: High level integrated Sensor for Nanotoxicity Screening“ neue Methoden, um das Verhalten der Nanopartikel im Körper detailliert zu erfassen und die hieraus resultierenden Risiken für den Menschen besser prognostizieren und sicher bewerten zu können.

Aufgrund ihrer geringen Größe und der dadurch veränderten physikalischen und chemischen Eigenschaften haben Nanopartikel besondere Funktionalitäten und werden heutzutage in eine Vielzahl an Alltagsprodukten integriert. Nanopartikel sind in Kosmetika, Textilien, Reinigungsmitteln, Sprays, Verpackungen sowie Lebens- und Nahrungsergänzungsmitteln enthalten und gelangen täglich in unseren Körper. Auch die Anwendung von nanoskaligen Partikeln im Pharma- und Medizinsektor ist keine Seltenheit mehr. Therapeutika (wie z. B. Chemo- oder Lichttherapiemedikamente) und Diagnostika (wie z. B. Kontrastmittel) sowie Implantatbeschichtungen basieren häufig auf Nanomaterialien.

Vorhersage des Verhaltens und umfassende Risikobewertung bisher schwierig

Angesichts der zahlreichen Wissenslücken und fehlenden Modellsysteme kann man bislang nur unzureichende Vorhersagen zu Absorption, Verteilung, Metabolismus und Exkretion (Abkürzung ADME für englisch: absorption, distribution, metabolism and excretion) von synthetischen Nanomaterialien im menschlichen Organismus treffen. In der pharmazeutischen Forschung und Medikamentenentwicklung wird das PBPK-Modell (Abkürzung für englisch: physiologically based pharmacokinetic model) als etablierter Ansatz gewählt, um das kinetische Profil von Wirkstoffen mit Blick auf Dosis, Route und Spezies mathematisch vorherzusagen. Hierbei werden die Konzentration im Gewebe und toxikologische sowie pharmakologische Effekte einbezogen. „Bisher existieren nur erste Ansätze eines solchen Modells für Nanomaterialien“, so Dr. Yvonne Kohl, Leiterin der Arbeitsgruppe Nanotoxikologie am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT.

Per Multi-Organ-Plattform zur sicheren Bewertung von Nano-Effekten im Körper

Um ein solches PBPK-Modell für Nanomaterialien zu entwickeln, bedarf es Daten, die das mathematische Modell „füttern“. Mit Hilfe einer multimodularen Mikrochip-basierten Multi-Organ-Plattform werden der Weg der Nanomaterialien durch den Körper simuliert und Daten zur Entwicklung eines nanoPBPK-Modells generiert. Zur Realisierung dieser Plattform und des nanoPBPK-Modells startete im April 2016 das EU-Forschungsprojekt „HISENTS“, das von der Europäischen Kommission (EU) im Rahmen des Nanosafetycluster-Programms mit 6,3 Millionen Euro gefördert wird. Das Projekt ist ein internationales, interdisziplinäres Forschungsprojekt, das unter Leitung von Prof. Dr. Andrew Nelson der Universität Leeds, gemeinsam mit zehn weiteren Partnern durchgeführt wird. Neben dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT und der Universität Leeds sind Universitäten aus Österreich, Israel und der Slowakei, Forschungseinrichtungen aus Spanien, der Slowakei, Irland und Norwegen sowie die Firma Blueprint Production Design Ltd. aus England beteiligt. Die Projektdauer beträgt 36 Monate.

Ziel ist es, den Effekt von Nanomaterialien auf molekularer, zellulärer und Organ-Ebene zu bewerten. „Die HISENTS-Plattform beinhaltet neun Module, die individuell miteinander verschaltbar sind, um realistische Wege der Nanomaterialien durch den Körper zu simulieren“, so Kohl. Jedes dieser Module repräsentiert eine Barriere des Körpers (Lunge, Gastrointestinaltrakt, Plazenta), ein Organ (Leber, Niere, Blutsystem) oder subzelluläre Kompartimente (Biomembran, DNA, miRNA).

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