Nanopartikel auf dem Prüfstand Ohne Tierversuche: Risikobewertung mit Mathe und Chemie

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

Nanopartikel haben ein schier grenzenloses Anwendungspotenzial, aber mögliche Risiken für Umwelt und Gesundheit müssen verantwortungsvoll ermittelt werden – und dass möglichst ohne Tierversuche. Deshalb forscht man bei der Empa an neuen Ansätzen der Risikobewertung: Nur mit mathematischen und chemischen Modellen.

Dübendorf/Schweiz – In der Kosmetik und der Textilindustrie sind sie bereits im Einsatz: Nanopartikel. In Sonnencremes sollen sie uns vor Sonnenbrand schützen; Kleidung mit Nanosilber bremst Bakterien aus. Und auch in Abgaskatalysatoren, Wandfarben, Kunststoffen und in der Nanomedizin nutzt man Nanopartikel. Ihr Einsatz ist aber auch an die Verantwortung gebunden, mögliche negative Folgen für die Gesundheit und die Umwelt ausschließen zu können. Bisher ist aber noch kaum geklärt, welche Risiken für Mensch und Umwelt den Nanomaterialien innewohnen.

Hier kommen Risikoanalysen und Ökobilanzen zum Tragen, die sich früher stark auf Tierversuche abstützten, etwa wenn es darum ging, schädliche Auswirkungen einer neuen Substanz bis hin zur Giftigkeit zu ermitteln. Heute versucht man, Tierversuche wann immer möglich zu reduzieren beziehungsweise zu ersetzen – auch weil dies gesetzlich gefordert ist. Damit sind die so genannten toxikologischen Tests in den vergangenen 30 Jahren stark zurückgegangen. Nur lassen sich die Erfahrungen mit konventionellen Chemikalien nicht einfach auf neuartige Substanzen wie Nanopartikel übertragen. Damit sich Tierversuche auch in der Nanomaterialforschung reduzieren lassen, erarbeiten Empa-Forscher neue Testansätze.

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Schädlichkeit von Substanzen vergleichen

„Wir entwickeln derzeit einen neuen, integrativen Weg, mit dem die Risiken von Nanopartikeln analysiert und die Ökobilanzen ermittelt werden können“, sagt Empa-Forscherin Beatrice Salieri von der Abteilung „Technologie und Gesellschaft“. Anders als bei herkömmlichen Analysen ist hierbei unter anderem, dass neben der Wirkungsweise einer Substanz weitere Daten einbezogen werden, wie die Exposition und die Wechselwirkung eines Partikels mit dem Körper, sodass eine ganzheitliche Betrachtung in die Risikobewertung einfließt.

Grundlage der Risikoanalysen sind die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Nanopartikeln sowie deren biologische Auswirkungen, welche mit Zellkulturen experimentell bestimmt wurden. Damit sich die Ergebnisse aus dem Reagenzglas (in vitro) auf die Situation im menschlichen Körper (in vivo) übertragen lassen, nutzen die Forscher mathematische Modelle (in silico), die zum Beispiel auf die Schädlichkeit einer Vergleichssubstanz zurückgreifen. „Wirken zwei Substanzen, wie etwa Silber-Nanopartikel und Silber-Ionen auf die gleiche Weise, lässt sich die Gefährlichkeit der Nanopartikel aus jener der Ionen rechnerisch abschätzen“, erklärt Salieri.

Verbesserte Medikamenten-Tests dank 3D-Technologie

Silikongitter gegen Tierversuche

Giftigkeit ist nicht nur eine Frage der Dosis

Damit die Laborstudien für Nanopartikel aufschlussreich sind, muss für jede Expositionsart zunächst ein geeignetes Modellsystem entwickelt werden. „Substanzen, die inhaliert werden, untersuchen wir beispielsweise in Experimenten mit menschlichen Lungenzellen“, erklärt Empa-Forscher Peter Wick, Leiter des Labors für „Particles-Biology Interactions“. Um die Verdauung im Körper zu simulieren, werden hingegen Darmzellen verwendet.

Dabei wird nicht nur die schädigende Dosis eines Nanopartikels in Zellkulturversuchen ermittelt, sondern es fließen auch sämtliche Nanomaterialeigenschaften in die Risikoanalyse ein, etwa Form, Größe, Transportgeschwindigkeit und Bindung an andere Moleküle. So ist beispielsweise gelöstes Silber in einer Zellkulturflüssigkeit rund 100-mal giftiger als das Äquivalent in Form von Silber-Nanopartikel. Derartig umfassende Laboranalysen finden Eingang in kinetische Modelle, die statt einer Momentaufnahme einer Situation im Reagenzglas das komplette Geschehen der Partikelwirkung abbilden.

Erste Anwendung neuartiger Risikoanalysen für Graphen

Schließlich lassen sich aus all den aufgenommenen Daten mithilfe komplexer Algorithmen die zu erwartenden biologischen Phänomene abschätzen. „Anstatt ein Tierexperiment dazwischen zu schalten, können wir anhand von Parallelitäten zu bekannten Substanzen, neuen Daten aus Laboranalysen und mathematischen Modellen die möglichen Risiken von Nanopartikeln ermitteln“, sagt Empa-Forscher Mathias Rösslein. Künftig könnten seiner Einschätzung nach auch die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Nanopartikeln im menschlichen Körper sowie die Eigenschaften bestimmter Populationsgruppen realitätsnah dargestellt werden, etwa die Wirkung bei älteren Menschen oder bei Patienten mit mehreren Krankheiten.

Diese neuartigen Risikoanalysen für Nanopartikel könnten in Zukunft die Entwicklung und Marktzulassung neuer Nanomaterialien beschleunigen. Konkrete Anwendung gibt es bereits im Projekt Safegraph, in dem eine Risikoabschätzung für das Nanomaterial Graphen erstellt werden soll. Risikoanalysen und Ökobilanzen für dieses noch vergleichsweise neue „Wundermaterial“ sind noch selten. Erste Sicherheitsanalysen zu Graphen- und Graphen-verwandten Materialien haben die Empa-Forscher bereits in grundlegenden in vitro-Studien aufgezeigt. Auf diese Weise sollen nun auch Projekte wie Safegraph potenzielle Gesundheitsrisiken und Umweltfolgen von Graphen besser ermitteln und gleichzeitig die Zahl der Tierversuche senken.

Originalpublikationen:

W Netkueakul, D Korejwo, T Hammer, S Chortarea, P Rupper, O Braun, M Calame, B Rothen-Rutishauser, T Buerki-Thurnherr, P Wick and J Wang: Release of graphene-related materials from epoxy-based composites: characterization, quantification and hazard assessment in vitro, Nanoscale (2020); doi: 10.1039/c9nr10245k

A Milosevic, D Romeo, and P Wick: Understanding Nanomaterial Biotransformation: An Unmet Challenge to Achieving Predictive Nanotoxicology, Small (2020); doi: 10.1002/smll.201907650

D Romeo, B Salieri, R Hischier, B Nowack, P Wick: An integrated pathway based on in vitro data for the human hazard assessment of nanomaterials, Environment International 137 (2020); doi:10.1016/j.envint.2020.105505

B Salieri, JP Kaiser, M Rösslein, B Nowack, R Hischier, P Wick: Relative potency factor approach enables the use of in vitro information for estimation of human effect factors for nanoparticle toxicity in life-cycle impact assessment, Nanotoxicology, Volume 14, 2020 - Issue 2, Pages 275-286 (2019); doi:10.1080/17435390.2019.1710872

* Dr. A. Six, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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