Ein Robotersystem für die Nanotoxikologie?
US-Forscher haben ein Testverfahren aus der Pharmaindustrie so angepasst, dass sich damit die Wirkung von medizinisch genutzten Nanopartikeln auf Zellen untersuchen lässt. Experten bezweifeln aber, ob man es auf beliebige Nanomaterialien anwenden kann.
- Alexandra M. Goho
Für die einen sind sie die Aussicht auf große Innovationen, für die anderen ein ernsthaftes Problem für Umwelt und Gesundheit: Nanomaterialien. Vor allem in Kosmetik- und Reinigungsprodukten oder Textilien sind manche bereits auf dem Markt. Studien zeigen aber immer wieder, dass Nanomaterialien mitunter toxisch wirken können. Bislang sind die Studien aber kaum zu vergleichen, weil einheitliche Standards, wie Nanomaterialien in vitro und in vivo zu testen sind, noch nicht existieren. Untersuchungen desselben Stoffes können in verschiedenen Zellkulturen und in Tierversuchen jeweils andere Ergebnisse haben. Hinzu kommt, dass die Vielfalt an Formen und chemischen Modifikationen von künstlich hergestellten Nanopartikeln kaum zu überblicken ist.
„Nanomaterialien sind ziemlich komplex, und wenn Sie nur ein, zwei Tests machen, werden Sie garantiert irgendetwas übersehen“, sagt Andrew Maynard, Berater für Nanoforschung am Woodrow Wilson International Center for Scholars in Washington. Das Center betreibt die bislang umfassendste Online-Datenbank für Nanoprodukte. Derzeit sind über 600 eingetragen. Weil inzwischen jeden Monat schätzungsweise 30 neue Produkte, die Nanomaterialien enthalten, in den Handel kommen, sollten toxikologische Testverfahren zudem schnell durchgeführt werden können.
Eine erste Lösung des Problems könnten nun Forscher vom Massachusetts General Hospital, der Harvard University und dem MIT gefunden haben. Nach dem Vorbild von Krebstests, bei dem verschiedene Krebsarten mit Hilfe von unterschiedlichen Muster der Genexpression klassifiziert werden, haben sie ein Verfahren konzipiert, das eine große Zahl von Nanomaterialien mit hohem Durchsatz untersuchen und Toxizitätsklassen zuordnen soll.
Um die Machbarkeit ihres Ansatzes zu zeigen, testeten die Wissenschaftler 50 verschiedene Nanomaterialien, die vor allem in bildgebenden Verfahren der Medizin eingesetzt werden. Die meisten waren auf Eisen aufbauende Nanoteilchen, der Rest verschiedene Arten von Quantenpunkten. Das sind winzige Halbleiter-Partikel, die wegen ihrer elektronischen Struktur auch als „künstliche Atome“ bezeichnet werden und Luminiszenz zeigen. Damit eignen sie sich als optische Marker. Die untersuchten Partikel unterschieden sich zudem in den Hüllen aus Molekülen, mit denen sie modifiziert wurden.
Diese 50 Substanzen wurden nun jeweils in vitro an vier verschiedenen Zellarten getestet: Immunzellen von Mäusen, zwei Arten von menschlichen Gewebezellen in Blutgefäßen und menschlichen Leberzellen. Dabei wurden sie jeweils in vier verschiedenen Dosierungen untersucht. Um sämtliche möglichen Kombinationen von Testbedingungen effizient zu bewerkstelligen, wurden die Partikel mit einem Robotersystem, wie es beim Medikamenten-Screening eingesetzt wird, in Hunderten von kleinen Mulden mit den jeweiligen Zellkulturen auf einer Arbeitsplattform deponiert. Lösten die Partikel Änderungen im Stoffwechsel der Zellen aus, konnte dies erfasst und mittels Software auf mögliche Querbeziehungen zwischen verschiedenen Teilchenarten analysiert werden.
„Wir versuchen ein Gefühl dafür zu bekommen, was diese Stoffe in verschiedenen Umgebungen bewirken“, sagt Stanley Shaw, Biochemiker am Massachusetts General Hospital. Mit Hilfe der Anordnung konnten er und seine Kollegen Klassen von Nanoteilchen identifizieren, die jeweils ähnliche Effekte auf die Zellen haben. Anschließend wurden drei Partikelarten an Mäusen getestet, um zu überprüfen, ob die Ergebnisse in vitro und in vivo übereinstimmen.
Das Testverfahren haben die Forscher in den Proceedings of the National Academy of Sciences vorgestellt. Es soll auch helfen, die Zahl der Stoffe zu reduzieren, für die noch zusätzliche Tierversuche benötigt werden. Laut Shaw könnte es Nanoforschern helfen, ihre Arbeit auf Nanomaterialien einzugrenzen, die weniger bedenklich sind.
Die Anzahl der untersuchten Stoffe sei zwar noch gering gewesen, sagt Andrew Maynard vom Wilson-Center. Aber er sehe keinen Grund, warum das Verfahren nicht auch auf andere Materialien angewendet werden könnte. „Ob es leistungsfähig genug ist, wird sich zeigen, wenn sehr unterschiedliche Stoffe getestet werden wie zum Beispiel Kohlenstoffnanoröhren in verschiedenen Größen.“ Eine kürzlich veröffentlichte Studie britischer Toxikologen hatte gezeigt, dass lange Nanoröhren eine ähnliche Wirkung wie Asbestfasern auf Zellen haben können.
Die bislang verwendeten Zellarten sind solche, auf die intravenös gespritzte Nanopartikel bei bildgebenden Verfahren typischerweise treffen. Für Teilchen, die möglicherweise über die Luft aufgenommen, also inhaliert werden, könnten aber auch verschiedene Zelltypen des Lungengewebes genommen werden, fügt Stanley Shaw hinzu.
Andrew Maynard gibt allerdings zu bedenken, dass die jetzt untersuchten Zellen alle in einem wässrigen Medium auf die Zellkulturen gegeben wurden, weil sie im Körper ja in der Blutbahn zirkulieren. Um die Wirkung auf Lungenzellen zu untersuchen, müssten Teilchen aber in der Gasphase verabreicht werden. Das könnte schwierig sein. Dennoch hat für ihn die Studie das Zeug, ein neues Paradigma für künftige nanotoxikologische Untersuchungen zu liefern.
Der Toxikologe Harald Krug, der das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt NanoCare leitet, findet das Testverfahren zwar "grundsätzlich gut". Er bezweifelt allerdings, dass es auch für nicht-medizinische Nanomaterialien geeignet ist. "Hier wird der Effekt der Hülle von medizinischen, 'gecoateten' Nanopartikeln getestet, aber nicht das Material im Innern – genau daran sind wir aber interessiert." Ein weiteres Problem sei, dass derartige Robotersysteme noch zu viele falsch positive oder falsch negative Effekte produzieren, weil sie Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Testpunkten nicht richtig bewerten können. Im NanoCare-Projekt arbeitet Krug mit anderen Forschern, unter anderem von der Uni Münster, ebenfalls an schnellen standardisierten Verfahren für Nanotoxizitätstests.
„Wir brauchen viel mehr solcher gut durchdachten Studien“, fordert John Balbus, der beim Environmental Defense Fund in New York die Abteilung Gesundheitsforschung leitet. „Ich bin optimistisch, dass wir bald ein grundlegendes Verständnis für die biologischen Wirkungen von Nanomaterialien bekommen, je mehr solche Testverfahren mit hohem Durchsatz zur Verfügung stehen.“ (nbo)
