Charakterisierung immunmodulierender Wirkungen von Nanopartikeln in vitro

Nanopartikel sind ultrafeine Partikel, deren Größe im Nanometerbereich liegt (1-100nm). Dementsprechend nehmen sie eine Position zwischen üblichen Stoffen mit größeren Massen und molekularen Substanzen ein. Im Laufe des letzten Jahrzehnts wurde ein starker Anstieg im Gebrauch von technisch hergestellten Nanopartikeln verzeichnet, aber trotz ihrer zunehmenden Präsenz und der vermehrten Exposition von Menschen, existiert nur wenig Information über das mit ihnen verbundene mögliche Gesundheitsrisiko. Interaktionen mit biologischen Systemen sind relativ unbekannt, und daher ist es notwendig festzustellen, inwiefern sie wichtige biochemische Prozesse beeinflussen und die menschliche Gesundheit schädigen können. Im Rahmen dieses Projektes soll näher auf die Interaktion von Nanopartikeln mit dem menschlichen Immunsystem eingegangen werden. Im Zuge der Aktivierung des zellulären Immunsystems stimuliert das Th1-Typ Zytokin Interferon- (IFN-) u.a. zwei wichtige Enzyme, GTP-Cyclohydrolase I, welches in aktivierten humanen Makrophagen die Produktion von Neopterin katalysiert, und Indoleamin-2,3-Dioxygenase (IDO), die den Abbau von Tryptophan zu Kynurenin durchführt. Die Relevanz dieser biochemischen Vorgänge in der Pathogenese von Erkrankungen beim Menschen spiegelt sich dadurch wider, dass beide biochemischen Veränderungen bei einer Reihe von Erkrankungen messbar werden und auch von prognostischer Bedeutung sind. Unter Verwendung von peripheren mononukleären Zellen (PBMC) von gesunden Blutspendern und der mylomonozytären Zelllinie THP-1 wurden von unserer Arbeitsgruppe Zellkulturmodelle entwickelt, um immunmodulierende Eigenschaften von Chemikalien und Medikamenten empfindlich erfassen zu können. Nach Stimulation der Zellen mit Mitogenen wie Phytohämagglutinin (PHA), Concanavalin A (ConA) bzw. Lipopolysaccharid (LPS) wird die Neopterinbildung (ELISA) und der Tryptophanabbau (HPLC) bestimmt. Der Einfluss der zu testenden Nanopartikel TiO2 , ZnO, Al2 O3 , CeO 2 und Kohlenstoff-Nanotubes erfolgt dabei sowohl in unstimulierten als auch stimulierten Zellen. Zusätzlich wird in transfizierten THP-1 Zellen die Induktion von NF-kappaB erfasst. Mögliche zelltoxische Wirkungen der Partikel werden natürlich ebenfalls untersucht. Für die Untersuchungen werden uns innerhalb des in der ERANET Initiative etablierten nanoLINEN Konsortiums von der französischen Atomenergie Kommission (FAEC) in Gif sur Yvette in Frankreich (Frau Dr. Nathalie Herlin-Boime, SPAM-LFP) gut definierte und stabile Lösungen von Nanopartikeln zur Verfügung gestellt.

Ziel des Projektes war, Nanopartikel auf deren immunmodulierende Eigenschaften zu überprüfen. Da die Anwendung von Nanopartikeln in Konsumgütern immer weiter ansteigt und ihre Wirkung auf zentrale Parameter der T Helferzell-Immunantwort bisher nicht ausreichend überprüft wurde, stellt dieses Projekt eine fundierte Aufgabe zur Risiko- und Nutzenabschätzung dar. Unterschiedliche weitverbreitete und häufig angewendete Nanopartikel wie Zinkoxid, Silber, Aluminiumoxid, Kohlenstoffnanoröhrchen und Titandioxid wurden auf ihren Einfluss auf Entzündungssignale überprüft. Zudem wurden unterschiedliche Größenverteilungen der verschiedenen Partikelarten getestet, um einen möglichen größenabhängigen Effekt zu bestätigen oder zu widerlegen. Da der nachgesagte negative Effekt von Nanopartikeln und ihrer Anwendung meist auf ihre Nano-Struktur zurück zu führen ist, stellte dieses Projekt auch eine wichtige Rolle für die Gesellschaft dar. Unsere Ergebnisse konnten jedoch keinen eindeutigen größenabhängigen Effekt der Partikel bestätigen. Vielmehr entstand der immunmodulierende Effekt durch die verschiedenen Partikeltypen selbst. Durch die Aktivierung des zentralen Entzündungsmarker Neopterin konnten die verschiedenen Partikel auf ihren Einfluss in Immunzellen überprüft werden. Vorwiegend wurden pro-entzündliche Eigenschaften der Partikel nachgewiesen, welche durch eine erhöhte Freisetzung von Neopterin sowie eine Hemmung des Tryptophan Abbaus bestätigt werden konnten. Behandlung von Blutzellen mit Zinkoxid in unterschiedlichen Partikelgrößen resultierte in einer Entzündungshemmung, welche auch schon mit sehr geringen Zinkoxid Konzentrationen eintrat. Alle getesteten und unterschiedlich großen Zinkoxid Präparate führten zu ähnlichen Ergebnissen und konnten die entzündungshemmende Eigenschaft bestätigen, welche auch gut zu ähnlichen in der Literatur beschrieben Effekten passen. Zudem konnte noch der Einfluss der unterschiedlichen Nanopartikel auf ihre Radikal-bildungs- bzw. Neutralisierungseigenschaft in Lungenzellen überprüft werden. Zinkoxid und Kohlenstoffnanoröhrchen erhöhten die Menge an freien Radikalen, während Aluminiumoxid und Silber freie Radikale neutralisierten. Diese Resultate bestätigen die diversen und unterschiedlichen Effekte der Partikel auf die verschiedenen Zelltypen, was die Wichtigkeit unterstreicht, den Einfluss der Partikel auf unterschiedliche Zelltypen und deren Interaktionen miteinander auszutesten.