Die toxische Wirkung von arbeitsmedizinisch relevanten Partikeln: Einfluss der Partikelgröße, der Partikelgeometrie und der Partikeloberfläche

Status:

abgeschlossen 06/2021

Zielsetzung:

Gesundheitsrisiken durch Partikel einschließlich Fasern sind eine vorrangige Herausforderung für den Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz. Einerseits verursachen Partikel den weitaus größten Teil der Todesfälle durch Berufskrankheiten. Andererseits werden in jüngster Zeit Partikel mit verschiedensten Parametern für viele neue Anwendungen, insbesondere in der Nanotechnologie, beispielsweise für Oberflächenbeschichtungen oder medizinische und kosmetische Anwendungen, gezielt entwickelt und in den Verkehr gebracht, ohne dass mögliche Gesundheitsgefährdungen in jedem Fall toxikologisch hinreichend untersucht wurden. Eine gezielte Synthese von anorganischen Oxid-Partikeln mittels verschiedenster Synthesestrategien soll es im vorliegenden Projekt erstmals ermöglichen, chemisch identische Partikel, die sich lediglich in Größe, Oberfläche, Form und ggf. in ihrer Kristallinität unterscheiden, eingehend und vergleichend physikalisch-chemisch, biologisch und toxikologisch zu charakterisieren. Somit zielt das Projekt primär auf Parameter, die die Anlockung (Chemotaxis) von Entzündungszellen beeinflussen. Das können gerade spezifische Wirkungen sein, die bereits unterhalb toxischer Partikelkonzentrationen (im subtoxischen Konzentrationsbereich) wirksam werden.

Aktivitäten/Methoden:

• Synthetisierung der für die Arbeitswelt besonders relevanten Partikelsysteme (Siliciumdioxid: als amorphes Silica und kristalliner Quarz; Zinkoxid; Titandioxid: Anatas und Rutil) in verschiedenen Größen (von Nano bis zum Mikrometerbereich) und Formen (Kugeln, Stäbchen).
• Eingehende analytische Charakterisierung bezüglich der Reinheit und Stabilisierung.
• In-Vitro-Exposition der für die Atemwegsexposition relevanten Zellen (Lungenmakrophagen) zu diesen Partikeln.
• Analytische Messung der gebildeten Entzündungsfaktoren und parallele Erfassung in einem in-vitro-Lungenzellmodell (PICMA) auf die Akkumulation von Entzündungszellen.
• Testung der gewonnenen Daten hinsichtlich einer Korrelation zwischen Partikelparameter und Partikeldosis und der Stärke der Reaktionen der Makrophagen (Chemotaxis, Ausschüttung von Biomarkern der Entzündung).

Ergebnisse:

Mit Ausnahme von Quarz-Partikeln konnten im vorliegenden Projekt verschiedenste Oxid-Partikelsysteme (Silica-, ZnO-, TiO2-Partikel) mit definierten Partikelformen, Größen und Kristallinitäten auf dem präparativen Weg erfolgreich synthetisiert werden, die nach anschließender Überprüfung der kolloidalen Partikelstabilität und Partikelreinheit vergleichend innerhalb jeweiliger Partikeltypen toxikologisch untersucht wurden. Die in-vitro Analyse der Zellreaktionen von arbeitsmedizinisch besonders relevanten Partikeln aller Partikelsorten auf Alveolarmakrophagen (insbesondere der Einfluss von Partikelgröße und Partikelform) ergab im subtoxischen Bereich keine Hinweise auf entzündungsinduzierende Reaktionen, die als frühe Prädiktoren dienen können. Für das Projekt ergaben sich lediglich Hinweise auf eine mögliche Apoptose-induzierende Wirkung durch ZnO-Partikel sowie eine mögliche Apoptose-inhibierende Wirkung durch TiO2-Partikel. Insgesamt konnten nur geringe Risiken und geringfügig signifikante Unterschiede im subtoxischen Bereich durch synthetisierte Partikel (Silica, TiO2, ZnO) bei gleichzeitiger Veränderung ihrer verschiedenster Partikelparameter innerhalb jeweiliger Partikelsysteme festgestellt werden. Erwartungsgemäß wirkten allerdings ZnO-Partikel aufgrund der Freisetzung von Zn²⁺-Ionen in biologischen Medien etwas toxischer als praktisch unlösliche Silica- und TiO2-Partikel.

Stand: