my.chemie.de
Mit einem my.chemie.de-Account haben Sie immer alles im Überblick - und können sich Ihre eigene Website und Ihren individuellen Newsletter konfigurieren.
Die aktuellen Diskussionen zu Fahrverboten in europäischen Städten zeigen einerseits den hohen Stellenwert, den die Bevölkerung der Luftqualität zumisst, und andererseits den Mangel an Methoden, die von Luftschadstoffen ausgehende Beeinträchtigung der menschlichen Gesundheit direkt zu bewerten. Die realitätsnahe Exposition menschlicher Lungenzellen an der Gas-Flüssigkeitsgrenzschicht gegenüber Aerosolen verspricht wesentliche Fortschritte und wird zunehmend von führenden Instituten weltweit eingesetzt.
Die heutigen Grenzwerte von Luftschadstoffen beruhen teilweise auf epidemiologischen Studien, die Mortalität und Morbidität mit Messwerten aus öffentlichen Messnetzen korrelieren. Diese Assoziation zeigt die Wirkung von Luftschadstoffen auf die menschliche Gesundheit auf, kann aber deren unmittelbare Wirkung ohne zusätzliche toxikologische Messungen nicht beweisen.
Vorteilhafter ist es die biologischen Wirkungen der Luftschadstoffe als Dosis-Wirkungsbeziehungen direkt zu messen. Daher werden zusätzlich Tierversuche und In-vitro-Tests mit Zellkulturen eingesetzt, um eine direkte Bewertung der Wirkung von Luftschadstoffen auf biologische Systeme zu erreichen. Richtlinien der OECD für Tierversuche zur Messung der akuten Lungentoxizität von Chemikalien liegen vor, werden aber aus ethischen und finanziellen Gründen für Luftschadstoffe nur in Einzelfällen eingesetzt.
Verfahren zur Bewertung der Toxizität von Luftschadstoffen mit menschlichen Zellen sind bisher nicht standardisiert. In Laborexperimenten werden meist gesammelte Partikeln als Suspension auf menschliche Lungenzellen aufgebracht. Abgesehen von den nicht physiologischen Bedingungen dieser Zellexperimente, sind die so erzielten Ergebnisse nicht geeignet, die Wirkung realer, also komplex zusammengesetzter Aerosole aus der Verbrennung zu bewerten. Die Abschätzung der applizierten Dosis ist zudem problematisch.
Im Folgenden werden unsere Entwicklungen zur simultanen Messung der biologischen Effekte und der Partikeldosis von Aerosolen mit einem Expositionssystem für menschliche Lungenzellen dargestellt. Dieses System ermöglicht sowohl die reproduzierbare Probenahme und Konditionierung von Aerosolen als auch die Exposition der Zellkulturen unter Bedingungen, die der menschlichen Lunge nachempfunden sind. Bei Anwendungen dieses Verfahrens in großen Messkampagnen konnte seine Eignung für komplexe Verbrennungsaerosole gezeigt werden. Das Expositionssystem wird mittlerweile von der Fa. Vitrocell Systems GmbH (Waldkirch) hergestellt und weltweit vertrieben (Abb. 1). Die Grundlagen des Verfahrens wurden von Paur et. al (2011) zusammengefasst [1].
Abb. 1 (A) Expositionsszenario in einer Expositionskammer: die gasgetragenen Partikeln werden durch das Aerosolinlet direkt an die Oberfläche der menschlichen Lungenzellen gebracht. (B) Das automatisierte Expositionssystem zur Beaufschlagung von Zellen mit Aerosolen (Foto: Fa. Vitrocell Systems GmbH)
Im Expositionssystem werden die Zellen in parallel angeordneten Expositionsmodulen auf Membranen kultiviert und basal mit Nährmedium versorgt. Das mit einem größenselektiven Einlass klassierte Aerosol wird auf eine Temperatur von 37 °C und 85 % relative Feuchte konditioniert und direkt über die Zelloberfläche geleitet und dort deponiert. Durch Kontrollmessungen in parallel angeordneten Kammern können Replikate und simultane Kontrollmessungen mit Reinluft und filtriertem Aerosol durchgeführt werden sowie die deponierte Partikeldosis gemessen werden. Die exponierten Zellproben werden im Weiteren mit standardisierten Bioassays untersucht, um biologische Endpunkte zu quantifizieren, die Aufschluss über Mechanismus und Wirkung der Aerosole geben. Mit der Dosis-Wirkungsbeziehung ist eine Bewertung der Toxizität möglich, die z.B. durch Entzündung oder DNA-Schäden verursacht wird [2].
Die Exposition von Zellkulturen an der Gas-Flüssigkeitsgrenzschicht hat mehrere Vorteile: Durch die direkte Probenahme aus dem Abgasstrom entfällt das aufwendige und fehlerbehaftete Sammeln von Partikeln auf Filtern. Die Zellkulturen können gleichzeitig oder separat mit Gasen oder Partikeln beprobt werden. Zudem entfällt die Resuspension von Partikeln in biologischen Medien, die zu chemischen und physikalischen Veränderungen der Partikel führt und die Bestimmung der applizierten Dosis erschwert. Schließlich werden die Partikel, ähnlich wie in der menschlichen Lunge direkt auf die Zelloberfläche deponiert, ohne Verfälschung der biologischen Effekte durch ein Lösungsmittel. Durch Regelung der Temperatur, Feuchte und Volumenstrom wird eine hohe Reproduzierbarkeit der Depositionseffizienz und damit auch der nachfolgenden biologischen Messungen erreicht. Die Erfassung aller relevanten physikalischen Parameter ermöglicht den Nachweis einer fehlerfreien Versuchsdurchführung bzw. die schnelle Identifikation von Fehlerquellen. Durch die weitgehende Automatisierung des Expositionssystems werden die Einhaltung des voreingestellten Versuchsprotokolls und damit die Reproduzierbarkeit bei Reihenmessungen gewährleistet.
Unter Standardbedingungen werden nur etwa 1,5 % der Partikelkonzentration auf den Zellen abgelagert und somit eine Überdosierung vermieden. Die applizierte Dosis kann ab einer Oberflächenkonzentration von 20 ng/cm2 durch eine im System integrierte Quarzmikrowaage (QCM) bestimmt werden. Bei niedrigeren Konzentrationen kann bei bekannter Dichte des Aerosols die Bildauswertung beladener Oberflächen wie Transmissionselektronenmikroskopie-Grids eingesetzt werden, um die Dosis abzuschätzen. Um die Depositionseffizienz zu erhöhen, wurde ein elektrisches Feld in das Expositionsmodul integriert. Hierdurch kann die deponierte Dosis entsprechend dem Ladungszustand des Aerosols bis zum Faktor 10 erhöht werden.
Abb. 2 Stand der Technik: Untersuchte Aerosole (Spalte oben links) und Zellkulturen (Spalte oben rechts) sowie Bioassays aus Zellkulturen und Endpunkte zur Bestimmung der Wirkung
Insbesondere in den letzten Jahren setzen Forschungsinstitute und Firmen die Methode zunehmend ein. Messungen von Dosis-Wirkungsbeziehungen wurden an den in der Abbildung 2 dargestellten Aerosolen und Zellkulturen durchgeführt. Ein aktueller Überblick zum Stand der Technik wird von Lacroix et.al (2018) gegeben [3]. Bei der Untersuchung komplexer Verbrennungsaerosole können die biologischen Effekte gas- und partikelförmiger Schadstoffe gleichzeitig bestimmt werden.
Aktuelle Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Expositionszeiten bis auf 48 Stunden zu verlängern und die deponierte Dosis zu erhöhen, um das Verfahren auch bei niedrigeren Konzentrationen in der Außenluft einzusetzen. Im Weiteren ist die Validierung des Verfahrens durch Tierversuche erforderlich, um die Anzahl der Versuchstiere bei gesetzlich vorgeschriebenen Tests zu verringern.
__________________________________________________________________________________________
Kategorie: Toxikologie | Aerosole
Literatur:
[1] Paur, H.-R., Cassee, F.R., Teeguarden, J. et al. (2011) In-vitro cell exposure studies for the assessment of nanoparticle toxicity in the lung – A dialog between aerosol science and biology, J Aerosol Sci 42, 668-692, DOI: 10.1016/j.jaerosci.2011.06.005
[2] Mülhopt, S., Dilger, M., Diabate, S. et al. (2016) Toxicity testing of combustion aerosols at the air-liquid interface with a selfcontained and easy-to-use exposure system, J Aerosol Sci 96, 38-55, DOI: 10.1016/j.jaerosci.2016.02.005
[3] Lacroix, G. et al. (2018) Air-Liquid Interface In Vitro Models for Respiratory Toxicology Research: Consensus Workshop and Recommendations, Appl In Vitro Toxicol, 4, 1-16, DOI: 10.1089/aivt.2017.0034
Maschinelles Lernen beschleunigt Materialsimulationen
Erforschung, Entwicklung und Herstellung neuer Materialien hängen entscheidend von schnellen und zugleich genauen Simulationsmethoden ab. Maschinelles Lernen, bei dem Künstliche Intelligenz (KI) selbstständig neues Wissen erwirbt und anwendet, wird es künftig ermöglichen, komplexe Materials ... mehr
Katalysatorforschung: Molekulare Sonden erfordern hochgenaue Rechnungen
Katalysatoren machen viele Technologien überhaupt erst möglich. Um heterogene Katalysatoren weiter zu verbessern, bedarf es der Analyse der komplexen Prozesse an ihrer Oberfläche, wo sich die aktiven Zentren befinden. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben mit Kolle ... mehr
Nanostrukturen helfen, die Haftung von Krankenhauskeimen zu reduzieren
Wissenschaftler der Universität des Saarlandes und des Karlsruher Instituts für Technologie haben gemeinsam herausgefunden, wie Bakterien auf – in mikroskopischen Maßstäben – rauen Oberflächen haften. Das Team aus den Disziplinen Physik, Mikrobiologie und Mathematik entdeckte, dass aus der ... mehr
Analytische Quantifizierung von Gluten in Lebensmitteln
Der Gesetzgebung zufolge dürfen Lebensmittel, die mit einem Glutenfrei-Symbol versehen sind, nicht mehr als 20 mg Gluten pro Kilogramm enthalten, was für Zöliakie-Betroffene aus gesundheitlichen Gründen lebenswichtig ist. mehr
Die Entwicklung neuer Pharmazeutika beruht auf dem zunehmenden Verständnis intrazellulärer Vorgänge. Insbesondere durch die Erforschung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen können Wirkstoffe besser angepasst werden. Um Medikamente an ihren Wirkungsort zu bringen, werden sog. „Carrier“-Mol ... mehr
Katharina Scherf, Jahrgang 1985, studierte Lebensmittelchemie an der Technischen Universität München (TUM). Ihre Promotion und Habilitation erwarb sie ebenfalls an der TUM und war als leitende Wissenschaftlerin am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der TUM tätig. 2019 wurde ... mehr
Majlinda Xhaferaj, Jahrgang 1992, schloss ihr Lebensmittelchemiestudium im Jahr 2018 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ab. Seit 2019 ist sie Doktorandin in der Abteilung für Bioaktive und Funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe mit dem Schwerpunkt der Glutenanalytik zur Verbesseru ... mehr
Sonja Mülhopt erwarb 2000 ihr Diplom für Maschinenbau an der Berufsakademie (heute DHBW) Mannheim. Die begleitende Ausbildung durchlief sie am Forschungszentrum Karlsruhe, dem heutigen Karlsruher Institut für Technologie (KIT). 2014 erhielt sie den Master of Science für Chemieingenieurwesen ... mehr
Der Leitfaden unterstützt Labormitarbeiter beim Erkennen und Vermeiden von potenziellen Fehlerquellen und so letztlich bei der Verbesserung der Laboreffizienz. (…)
q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.
> mehr zu q&more
q&more wird unterstützt von:
© 1997-2023 LUMITOS AG, All rights reserved
q&more Artikel
