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Histologische und elektronenmikroskopische Untersuchungen der Lunge nach Inhalation von Titandioxid-Nanopartikeln bzw. -Feinpartikeln bei der Ratte

Histologic and ultrastructural evaluation of rat lungs after inhalation of titanium dioxide nano particles and fine particles, respectively
 
: Eydner, M.
: Baumgärtner, W.; Pfarrer, C.

:
Fulltext urn:nbn:de:gbv:95-99554 (8.5 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: c0ea0eba3cb307f60f5526758aae400c
Created on: 23.8.2011


Gießen: DVG Service, 2011, 210 pp.
Zugl.: Hannover, Hochschule, Diss., 2011
ISBN: 978-3-86345-034-2
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer ITEM ()
titanium dioxide; nanoparticle; stereology; rat; lung

Abstract
TiO2-Nanopartikel finden generell Verwendung in Biotechnologie, Pharmazie, Kosmetikindustrie und werden hauptsächlich in Farben und Lacken, als Sonnenschutz, in Textilien und bei der Photokatalyse eingesetzt. Sie können inhalativ, perkutan oder oral adsorbiert bzw. aufgenommen werden. Partikel in Nanogröße können in allen Regionen des Respirationstraktes inklusive der tiefen Lunge abgelagert werden. Auf Grund ihrer geringen Größe können sie direkt durch die Zellmembran in die Zelle gelangen oder indirekt zwischen bzw. durch Zellen transloziert werden, was einen Transport an andere Stellen des Körpers ermöglicht. Es wurde ein dreiwöchiger Inhalationsversuch mit TiO2-Nanopartikeln und -Feinpartikeln an Ratten durchgeführt. Die Tiere wurden täglich jeweils 6 Stunden exponiert. Die postexpositionellen Erholungszeiten (Recovery) lagen bei 3, 28 oder 90 Tagen. Makroskopisch waren bei partikelexponierten Tieren weiße Foci (sogenannte dust macules) sichtbar. Histologisch ließen sich in allen Behandlungsgruppen partikelbeladene Makrophagen sowie minimale entzündliche und hyperplastische Veränderungen nachweisen. Unterschiede zwischen den durch Nano- bzw. Feinpartikel ausgelösten Effekten waren nicht vorhanden. Eine deutliche Entzündung, wie sie durch Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies von partikelbeladenen Zellen induziert werden kann, wurde in diesem Versuch nicht nachgewiesen. Die vorhandenen bronchiolo-alveolären Hyperplasien sind vermutlich durch rein mechanische Einwirkung der inhalierten Partikel ausgelöst worden.
Elektronenmikroskopisch waren bei den mit hohen Dosen Nano- und Feinpartikeln behandelten Tieren agglomerierte Partikelablagerungen vor allem in Alveolarmakrophagen vorhanden, was die Quantifizierung mittels relativem Depositionsindex und X2-Werten bestätigte. In geringerem Ausmaß waren auch TiO2-Partikel in Typ IPneumozyten sichtbar. Die entsprechenden relativen Depositionsindizes und X2-Werte bestätigten die präferierte Ablagerung in diesem Zelltyp allerdings nicht, ein deutlicher Trend war jedoch erkennbar. Dies ist der erste Versuch mit TiO2-Partikeln, bei dem direkt eine Bestimmung des RDI durchgeführt wurde. Bislang gab es lediglich einen Inhalationsversuch mit TiO2, bei dem die Partikeldeposition im Nachhinein mittels dieser Methoden reevaluiert wurde. Bei diesem waren jedoch die Behandlungs- und die Recovery deutlich kürzer, als in diesem Fall (1 Stunde Exposition und 1 bzw. 24 Stunden Recovery). In Einzelfällen waren Partikelagglomerate im Bronchialepithel, im Interstitium der Lunge und in Kapillarendothelzellen vorhanden. Es wurden erstmals auch Nanopartikel in einem intrakapillären Granulozyten beschrieben. Aufgrund dieser Befunde muss von einer möglichen, wenn auch minimalen, systemischen Verteilung der Partikel über den Blutkreislauf ausgegangen werden. Ein signifikanter Unterschied im Translokationsverhalten der zwei unterschiedlichen Partikeltypen konnte nicht nachgewiesen werden. Dies kann durch die Agglomeration der Nanopartikel mit konsekutiver Entstehung deutlich größerer Sekundärpartikel, bedingt sein. Partikel wurden lediglich intrazytoplasmatisch nachgewiesen, nicht jedoch im Nukleus, in Mitochondrien oder anderen Zellorganellen. Vereinzelt waren partikelbeladene, degenerierte Zellen in den Alveolen sichtbar, bei denen es sich vermutlich um Makrophagen handelt. In anderen Zellen waren auf subzellulärer Ebene keine strukturellen Alterationen von Zellorganellen erkennbar. Das im Rahmen der stereologischen Auswertung ermittelte Lungenvolumen zeigte keine behandlungsbedingten Veränderungen, was im Widerspruch zu vielen vorherigen Untersuchungen steht. Bei diesen wurden jedoch nicht die Lungenvolumina, sondern die Lungengewichte bestimmt, welche nach Partikelinhalation erhöht waren. Die Quantifizierung der Zusammensetzung der Lunge, welche bei dieser Arbeit erstmalig nach TiO2-Inhalation durchgeführt wurde, erbrachte minimale Veränderungen, die jedoch bei keinem untersuchten Kompartiment bei Tieren aller drei Recovery-Zeitpunkte nachweisbar waren. Somit ist davon auszugehen, dass sowohl Nano-, als auch Feinpartikel-Expositionen in diesen Dosisbereichen nicht zu schwerwiegenden Veränderungen der Lungenstruktur führen. Das vermehrte Vorkommen von Alveolarmakrophagen wurde ebenfalls quantifiziert und zeigte erwartungsgemäß einen Anstieg des Makrophagenanteils bei den behandelten Gruppen. Dies wurde bislang lediglich durch die Bestimmung der Zellzahlen in bronchiolo-alveolärer Lavageflüssigkeit quantifiziert. Die Menge an intrakapillären Thrombozyten und Lymphozyten zeigte keine partikelinduzierte Veränderung. Lediglich die Makrophagen- und Granulozytenzahlen wiesen geringfügige Veränderungen innerhalb der Nanopartikel-Gruppen auf, welche auf ein schnelles Abklingen der minimalen Entzündungsprozesse hindeuten könnten. Bisher wurden nach derartigen Versuchen lediglich die Entzündungszellzahlen im Blut der Tiere bestimmt, eine elektronenmikroskopische Auszählung solcher Zellen ist bisher im Zusammenhang mit TiO2-Exposition nicht beschrieben. Obwohl die Ratte, welche ein proinflammatorisches Lungenmilieu aufweist und somit sensitiver für Schädigungen durch Partikel ist, als Versuchstierspezies gewählt wurde, konnten keine schwerwiegenden Schädigungen der Lunge, keine signifikanten Unterschiede im Translokationsverhalten und keine subzellulären Alterationen durch die Inhalation von TiO2-Nanopartikeln und -Feinpartikeln festgestellt werden. Auf Grund des Nachweises vereinzelter, partikelbeladener Zellen in den Lungenkapillaren, ist jedoch eine hämatogene Translokation von Partikeln in andere Körperregionen möglich. Die in diesem Versuch verwendeten Expositionsdosen induzierten lediglich minimale Veränderungen der Lunge. Unterschiede in den partikelinduzierten Effekten und dem Translokationsverhalten zwischen Nanopartikeln und Feinpartikel-Gruppen waren nicht vorhanden. Dies ist möglicherweise durch die Agglomeration der Nanopartikel bedingt, was die Bildung größerer Sekundärpartikel zur Folge hatte und so zu einer Verminderung des toxikologischen Potenzials geführt haben könnte.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-178043.html