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Biologische Wirkungen von nanostrukturiertem Carbon Black auf pulmonale Zielzellen

 
: Kopf, Johannes Claudius
: Steinberg, Pablo; Bicker, Gerd; Dasenbrock, Clemens

Hannover, 2013, 137 S.
Hannover, Tierärztliche Hochschule, Diss., 2013
Deutsch
Dissertation
Fraunhofer ITEM ()
Printex®90; acetylene soot; pulmonary in vitro models; carbon black; chemicals - toxicity testing; nanostructured material

Abstract
Nanostrukturiertes Carbon Black gehört mit einer jährlichen Produktionsmenge von 8,1 Megatonnen (INTERNATIONAL CARBON BLACK ASSOCIATION 2006) zu den 50 meist produzierten Chemikalien weltweit (DATA NANOMATERIALS 2011). In eine Vielzahl von Alltagsgegenständen wird der Industrieruß zur Optimierung von Produkteigenschaften eingearbeitet. Obwohl bereits einige Untersuchungen über die Gefahren von Carbon Black angestellt worden sind, ist das toxische Potential dieses Materials für die menschliche Gesundheit nicht ausreichend bekannt. Dies zeigt auch die Einschätzung der International Agency for Research on Cancer, welche Industrieruß als potentiell kanzerogene Substanz in die Gruppe 2B eingestuft hat (INTERNATIONAL AGENCY FOR RESEARCH ON CANCER 2006). Die Zielsetzung dieser Dissertation lag in dem Vergleich von zwei Industrierußen mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften. Während Printex®90 mit einem Anteil von 99 % Kohlenstoff einen sehr reinen Industrieruß darstellt, wurden auf der Oberfläche des getesteten Acetylenrußes verschiedene polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe nachgewiesen.
In dieser Arbeit wurde darauf geachtet, dass nur monodisperse lungengängige Feinstaubpartikel in den Versuchen mit den humanen Lungenzellen eingesetzt wurden. So betrug der am Zetasizer ermittelte durchschnittliche hydrodynamische Partikeldurchmesser der Industrieruße im Zellkulturmedium bei Printex®90 im arithmetischen Mittelwert 161,83 (± 8,77) nm und bei dem Acetylenruß 167,36 (± 0,95) nm.
Mit dem WST-8 Assay, dem Neutralrot-Test und der durchflusszytometrischen Messung des Propidiumiodids wurde keine Beeinflussung der Zellviabilität von A549, Calu-3 und 16HBE14o- Lungenzellen nach 24 und 48-stündiger Exposition weder durch Printex®90 noch durch den Acetylenruß in Konzentrationen von 0,1 ng/ml bis 10 µg/ml nachgewiesen. Höhere Konzentrationen, bei denen in vivo auch mit unspezifischen toxischen Effekten gerechnet werden muss, führten im WST-8 Assay bei beiden Rußen zur signifikanten Abnahme der Viabilität von humanen Lungenzellen.
Es konnte nachgewiesen werden, dass sich Printex®90 und der Acetylenruß negativ auf die interzellulären Kontakte von Calu-3 Zellen auswirken. Bereits nach 24-stündiger Exposition mit 10 µg/ml Acetylenruß zeigte sich eine signifikante Verringerung des transepithelialen Widerstands. Dieser toxische Effekt wurde auch nach 48 und 120 Stunden Rußexposition gemessen. Printex®90 hingegen induzierte erst nach 120-stündiger Exposition in der höchsten eingesetzten Konzentration von 50 µg/ml einen signifikanten Abfall der Impedanz des Zellrasens.
Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass sowohl Printex®90 als auch der Acetylenruß in der Lage sind intrazelluläre reaktive Sauerstoffspezies (ROS) in humanen 16HBE14o- Bronchialepithelzellen und A549 Alveolarepithelzellen zu induzieren. Während Printex®90 nur in der Konzentration von 50 µg/ml signifikant oxidativen Stress in beiden Zelllinien induzierte, führte bereits eine Konzentration von 10 µg/ml Acetylenruß zu einem Anstieg von intrazellulären ROS in A549 und 16HBE14o- Zellen.
Interessanterweise konnten weder bei Printex®90 noch beim Acetylenruß nach 24-stündiger Exposition in den Konzentrationen 10 µg/ml und 50 µg/ml genotoxische Effekte im Comet Assay beobachtet werden.
In dieser Arbeit wurden Zytotoxizitätstests an die Untersuchungen von Rußen angepasst. Das zytotoxische Potential von zwei unterschiedlichen Industrierußen auf die Zellen des menschlichen Respirationstrakts wurde nachgewiesen. Weitere Untersuchungen zur Aufklärung der Wirkmechanismen von nanostrukturiertem Carbon Black sollten unternommen werden.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-242087.html