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Untersuchungen zum Wirkmechanismus von nanostrukturiertem Carbon Black mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit

 
: Tautenhahn, Sven
: Scharfenberg, Klaus; Hansen, Tanja; Niehof, Monika

Emden/Leer, 2014, VIII, 64 S.
Emden/Leer, Hochschule, Bachelor Thesis, 2014
Deutsch
Bachelor Thesis
Fraunhofer ITEM ()
pulmonary epithelial cells; oxidative stress; reactive oxygen species; plasmid assay; carbon black; Polycyclic aromatic hydrocarbons; cytotoxicity

Abstract
In den vergangenen Jahrzehnten verzeichnete die Herstellung von nanostrukturiertem Carbon Black (Industrieruß) ein deutliches Wachstum. Mit einer jährlichen Produktionsmenge von 10 Megatonnen (2005) zählt Carbon Black zu den 50 meist verwendeten Industriechemikalien weltweit. Vielfältige Varianten ermöglichen ein breites Anwendungsspektrum, bei dem die
Optimierung von Produkteigenschaften im Vordergrund steht. Industrieruß wird aufgrund zahlreicher toxikologischer Untersuchungen durch die Weltgesundheitsorganisation als potenziell kanzerogene Substanz eingestuft. Die während des Herstellungsprozesses entstehenden, und an der Oberfläche von Carbon Black adsorbierten, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) stehen im Verdacht, einen additiven toxischen Effekt auf den Organismus zu verursachen. Daher wurden in dieser Arbeit vier Industrieruße mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit untersucht. Hierbei handelt es sich um drei verschiedene Formen von Printex®90. Während eine Variante mit 99 % Kohlenstoff verhältnismäßig rein ist, besitzen die anderen beiden Formen jeweils einen an der Oberfläche adsorbierten PAK (Benzo[a]pyren, Nitroanthracen). Zusätzlich wurde Acetylenruß, der verschiedene gebundene PAK enthält, eingesetzt. Das nicht modifizierte Printex®90 weist die größte spezifische Oberfläche auf, während die anderen drei Ruße eine kleinere, aber untereinander vergleichbare, spezifische Oberfläche besitzen. Vermutlich gelangt Carbon Black vornehmlich über die inhalative Aufnahme in den Organismus. Daher wurde für diese Arbeit eine ursprünglich aus dem Respirationstrakt stammende Zelllinie (A549) verwendet.
Zur Untersuchung des Wirkmechanismus der jeweiligen Ruße und einer möglichen synergetischen Wirkung durch die adsorbierten PAK wurden verschiedene Testmethoden eingesetzt. Mit der pulmonalen Epithelzelllinie A549 wurde eine ATP-abhängige Zytotoxizitätsmessung und eine Zellkernfärbung zur Genotoxizität durchgeführt. Darüber hinaus wurde zum Nachweis von oxidativen Schäden ein Plasmid-Assay etabliert und mit Carbon Black getestet. Bei der Zytotoxizitätsmessung wurde mit Printex®90 als einzigem Ruß eine zytotoxische Wirkung nach 48 Stunden registriert. Die Zellkernfärbung (DAPI) zeigte bei allen Rußen einen leichten Anstieg an abnormalen Zellteilungen. Aufgrund der bereits in der Kontrolle
verstärkt vorkommenden Schädigungen der Zellteilungen, wird diese Zelllinie zur Untersuchung der Genotoxizität mittels Zellkernfärbung als ungeeignet eingestuft. Mit Hilfe des Plasmid-Assays wurde bei allen Rußen eine signifikante, abiotische oxidative Schädigung der DNA festgestellt. Lediglich der Nitroanthracen-Ruß verursachte im low-dose Bereich (0,1g/ml) keine signifikanten Veränderungen der DNA.
Anhand der vorliegenden Bachelor-Arbeit lässt sich schlussfolgern, dass die von Carbon Black ausgehende Toxizität für die hier untersuchten Endpunkte vorwiegend auf die spezifische Oberfläche zurückzuführen ist und dass die partikelgebundenen PAK weniger zum toxischen Potenzial beitragen.

 

The production of nanostructured carbon black increased significantly over the past years. With an annual production volume of 10 megatons (2005) carbon black is one of the 50 most widely used industrial chemicals worldwide. Various types allow for a broad range of applications to optimize product properties. Based on numerous toxicological investigations the World Health Organization categorizes carbon black as a potentially carcinogenic substance. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) formed during the production process and adsorbed on the surface area are suspected of causing an additive effect to the organism. Therefore, four industrial carbon black modifications with different surface properties were evaluated in this thesis: One modification (Printex®90) with 99% carbon and two supplemented with PAHs (benzo[a]pyrene, nitroanthracene) adsorbed to the surface. Additionally acetylene black was used which contains various PAHs. Printex®90 has the largest specific surface area while the other three carbon black modifications have a smaller but comparable specific surface area. Carbon black is supposed to reach the body primarily via inhalation. For that reason, a cell line (A549) originating from the respiratory tract was
used in this study. Different assays were used to investigate the mechanism of action of the respective carbon blacks and a possible synergetic effect by adsorbed PAHs. Using the pulmonary epithelial cell line A549 an ATP-dependent cytotoxicity assay and nuclear staining for the assessment of genotoxicity were performed. Furthermore a plasmid assay was established for the detection of oxidative damage and tested with carbon black. Printex®90 was the only soot exerting a cytotoxic effect after 48 hours as judged by the ATP-Assay.
Nuclear staining experiments (DAPI) revealed that all carbon black modifications caused a slight increase in abnormal cell divisions. Due to the high number of abnormal cell divisions in untreated control cultures, this cell line is unsuitable to study genotoxic effects in nuclear staining experiments. Using the plasmid assay significant abiotic oxidative DNA damage was
observed with all carbon black modifications. Merely carbon black with nitroanthracene caused no significant DNA damage at the low dose (0.1 g/ml). The results of the present bachelor thesis suggest that the biological effects of carbon black on
cytotoxicity and DNA damage, are mainly due to the specific surface area and to a lesser extend to the particle-bound PAHs.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-317990.html