How do nanoparticles take effect?
Scientists of the Friedrich Alexander University of Erlangen-Nürnberg (FAU) are working on a safety-check for the miniscule particles.
Structures in nano-dimension help geckos to crawl up walls, let rain drops roll off lotus-leaves and turn sharks into agile hunters. Several years ago scientists have started to develop nanoparticles with stunning characteristics themselves. How artificially produced particles affect the human body is so far insufficiently understood. An interdisciplinary team of scientists at the FAU has recently engaged in answering these questions.
Unter dem Titel „EAM Nanosafe“ nehmen sich die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Christoph Alexiou, Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON) in der HNO-Klinik des Universitätsklinikums Erlangen, und Prof. Dr. Simone Schmitz-Spanke, Professur für Biomarker in der Arbeitsmedizin, in den nächsten vier Jahren Nanoteilchen vor, die am Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM) der FAU entwickelt wurden. Das Besondere an dem FAU-Projekt: Partikel-Designer des Exzellenzcluster und Forscher, die die Wirkung auf Mensch und Umwelt untersuchen, kooperieren eng.
Zuerst werden die Wissenschaftler Methoden weiterentwickeln, mit denen Nanopartikel auf ihre Wirkung hin untersucht werden können. Denn bisher existieren keine Standardverfahren, um die winzigen Teilchen zu analysieren. Dabei arbeiten die Forscher mit standardisierten Partikeln wie Zinkoxid, Titandioxid oder Eisenoxid, die heute bereits in Produkten wie Farben und Lacken, Kosmetika oder Medikamenten im Einsatz sind. Die Partikel sollen vorrangig aus dem Exzellenzcluster an die beiden Arbeitsgruppen geliefert werden, steril als Pulver oder gelöst in speziellen Flüssigkeiten.
Die zweite Phase des Projekts verlässt die Ebene des reinen Screenings und widmet sich der grundlegenden Frage, wie Nanopartikel wirken. Dafür synthetisieren die EAM-Forscher aus den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Wolfgang Peukert, Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik, eine Vielzahl von Partikelproben. Mit modernsten Verfahren stellen sie diese in der flüssigen oder Gas-Phase sowie mit Methoden der Synthese, des Zerkleinerns, des Versprühens und des Emulgierens maßgeschneidert her.
Die Proben unterscheiden sich jeweils in nur einem Parameter. Auf diese Weise können die Wissenschaftler testen, ob es beispielsweise die Größe, die Oberflächenladung oder die Dotierung, das heißt eine künstlich eingebaute Störung, ist, die die Toxizität und die zellulären Effekte entscheidend beeinflussen. Damit sich ein Nanoteilchen toxikologisch bewerten lässt, müssen die Wissenschaftler zudem herausfinden, welche Konzentration welche Reaktion in den Zellen hervorruft.
Das Projekt zeichnet eine weitere Besonderheit aus: Die FAU-Forscher wollen neben den standardisierten Partikeln vor allem Nanoteilchen analysieren, die am Exzellenzcluster für konkrete Anwendungen entwickelt wurden. Zum Beispiel Eisenoxidnanopartikel, die in ein paar Jahren als Transporter für pharmazeutische Wirkstoffe dienen könnten. Die Forscher feilen damit in einem sehr frühen Stadium daran, die Nanopartikel biologisch verträglicher zu machen.
Die Arbeitsgruppe um Prof. Alexiou hat eine neue Methode entwickelt, mit der untersucht werden kann, welche Eigenschaften von Nanoteilchen dazu führen, dass Zellen absterben – und das für mehrere Parameter gleichzeitig. Arbeitsmedizinerin Prof. Schmitz-Spanke und ihr Team hingegen beschäftigen sich vor allem mit der Frage, wie die winzigen Teilchen in Lungenzellen sowie in Zellen, die die Gefäße auskleiden, wirken.
Lungenzellen deswegen, weil die Lunge die Haupteintrittspforte für Nanopartikel in der Umwelt und am Arbeitsplatz ist. Das Gefäßsystem, weil epidemiologische Daten auf eine Zunahme von Herz-Kreislauf-Krankheiten infolge der Exposition gegen Nanopartikel – wie etwa Dieselrußpartikel – hinweisen. Mit der Kombination verschiedener Analysemethoden sowie der Zusammenarbeit unterschiedlicher wissenschaftlicher Bereiche wollen die Forscher tragfähigere Aussagen darüber treffen, wie Nanopartikel auf Mensch und Umwelt wirken.
Source: Friedrich Alexander Universität, Erlangen Nürnberg
Image Source: FAU
Image Description: Die FAU-Forscher untersuchen unter anderem Zinkoxid-Nanopartikel – angeordnet als Stäbchen (links oben), als Kügelchen (rechts oben), als Plättchen (links unten) oder als Tetraeder (rechts unten). Je nach Form unterscheidet sich die Wirkung dieser extrem kleinen Nanoteilchen.