Ma te ria ls Sc ie nc e &Te c hnology

Einblick in die Nanotoxikologie:erste zytotoxikologische Ergebnissevon NanopartikelnDr. Peter Wick, Pius Manser, Philipp Spohn, Dr. Arie BruininkMaterials-Biology Interactions

Anwendungsgebiete und Trends

Produktionsverfahren und CNT Eigenschaften

2004Produktion CNT 65tUmsatz 144 Mio € 2005Produktion CNT 100 t Umsatz 200 Mio €

Eigenschaften:- Durchmesser 1 - 50nm- Länge 1 – endlos nm- ein- und mehrwandig- Orientierung der Gitterstruktur- Verunreinigungen Katalysator- Katalysatoren: Ni, Y, Fe, Co,…

übernommen von Hayashi T et al. 2003

Verfahren:- Lichtbogensynthese- Laser Abdampfung - CVD

Aufnahmewege von Nanopartikeln

übernommen von Oberdörster et al. 2005 übernommen von Monteiro-Riviere et al. 2005

Ma te ria ls Sc ienc e &Te chno logy

PS80 ein Detergenz zur CNT Dispergierung

Nicht-ionisches Detergenz

250 µg / ml CNT Rohmaterial

H2O PS80

effect of PS 80 on MTT and DNA

0

50

100

0 25 50PS 80 [µg / ml]

activ

ity [%

of c

ontr

ol]

MTTDNA

a

Probenaufbereitung und Charakterisierung

Fraktionierung mit PS80 Scale bar 200nm

Scale bar 20nmSäure / Hitze Aufreinigung Scale bar 200nm

Morphologieveränderungen der Zellen nach NP

Menschliche Mesothelioma Zelllinie MSTO-211H

CNT Agglomerate Asbest

Scale Bar 20µm

Kontrolle CNT Bündel

3 Tage Inkubation mit 15 µg / ml Np

Reaktive Sauerstoff Radikale (ROS) Messungen

gemessen nach 2h Partikel-Expostition

0

200

400

600

800

ctrl Sin-1 0.5µM Asb 50µg CNT rm10µg

CNT rm50µg

amou

nt [%

of c

ontr

ol]

ROS

CNT pellet

0

20

40

60

80

100

120

DNA MTT

amou

nt [%

of c

ontro

l]

**

*

*

*

*

Ni 8.5 wt%Y 1.1 wt%

SWCNT 28%200 nm

CNT Pellet

CNT supernatant

0

20

40

60

80

100

120

DNA MTT

amou

nt [%

of c

ontro

l]

**

*

*

** Ni 5.5 wt%

Y 0.7 wt%

SWCNT 50%100 nm

CNT Bündel

SWCNT Rohmaterial

Ni 2.4 w%Y 0.4 w%

SWCNT 48%

SWCNT purified

0

20

40

60

80

100

120

DNA MTT

amou

nt [%

of c

ontro

l]

*

**

*

*

*

100 nm

CNT Agglomerate

asbestos MSTO

020406080

100120

DNA MTT

amou

nt [%

of c

ontr

ol]

**

*

*

Ni 13.8 wt%Y 1.6 wt%

SWCNT 36%400 nm

CNT Rohmaterial

Cytotoxikologische Beurteilung versch CNT Fraktionen

Wick et al. submitted

Konsequenzen

� Durch Fraktionierung der CNT detailliertecytotoxikologische Beurteilung möglich

� Nickel und Yttrium keine cytotoxikologische Relevanz� gut dispergierte CNT (Bündel) sind weniger cytotoxisch

als agglomertierte CNT� ‚amorpher‘ Kohlenstoff (Pellet Fraktion) reduziert

Zellaktivität und Zellproliferation� Nur eine vollständige Charakterisierung der CNT lässt

eine vernünftige cytotoxikologische Beurteilung zu� CNT Agglomerate sind grösser, steifer als dispergierte

CNT → Analogie zu Asbest?

Cytotoxikologische Beurteilung von Asbest

Ma te r ia ls S c ie n c e & Te c h n o lo gy

Scale bar 1 µm

Grössenverteilung

53.8% 3 – 5 µm36.0% 5 – 10 µm9.2% 10 – 25 µm1.1% > 25 µm

Zusammensetzung

Fe 15.1 wt%Ni 0.001 wt%Cr 0.002 wt%Mn 0.09 wt%

Crocidolit Asbest

asbestos

0

25

50

75

100

DNA MTT

activ

ity [%

of c

ontr

ol] *

*

*

**

*d

*

*

Scale bar 20 µm

Asbest3 Tage Inkubation mit:0; 7.5; 15; 30 µg/ml

Vergleich CNT mit anderen industriell relevanten Np

cell proliferation MSTO

0.0

25.0

50.0

75.0

100.0

SiO2

TiO2

TCP

CNT rm

CNT bun

dles

CNT pell

etSW

CNT p.

Elica

rb*

Cat (F

e) Ni Y

ZrO2

CeO2

Fe2O

3

ZnO

Asb

activ

ity [%

of c

ontrol

]

cell activity MSTO

0.0

25.0

50.0

75.0

100.0

125.0

SiO2

TiO2

TCP

CNT rm

CNT bun

dles

CNT pell

etSW

CNT p.

Elica

rb*

Cat (F

e) Ni Y

ZrO2

CeO2

Fe2O

3

ZnO

Asb

activ

ity [%

of c

ontrol

]

Ma te ria ls Sc ie nc e &Te c hno logy

Brunner TJ et al, in press 3 Tage Inkubation mit 15 µg / ml NP

Gen Chip

markierteRNA

+

Hybridisierung

Effekte von Nanopartikel auf die Genregulation

Up regulatedUp regulated

Down regulatedDown regulated

Affymetrix GeneChip®

unbehandelt behandelt

1 Experiment, alle 33‘000 Gene des menschlichen Genoms analysiert!

Ma te ria ls Sc ie nc e &Te c hno logy

Induzierte Gengruppen nach CNT Behandlung

Asb CNTbundles

Apoptosis 18 3Cell adhesion 12 3Cell cycle 18 5Cell differentiation 15 1Cell migration/motility 10 -Cell proliferation 17 -Cell surface signal trans 10DNA repair / replication 15Inflammatory response 8 2Signaling 68 11Phosphorylation 17 9Regulation Transcription 102 30Unknown 238 73

http://vortex.cs.wayne.edu/ontoexpress/

p>0.05; 1.5 induziert

biologische Prozesse molekulare Funktionen

Asb CNTbundles

ATP binding 38 16DNA binding 33 8GTP binding 23 2Hydrolase 20 7Metal ion binding 100 20Nucleid acid binding 58 6Oxidoreductase activity 19 3Protein binding 49 4Protein serine/threonine 11 8Signal transducer 11 3TFs (inkl activators) 29 9Transferase 31 12Unknown 64 62

Zellkern

Aufnahme

µm - Partikel

nm - Partikel

Nanotubes

Zell – Partikel Interaktion Zusammenfassung

ROSROS

?

??

Genregulation

ApoptoseNekrose

ZellaktivitätZellproliferation

Empa, , 16

Empa, , 17

Prof. Dr. W. StarkT. BrunnerL. Limbach

Functional Material Laboratory

Prof. Dr. P. GehrDr. B. Rothen

Dr. S. RothDr. U. Dettlaff