Nanotechnologie is booming, maar risicobeoordeling voor deze kleine deeltjes is een moeizaam proces dat aanzienlijke uitdagingen vormt voor het Duitse Federale Instituut voor Risicobeoordeling (BfR). Om efficiëntere testmethoden te vinden, onderzoekers van het Helmholtz Centrum voor Milieuonderzoek (UFZ) hebben in samenwerking met BfR wetenschappers de biologische effecten onder de loep genomen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Particle and Fiber Toxicology.

Van kleurstoffen tot bouwmaterialen, en van cosmetische producten tot elektronica en medicijnen, nanomaterialen komen in veel verschillende toepassingen voor. Maar wat zijn deze materialen?

"Nanomaterialen worden puur gedefinieerd door hun grootte, ", legt dr. Kristin Schubert van de afdeling Moleculaire Systeembiologie van het UFZ uit. "Materialen met een grootte tussen één en 100 nanometer worden nanomaterialen genoemd." Om hun kleine afmetingen te helpen begrijpen:één nanometer is slechts een miljoenste van een millimeter. Omdat nanomaterialen zo klein zijn, ze kunnen gemakkelijk het lichaam binnendringen, bijvoorbeeld via de longen, huid of maagdarmkanaal, waar ze nadelige effecten kunnen veroorzaken. Net als conventionele chemicaliën, nanomaterialen moeten daarom worden getest op mogelijke gezondheidsrisico's voordat ze industrieel kunnen worden vervaardigd, gebruikt en op de markt gebracht.

Momenteel, het testen wordt uitgevoerd voor elk nanomateriaal afzonderlijk. En aangezien zelfs de kleinste veranderingen, bijvoorbeeld in grootte of oppervlaktekenmerken - kan de toxiciteit beïnvloeden, Ook zijn voor elke variant van een nanomateriaal aparte testen nodig. "Risicobeoordeling voor nanomaterialen is soms moeilijk en zeer tijdrovend, " zegt Dr. Andrea Haase van BfR. "En de lijst met te testen stoffen wordt elke dag langer, omdat nanotechnologie uitgroeit tot een sleuteltechnologie met brede toepassingen. We moeten daarom dringend oplossingen vinden voor een efficiëntere risicobeoordeling."

Hoe kunnen nanomaterialen op de juiste manier in groepen worden ingedeeld? Zijn er overeenkomsten in hun effecten? En welke materiaaleigenschappen gaan met deze effecten gepaard? In hun recente studie, onderzoekers van UFZ en BfR en vertegenwoordigers van de industrie gingen aan de slag om deze vragen te beantwoorden. "We hebben ons gericht op de biologische effecten en onderzocht welke moleculen en signaalroutes in de cel worden beïnvloed door welke soorten nanomaterialen, ', zegt Schubert.

Door middel van in vitro experimenten, de onderzoekers stelden epitheelcellen uit de longen van ratten bloot aan verschillende nanomaterialen en zochten naar veranderingen in de cellen. Om dit te doen, ze gebruikten zogenaamde multi-omics-methoden:ze identificeerden enkele duizenden celeiwitten, verschillende lipiden en aminozuren, en bestudeerde belangrijke signaalroutes in de cel. Met behulp van een nieuwe bioinformatische analysetechniek, ze evalueerden enorme hoeveelheden gegevens en kwamen tot enkele interessante resultaten.

"We hebben kunnen aantonen dat nanomaterialen met toxische effecten in eerste instantie oxidatieve stress veroorzaken en dat daarbij bepaalde eiwitten in de cel omhoog of omlaag worden gereguleerd, " legt Schubert uit. "In de toekomst zullen deze sleutelmoleculen kunnen dienen als biomarkers om mogelijke toxische effecten van nanomaterialen snel en effectief te detecteren en aan te tonen." Als de toxiciteit van het nanomateriaal hoog is, oxidatieve stress neemt toe, ontstekingsprocessen ontwikkelen zich en na een bepaald punt, de cel sterft.

"We hebben nu een beter begrip van hoe nanomaterialen de cel beïnvloeden, ", zegt Haase. "En met behulp van biomarkers kunnen we nu ook veel lagere toxische effecten detecteren dan voorheen mogelijk was." De onderzoekers identificeerden ook duidelijke verbanden tussen bepaalde eigenschappen van nanomaterialen en veranderingen in het cellulaire metabolisme. we konden aantonen dat nanomaterialen met een groot oppervlak de cel heel anders beïnvloeden dan die met een klein oppervlak, ", zegt Schubert. Weten welke parameters een sleutelrol spelen bij toxische effecten is erg handig. Het betekent dat nanomaterialen tijdens het productieproces kunnen worden geoptimaliseerd, bijvoorbeeld door kleine aanpassingen, en dus toxische effecten verminderd.

"Onze studie heeft ons verschillende grote stappen voorwaarts gebracht, ", zegt Schubert. "Voor de eerste keer, we hebben de biologische mechanismen die ten grondslag liggen aan de toxische effecten uitgebreid geanalyseerd, hebben nanomaterialen ingedeeld in groepen op basis van hun biologische effecten en hebben belangrijke biomarkers geïdentificeerd voor nieuwe testmethoden." Andrea Haase van BfR is meer dan tevreden:"De resultaten zijn belangrijk voor toekomstig werk. Ze zullen bijdragen aan nieuwe concepten voor de efficiënte, betrouwbare risicobeoordeling van nanomaterialen en het bepalen van de richting die we moeten uitgaan."