Mere effektiv risikovurdering for nanomaterialer

Nanoteknologi blomstrer, men risikovurdering for disse bittesmå partikler er en besværlig proces, der giver betydelige udfordringer for det tyske forbundsinstitut for risikovurdering (BfR). For at finde mere effektive testmetoder, forskere ved Helmholtz Center for Miljøforskning (UFZ) i samarbejde med BfR-forskere kiggede nærmere på de biologiske effekter. Deres resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Particle and Fiber Toxicology.

Fra farvestoffer til byggematerialer, og fra kosmetiske produkter til elektronik og medicin, nanomaterialer findes i mange forskellige anvendelser. Men hvad er disse materialer?

"Nanomaterialer defineres udelukkende af deres størrelse, " forklarer Dr. Kristin Schubert fra Institut for Molekylær Systembiologi ved UFZ. "Materialer mellem en og 100 nanometer i størrelse omtales som nanomaterialer." For at hjælpe med at forestille sig deres diminutive størrelse:En nanometer er kun en milliontedel af en millimeter. Da nanomaterialer er så små, de kan nemt komme ind i kroppen, for eksempel gennem lungerne, hud eller mave-tarmkanalen, hvor de kan forårsage uønskede virkninger. Ligesom konventionelle kemikalier, nanomaterialer skal derfor testes for potentielle sundhedsrisici, før de kan fremstilles industrielt, brugt og markedsført.

I øjeblikket, test udføres for hvert nanomateriale individuelt. Og da selv de mindste ændringer – f.eks. i størrelse eller overfladekarakteristika - kan påvirke toksiciteten, separate tests er også nødvendige for hver variant af et nanomateriale. "Risikovurdering for nanomaterialer er nogle gange vanskelig og meget tidskrævende, " siger Dr. Andrea Haase fra BfR. "Og listen over stoffer, der skal testes, bliver længere hver dag, fordi nanoteknologi vokser til at blive en nøgleteknologi med vidtspændende anvendelser. Vi har derfor et presserende behov for at finde løsninger til en mere effektiv risikovurdering."

Hvordan kan nanomaterialer passende klassificeres i grupper? Er der ligheder i deres virkninger? Og hvilke materialeegenskaber er forbundet med disse effekter? I deres nylige undersøgelse, forskere ved UFZ og BfR og brancherepræsentanter gik i gang med at besvare disse spørgsmål. "Vi fokuserede på de biologiske effekter og undersøgte, hvilke molekyler og signalveje i cellen, der er påvirket af hvilke typer nanomaterialer, siger Schubert.

Gennem in vitro eksperimenter, forskerne udsatte epitelceller fra rotters lunger for forskellige nanomaterialer og ledte efter ændringer i cellerne. At gøre dette, de brugte såkaldte multi-omics-metoder:de identificerede flere tusinde celleproteiner, forskellige lipider og aminosyrer, og studerede vigtige signalveje i cellen. Ved hjælp af en ny bioinformatisk analyseteknik, de evaluerede enorme mængder af data og kom frem til nogle interessante resultater.

"Vi var i stand til at vise, at nanomaterialer med toksiske effekter i starten udløser oxidativt stress, og at visse proteiner i processen op- eller nedreguleres i cellen, " forklarer Schubert. "I fremtiden, disse nøglemolekyler kunne tjene som biomarkører til at opdage og give bevis for potentielle toksiske virkninger af nanomaterialer hurtigt og effektivt." Hvis nanomaterialets toksicitet er høj, oxidativ stress øges, inflammatoriske processer udvikler sig og efter et vist punkt, cellen dør.

"Vi har nu en bedre forståelse af, hvordan nanomaterialer påvirker cellen, " siger Haase. "Og ved hjælp af biomarkører kan vi nu også opdage meget lavere toksiske effekter end tidligere muligt." Forskerne identificerede også klare sammenhænge mellem visse egenskaber ved nanomaterialer og ændringer i cellemetabolismen. "F.eks. vi var i stand til at vise, at nanomaterialer med et stort overfladeareal påvirker cellen helt anderledes end dem med et lille overfladeareal, " siger Schubert. Det er meget nyttigt at vide, hvilke parametre der spiller en nøglerolle i toksiske effekter. Det betyder, at nanomaterialer kan optimeres under fremstillingsprocessen, for eksempel gennem små ændringer, og dermed reduceres toksiske virkninger.

"Vores undersøgelse har taget os flere store skridt fremad, " siger Schubert. "For første gang, vi har grundigt analyseret de biologiske mekanismer, der ligger til grund for de toksiske virkninger, klassificerede nanomaterialer i grupper baseret på deres biologiske effekter og identificerede nøglebiomarkører for nye testmetoder." Andrea Haase fra BfR er mere end tilfreds:"Resultaterne er vigtige for det fremtidige arbejde. De vil bidrage til nye koncepter for de effektive, pålidelig risikovurdering af nanomaterialer og sætte den retning, vi skal gå."