Vergleich der zellulären Antwort zwischen humanem respiratorischen Primärgewebe und 3D-Co-Kulturen auf Bariumsulfat-Nanopartikel-Aerosol

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Heidi Foth; Professor Dr. Andreas Schober
• Fachliche Zuordnung: Public Health, Gesundheitsbezogene Versorgungsforschung, Sozial- und Arbeitsmedizin
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397981139

Trotz aller Fortschritte in der toxikologischen Bewertung von Bariumsulfat-Nanopartikeln gibt es nach wie vor Informationsdefizite, v.a. im Bereich subtoxischer und wiederholter Expositionen oder bei der Beurteilung von Stressantworten aufgrund einer Überlastung (Particle Overload) und dem Potential einer adaptiven Antwort auf niedrige Belastungen. Die Unterschiede in der Empfindlichkeit und die Variabilität zwischen Humangewebe und anderen Spezies, sowie zwischen Primärzellen und Tumorzelllinien, sind ein ebenfalls noch nicht adäquat gelöstes Problem.Gemeinsam sollen im vorliegenden Projekt die Mobilität von Bariumsulftat- und Titandioxid-Nanopartikeln (als Positivkontrolle) und die zellulären Effekte auf respiratorisches Gewebe der menschlichen Lunge in nativer Konfiguration (L-MOC) sowie in 3D Co-Kulturen aus humanen Lungenzellen (primäre Lungenzellen bzw. A549 Tumorzellen) und Endothelzellen bestimmt werden. Das Zellmaterial soll mit subtoxischen Konzentrationen an NP-Aerosolen (BaSO4, TiO2) mehrfach wiederholt exponiert und über bis zu vier Wochen nachbeobachtet werden. Folgende Fragen sollen dabei beantwortet werden:1) Beeinflusst die 3D-Konfiguration auf Zellkulturinserts (MatriGrids®) die Deposition von Nanopartikeln im Vergleich zu planaren Konfigurationen und maßgeblichen Effekt auf zelluläre Reaktionen?2) Haben primäre Lungenzellen aus Resektionsmaterial in 3D-Co-Kulturen eine abweichende Sensitivität in Stressreaktionen gegenüber der permanenten Tumorzelllinie A549?3) Welche Sensitivität zeigen periphere Lungenzellen in L-MOC Kulturen unter noch erhaltener physiologischer Morphologie gegenüber den 3D-Co-Kulturen?Die Nanopartikel-Aerosole werden über ein Expositionssystem mit MatriGrid® Kulturmatrix (Expertise TUILM) einmalig sowie wiederholt auf primäres normales Lungengewebe (Expertise MLU) einwirken und bis zu vier Wochen nachverfolgt. Als Parameter werden zytotoxische Effekte (Vitalität, Marker für Reaktive Sauerstoffspezies, Glutathiongehalt, Zytokinexpression und -freisetzung) sowie Marker für epitheliale Morphologie und Zell-Zellkontakte untersucht. Der spezielle Fokus ist dabei niedrige, subtoxische Expositionen anzuwenden und die Reaktionen über einen längeren Zeitraum zu verfolgen, um zu differenzieren welche Auswirkungen direkt Partikel-assoziiert und welche auf Entzündungsmediatoren zurückzuführen sind.Das Projekt soll das Wissen aus den unterschiedlichen Fachdisziplinen Ingenieurs-wissenschaften und Toxikologie zusammenführen und bei den technischen und physikalischen Aspekten der Aerosolerzeugung und der Zellkulturexpositionen anwenden. Die Expositionssysteme und die speziellen Matrices für die 3D-Kultivierung der Zellen sind an der TUILM etabliert und werden auf die Erfordernisse des Projektplans adaptiert. Die Befunde sollen als Grundlage für die Ableitung eines NOAEL für BaSO4 genutzt werden, um die Risiken durch Nanopartikel im Vergleich zur in-vivo-Situation weder zu überzeichnen noch zu unterschätzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen