Beschreibung der Arbeitspakete

AP1 - Bereitstellung von Materialien

Hier werden alle Partikelproben und nicht-biologischen Untersuchungsmaterialien für die Partner zusammen mit ihren physikalisch-chemischen Charakterisierungsdaten bereitgestellt. Dazu werden einerseits charakterisierte Materialien und Referenzpartikel aus früheren BMBF-Projekten (NanoCare, NanoGEM, NanoBioDetect) genutzt. Ferner werden industriell relevante, zuvor nicht untersuchte Partikelspezies im Projekt untersucht.

 

AP2 - Bereitstellung und Charakterisierung von partikelbeladenen Geweben

In diesem AP werden alle zu untersuchenden Organproben ausgewählt und charakterisiert. Partikelhaltige Zellen werden mit histologischen und immunzytochemischen Verfahren identifiziert. Ferner werden neue Mikroskopietechniken zur Partikelmessung eingesetzt, wie die kombinierte Dunkelfeld-Raman-Mikroskopie. Auch für diese Untersuchungen werden ganz überwiegend partikelbeladene Gewebe aus Vorgängerprojekten genutzt (NanoCare, NanoGEM, NanoGRAVUR, NanoBiotedect). Beispiele für solche Untersuchungen finden sich hier (https://www.mdpi.com/2079-4991/7/12/441).

Aus Sicht der regulatorischen Toxikologie besteht ein übergeordnetes Ziel darin, die lokale Partikelkonzentration auch in solchen Gewebeschnitten zu messen, . Eine geeignete Standardarbeitsanweisung (SOP) könnte die bestehende OECD-konforme Methodik ergänzen indem sie eine nachträgliche, ortsaufgelöste Messung der Partikelbelastung ermöglicht. Weitere Tierversuche können so vermieden werden!

 

AP3 - Bereitstellung und Charakterisierung von partikelbeladenen Zellen

Hier werden neue Zellmodelle erstellt, mit denen eine in vivo gemessene Aufnahme von NM möglichst realistisch abgebildet werden soll. Ein Beispiel für diese Art von Biotests ist der Makrophagen-Assay (https://jnanobiotechnology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12951-016-0164-2). Der Fokus der Arbeiten liegt dabei auf Zellen aus Lunge, Leber, Niere und Milz, in denen eine periphere Akkumulation von Nanopartikeln nachweisbar war. Einen Schwerpunkt der Arbeiten bildet die neuartige digitale mikroskopische Holographie (http://www.hh.um.es/Abstracts/Vol_33/33_5/33_5_417.htm), mit deren Hilfe die Entwicklung von Zellkulturen ohne den Einsatz von Markern über lange Zeiträume erfasst werden kann.

 

AP4 - LA-ICP-MS

Die Weiterentwicklung und kombinierte Anwendung von Laserablation und Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (LA-ICP-MS) bildet einen Schwerpunkt des Projekts. Die LA-ICP-MS ist ein hochempfindliches, elementselektives Verfahren für die direkte Analyse von festen Proben mit einer vom Laserstrahl definierten Ortsauflösung bis in den unteren µm-Bereich. Durch Verwendung geeigneter Kalibrationsstandards, die unter gleichen Parametern wie die Probe ablatiert und analysiert werden, erfolgt eine Quantifizierung der Probe. Bei sehr kurzen Messzeiten (10 µs) erlaubt das ICP-MS zudem die Auflösung von Signalen, die durch einzelne Partikel beim Eintritt in die Ionisationsquelle entstehen. Für die Analytik von toxikologisch bedeutsamen Effektmarkern, wie z.B. den in der Lunge stattfindenden Lipidveränderungen (https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12989-018-0267-z), soll darüber hinaus  Matrix-Assistierte Laser Desorptions-Ionisierungs Massenspektrometrie (MALDI-MS) eingesetzt und mit den anderen Verfahren kombiniert werden.

 

AP5 - ToF-SIMS

Die Flugzeitsekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) ist ein leistungsstarkes Verfahren zur chemischen Analyse von Oberflächen, dünnen Schichten und Nanostrukturen, das Informationen über die Elementzusammensetzung (Nachweisgrenzen im ppm bis ppb Bereich) und über Moleküle im Massenbereich bis einige 1000 u liefert (Nachweisgrenzen im fmol-Bereich). Die laterale Auflösung konnte in idealen Fällen auf bis zu 16 nm gesteigert werden. Die Entwicklung von neuen Argon-Gascluster-Ionenquellen erlaubt den Abtrag von komplexen organischen Materialien mit ausgesprochen geringer Schädigung des freigelegten Materials und mit extrem hoher Tiefenauflösung von ca. 5 nm. Im Dual-Beam-Verfahren (Materialabtrag im Wechsel mit der Analyse der freigelegten Fläche) lassen sich so organische Schichtstrukturen und dreidimensionale Strukturen mit hoher Lateral- und Tiefenauflösung analysieren. Beispiele für die Anwendung der ToF-SIMS im Bereich der Nanotoxikology finden sich hier (https://doi.org/10.3390/nano8080571, https://doi.org/10.3390/nano8010044)

Um die ToF-SIMS im Bereich der Gewebeanalytik weiter zu etablieren, soll der parallele Nachweis anorganischer und organischer Substanzen verbessert werden. Der Probendurchsatz soll durch Automatisierung und Beschleunigung des Analyse- und Auswerteprozesses gesteigert und die Machbarkeit einer Quantifizierbarkeit der Analyseergebnisse geprüft werden.

 

AP6 - Projektorganisation und Außendarstellung

Die Projektpartner haben sich die Erfüllung von zahlreichen Meilensteinen zur Aufgabe gemacht. Regelmäßige Projekttreffen und Telefonkonferenzen helfen uns dabei, diese Ziele zu verwirklichen. Am Ende des Projekts werden die Ergebnisse in einer öffentlichen Abschlusskonferenz vorgestellt.

Die wissenschaftliche Außendarstellung auf toxikologischen und methodisch-analytischen Fachkongressen erfolgt durch Beiträge, die vor allem von Doktoranden vorgestellt werden. Die interdisziplinäre Thematik wird zudem Eingang in wissenschaftliche Publikationen und öffentlich zugängliche Berichten finden. Die Erkenntnisse sollen auch auf Weiterbildungsveranstaltungen und Seminaren den Teilnehmern des Förderschwerpunkts zugänglich gemacht werden.