Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Anja Hackbarth

Biologische Wirkungen synthetisch hergestellter Multiwall - Carbon - Nanotubes

am Tiermodell und in der Zellkultur

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107263

title (engl.)

Biological effects of synthetic produced Multiwalled Carbon Nanotubes in animal models and in cell culture

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/hackbartha_ws15.pdf

abstract (deutsch)

Ziel dieser Arbeit war es zu klären, ob lange, gerade MWCNT eine asbestartige Wirkung ausüben und ob mögliche kanzerogene und andere adverse Wirkungen in in vitro Screeningtests und in vivo Tests kurzer Dauer nachweisbar sind. Dazu wurde ein Kanzerogenitätstest durchgeführt und ein BrdU Test entwickelt. In Inhalationsversuchen (Kurzzeit und 90 Tage Inhalation) sollten die Migration der MWCNT und die Clearancebestimmt werden. Zusätzlich wurden in vitro Versuche durchgeführt, welche als Screeningtest eine frühzeitige Aussage zur  Toxizität bzw. Kanzerogenität liefern sollten.

Mit der hier vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass alle vier von uns im Kanzerogenitätstest getesteten MWCNT bei Ratten dosisabhängig zu einer erhöhten Mesotheliombildung und Mortalität führten. Dieses Ergebnis konnte jedoch keinen Aufschluss darüber geben, ob die Länge oder der Durchmesser der MWCNT für die Mesotheliombildung ausschlaggebend sind. Es ergaben sich aber  Hinweise, dass eine eher nadelförmige und starre Struktur der MWCNT zu einer höheren Mesotheliombildung führt.

Der BrdU Test nach einmaliger i.p. MWCNT Gabe ist zur Früherkennung eines möglichen kanzerogenen Potentials geeignet. Dabei zeigte sich, dass der beste Zeitpunkt für diese Bestimmung drei Monate nach Behandlung mit MWCNT war.

Im subchronischen (90 Tage) Inhalationstest konnte kaum Migration der MWCNT festgestellt werden. Es wurden Makrophagenakkumulationen (partikel- bzw. faserbeladen) bei allen Behandlungsgruppen über den gesamten Beobachtungszeitraum festgestellt. Zudem wurden Entzündungsreaktionen (Mikrogranulome und Fibrosen) in den MWCNT, Printex 90 (keine Mikrogranulome) und Amosit exponierten Gruppen beobachtet. Stärker ausgeprägt waren die Befunde bei den Tieren nach Printex 90 und Amosit Inhalation. Diese Effekte waren sowohl in den MWCNT 1 als auch in den Printex 90 bzw. Amosit exponierten Tieren verglichen mit den MWCNT 2  und  3a exponierten Tieren nicht reversibel. Die Retentionsbestimmung konnte darstellen, dass MWCNT 1 und 2 exponierte Tiere eine stark verzögerte Clearance aufwiesen. MWCNT 3a exponierte Tiere zeigten eine aufarbeitungsbedingte, ungewöhnlich kurze Clearance für WHO Fasern (Längen-Durchmesserverhältnis: ≥ 3/1, Länge > 5 µm und Durchmesser < 3 µm) von 38 Tagen. Für MWCNT 3 müsste die Hydrolyse der Lungen optimiert werden.

In einem Kurzzeit-Inhalationstest mit 60Co aktivierten MWCNT konnte eine Migration von MWCNT aus der Lunge zu den blutreichen Organen gemessen werden. Die stärkste Migration zeigte sich nach einem Tag. Jedoch wurde ebenfalls eine hohe 60Co Aktivität im Magen-Darm-Trakt gemessen, sodass davon ausgegangen werden muss, dass ein Großteil der MWCNT während der Inhalation von den Tieren abgeschluckt wurde.

In den in vitro Tests führte besonders eine Behandlung mit MWCNT 3 zu einem erhöhten toxischen Potential im RICC Test LDH Test und Comet Assay. Als Screeningtest für in vivo Versuche scheint sich von den hier untersuchten in vitro Methoden der RICC Test am besten zu eignen, bei dem MWCNT 1, 2 und 3a zu einer Reduktion des Zellwachstums bzw. zu erhöhter Zellsterblichkeit führten. Somit können derzeit in vitro Versuche einen ersten Hinweis auf eine erhöhte Toxizität geben, jedoch sind anschließende in vivo Versuche noch unumgänglich.

abstract (englisch)

The aim of this study was to determine whether long, straight MWCNT have an asbestos-like effect and whether possibly carcinogenic and other adverse effects can be detected in in vitro screening assays and in in vivoassays with short durations. For this purpose, a carcinogenicity test was conducted and a BrdU test was developed. Inhalation tests (short-term and 90 day inhalation) were performed to determine MWCNT migration and clearance. In addition, in vitro experiments were carried out as a screening test to enable early prediction of possible toxicity or carcinogenicity.

In this study, it could be shown that all four MWCNT tested in the carcinogenicity test caused a dose-dependent increase in mesothelioma and mortality in rats. These results, however, did not enable any conclusion to be drawn as to whether the length or the diameter of MWCNT is decisive for mesothelioma development. There was evidence though that a more needlelike and rigid structure of MWCNT leads to a higher mesothelioma rate.

The BrdU test after a single i.p. injection of MWCNT is suitable for early detection of a possible carcinogenic potential. The best time for this determination was found to be three months after treatment with MWCNT.

subchronic (90 day) inhalation test hardly demonstrated any migration of the MWCNT. Macrophage accumulations (particle- or fiber-loaded) were found in all treatment groups throughout the observation period. In addition, inflammatory reactions (microgranuloma and fibrosis) were observed in the MWCNT, Printex 90 (no microgranuloma) and amosite-exposed groups. Findings were more pronounced in animals after Printex 90 and amosite inhalation. These effects were not reversible in MWCNT 1-exposed animals and in Printex 90 or amosite-exposed animals, compared with MWCNT 2 and 3a-exposed animals. Retention analysis revealed a strongly delayed clearance in MWCNT 1 and 2-exposed animals. MWCNT 3a-exposed animals showed a processing-induced, unusually short clearance of 38 days for WHO fibers (length-to-diameter ratio: ≥ 3/1, length > 5 µm and diameter < 3 µm). For MWCNT 3, hydrolysis of the lungs would have to be optimized.

In a short-term inhalation test with 60Co-activated MWCNT, migration of MWCNT from the lungs to the blood-rich organs was measured. The strongest migration was found after one day. High 60Co activity, however, was also measured in the gastrointestinal tract, so that it must be assumed that the animals swallowed a large proportion of MWCNT during inhalation.

In the in vitro tests, treatment especially with MWCNT 3 showed an increased toxic potential in the RICC test, LDH assay, and comet assay. Among the in vitro methods evaluated in this study, the most suitable screening test for in vivo experiments seems to be the RICC test, in which MWCNT 1, 2 and 3a led to a reduction of cell growth or an increase in cell mortality.

At present, in vitro experiments can thus provide a first indication of increased toxicity, but subsequent in vivo tests are so far inevitable.

keywords

MWCNT, Mesotheliome, Inhalation, MWCNT, mesothelioma, inhation

kb

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