Investigations on the Toxicity of CeO2 Nanoparticles after Subchronic Inhalation of Low Doses

Die vorliegende Dissertationsschrift beschreibt umfangreiche Untersuchungen zur Toxizität zweier Nanomaterialien: Ceroxid und Bariumsulfat. Ceroxid wird beispielsweise als Additiv in Dieselkraftstoff eingesetzt, da es aufgrund katalytischer Aktivitäten die Kraftstoffverbrennung verbessert. Bariumsulfat wird in einer Vielzahl an Produkten verarbeitet, darunter Farben und Beschichtungen. Das Forschungsprojekt basiert auf einer 90-Tage Inhalationstoxizitätsstudie nach OECD Test-Guideline (TG) 413. Initiiert wurde es in Ergänzung zu einer chronischen Inhalationstoxizitäts- und Kanzerogenitätsstudie mit CeO2 und BaSO4 Nanopartikeln gleicher Konzentrationen (BASF, Ludwigshafen; NANoREG program, 81|0661/10|170). Etwaige Untersuchungen zur subchronischen Exposition und der Vergleich zu Langzeiteffekten sind essentiell für eine adäquate Risikobewertung von Nanomaterial und unterstützen die bessere Differenzierung unterschiedlicher Materialien. Der Fokus lag auf der Untersuchung der Exposition in Niedrigdosisbereich. Für CeO2 wurden daher folgende Konzentrationen getestet: 0,1, 0,3, 1,0 und 3,0 mg/m³. BaSO4 ist als chemisch inert und unbedenklich eingestuft und wurde in einer hohen Konzentration von 50.0 mg/m³ mitgeführt. Die Ratte diente als Testsystem. Die Tiere wurden für 1, 28 oder 90 Tage, 6 Stunden pro Tag und 5 Tage pro Woche exponiert. Zudem wurden Nachbeobachtungsphasen von 28 und 90 Tagen einbezogen. Gemäß der OECD TG Vorgaben wurden Untersuchungen zur Retention, Hämatologie, Histopathologie sowie bronchoalveoläre Lavagen (BAL), durchgeführt. Diese konventionellen Endpunkte wurden durch umfangreiche Genexpressionsanalysen und immunhistochemische Untersuchungen erweitert. Diese Erweiterung sollte frühe Biomarker zur Prädiktion von Langzeiteffekten identifizieren sowie zur Aufklärung möglicher Wirkmechanismen beitragen. Die Durchführung der Genexpressionsanalysen in isolierten Typ II Alveolarepithelzellen (AEII Zellen) diente der Untersuchung des Beitrags zur zellulären Abwehr gegen die Nanopartikelexposition. Die 90 Tage Exposition gegenüber 3,0 mg/m³ CeO2 Nanopartikeln führte zu verminderter Partikel-Clearance und Lungenüberladung („Overload“). Dies wurde begleitet von Entzündungsreaktionen im Alveolarbereich, nachgewiesen mittels histopathologischer Befunde, BAL und Genexpressionsanalyse. Die Genexpressionsanalysen und immunhistochemischen Untersuchungen lieferten außerdem Hinweise auf oxidativen Stress und Fibrose, durch Hochregulation der Marker Laktoperoxidase (Lpo) und Matrix-Metalloprotease 12 (Mmp12) in AEII Zellen. Die immunhistochemischen Analysen zeigten außerdem leicht erhöhte Zellproliferation und DNA Schädigung im Lungengewebe. Insbesondere die Entzündungsreaktion war persistent in der Nachbeobachtungsphase.  1,0 mg/m³ CeO2 verursachte ähnliche Effekte, jedoch in milderer Form. Die Werte zur Lungenüberladung lagen im Schwellenbereich. 0,3 mg/m³ CeO2 induzierte keinen Overload und nur leichte Hochregulation von Entzündungsmediatoren wie Il-1α und Il-1ß in AEII Zellen, während die Exposition gegenüber 0,1 mg/m³ CeO2 gar keine Effekte verursachte. Des Weiteren wurde die Translokation von CeO2 in Leber und Niere sowie die Expression der gleichen Gene wie in den AEII Zellen (Entzündung, oxidativer Stress, DNA Schädigung, Apoptose) untersucht. Die in der Leber nachgewiesene partikuläre Cerium Menge lag unter 1%. Der Anstieg des Cerium-Gehalts über die Expositionszeit war signifikant. In der Niere wurden keine signifikanten Mengen partikulären Ceriums gemessen. Es ergaben sich leichte Hochregulationen einiger Entzündungsmarker in der Leber, die Ergebnisse waren insgesamt aber unauffällig. BaSO4 zeigte eine sehr schnelle Elimination aus der Lunge. Es waren geringfügige histopathologische Veränderungen, hauptsächlich im Nasen-Rachenraum, messbar. Die Genregulation in AEII Zellen beschränkte sich auf erhöhte Lpo und Mmp12 Expression. Die Ergebnisse der histopathologischen Untersuchungen und BAL Analysen zeigten sehr gute Übereinstimmungen zu den Genexpressionsmustern und deutliche Zeit- und Konzentrationsabhängigkeiten. Effekte in hohen Konzentrationen sind auf die bestehende Lungenüberladung zurückzuführen, während die Beobachtungen in niedrigeren Dosierungen auf Oberflächenaktivität der Partikel schließen lassen. AEII Zellen leisten einen signifikanten Beitrag zur Abwehr gegen Nanopartikel. Die histopathologischen Befunde, sowie die Hochregulation von Mmp12 weisen auf die Entwicklung von Fibrose hin. Basierend auf den generierten Ergebnissen konnte für CeO2 ein NOAEL von 0,41 mg/m³ ermittelt werden.