In Zellkultursystemen führt die Zugabe von Industrieruß (engl. Carbon Black, CB) in mittleren Dosen zur Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und in hohen Dosen zu einer Abnahme der Zelllebensfähigkeit.

 

Verschiedene Studien der letzten Jahre konnten zeigen, dass nanoskaliges Carbon Black (Primärpartikelgröße ca. 14nm) - in frühen Arbeiten auch ultrafeines Carbon Black genannt - stärker oxidativen Stress verursacht [1,13] und dosisabhängig giftiger auf Zellen wirkt als gröbere Partikel (> 100nm) [2,3]. Für verschiedene Zelltypen wurden dosisabhängige Zytotoxizität, Sekretion von Entzündungsmarkern und die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies nachgewiesen [1,4,5,6]. Pulskamp und Kollegen zeigten in ihrer Studie, dass 14 nm Carbon Black Partikel sowohl in Makrophagen aus der Ratte als auch in humanen epithelialen Lungenzellen dosisabhängig reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugen können und dass die Zellvitalität bei beiden Zelllinien ebenfalls entsprechend abnimmt [5]. Andere Studien zeigten dagegen, dass, je nach Art und Herkunft der Zellen, verschiedene Zelltypen unterschiedlich stark auf die Behandlung mit Partikeln reagieren können [2].

In einer weiteren Studie wurde die Zunahme an apoptotischen Zellen bei 20 µg Carbon Black pro cm2 Zellrasen beobachtet [3]. Diese hohe Konzentration an Carbon Black verursachte die Apoptose – den programmierten Zelltod. Dabei schrumpfen die geschädigten Zellen und ein Abbau der DNA setzt ein. Die Zelle zerstört sich selbst.

 

Verschiedene Autoren haben darauf hingewiesen, dass kohlenstoffhaltige Partikel oder Fasern in Zellkultur-Testsystemen Probleme bereiten können [5,7,8,9]. Aufgrund von Interferenzen der Partikel mit Farbstoffen kommt es zu falsch-positiven und damit ungültigen Ergebnissen, so dass keine Aussagen zur Toxizität von kohlenstoffhaltigen Partikeln aufgrund dieser Testsysteme gemacht werden können.

 

TEM-Aufnahme von Carbon Black Agglomeraten. © NanoCare Final Scientific Report TEM-Aufnahme von Carbon Black Agglomeraten. © NanoCare Final Scientific Report

Im Projekt NanoCare wurde deshalb z.B. der MTT-Test durch den WST-Test ersetzt und mindestens ein zusätzlicher Vitalitätstest durchgeführt, um valide Ergebnisse zu erzielen.

Bei Untersuchungen mit elf verschiedenen Zelllinien unterschiedlicher Herkunft mit bis zu 10 µg Partikeln pro cm2 Zellrasen zeigte keine der verwendeten Zelllinien Stresssymptome, noch verursachte Carbon Black zellschädigende Effekte. Ebenso fiel ein Test mit Zellkulturen auf Apoptose negativ aus. Wie auch in anderen Studien gezeigt, verursachte Carbon Black die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies. Durch weitere in vitro-Experimente mit menschlichen Lungenzellen wurde nachgewiesen, dass diese Zellen erst ab einer hohen Dosis von 25 µg Partikeln pro cm2 Zellrasen unter Stress stehen und dass ab dieser Konzentration an Partikeln die Zellvitalität stark abnimmt.

 

Ergänzend zu einfachen Kultursystemen mit nur einer Zelllinie wurden im Projekt NanoCare auch komplexe sog. Kokultursysteme verwendet. Mit Hilfe solcher Systeme kann die in vivo Situation im Körper besser dargestellt werden, weil das Zusammenspiel der Zellen simuliert wird. Carbon Black-Partikel lösten in diesen Systemen geringfügige biologische Effekte aus [10].

 

Generell konnte gezeigt werden, dass Carbon Black zu einer starken Verklumpung neigt. Diese Agglomerate können in den Zellen nachgewiesen werden. Mittlere Dosen an Carbon Black führen zur Bildung von ROS [11], hohe Dosen können Zellen in in vitro Experimenten schädigen. Es wird auch eine gentoxische Wirkung für hohe Konzentrationen beschrieben [12], allerdings handelte sich bei dieser Studie um Toner, der keinen reinen Industrieruß mehr darstellt, sondern aus einer Reihe weiterer Komponenten besteht, z.B. Kunstharze, magnetisierbare Metalloxide, Farbstoffe und andere Hilfsstoffe.

 

Literatur arrow down

  1. Stone, V et al. (1998), Toxicol In Vitro, 12(6): 649-659.
  2. L'Azou, B et al. (2008), Part Fibre Toxicol, 5 22.
  3. Hussain, S et al. (2010), Part Fibre Toxicol, 7 10.
  4. Val, S et al. (2009), Inhal Toxicol, 21 Suppl 1 115-122.
  5. Pulskamp, K et al. (2007), Toxicol Lett, 168(1): 58-74.
  6. Barlow, PG et al. (2005), Part Fibre Toxicol, 2(1): 11.
  7. Monteiro-Riviere, NA et al. (2006), Carbon, 44(6): 1070-1078.
  8. Monteiro-Riviere, NA et al. (2009), Toxicol Appl Pharmacol, 234(2): 222-235.
  9. Woerle-Knirsch, JM et al. (2006), Nano Lett, 6(6): 1261-1268.
  10. NanoCare 2009, Final Scientific Report, ISBN 978-3-89746-108-6. (PDF-Dokument, 19 MB).
  11. Foucaud, L et al. (2010), Toxicol In Vitro, 24(6): 1512-1520.
  12. Gminski, R et al. (2011), Environ Mol Mutagen, 52(4): 296-309.
  13. Barlow, PG et al. (2005), Toxicol Lett, 155(3): 397-401.

 

 

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