title: Wirkung von Carbon Black Nanopartikeln (CBNP) auf die Funktion von Typ II Pneumozyten
title: Effects of carbon black nanoparticles (CBNP) on the function of type II pneumocytes
Creators: name: Schreiber, Nicole
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Toxizität
Medizin, Gesundheit
terminal respiratory tract
Carbon Black Nanopartikel
Terminaler Respirationstrakt
Lunge
CBNP
type II pneumocytes
Nanopartikel
Typ II Pneumozyten
carbon black nanoparticle
toxicity

description: Sustained damages of lungs caused
      by the inhalation of air pollutants are undisputed. Within
      the last decades in industrialized countries like Germany the
      emission of harmful substances has been greatly reduced.
      Nevertheless, repeated exceedances of maximum limits for
      particulate matter in urban areas have been measured.
      Currently complicated particle analyses prevent comprehensive
      examinations of the fine particle fraction composition in the
      air. In addition the increasing use of functionalized CBNP in
      numerous fields of daily life increases the risk of unwanted
      release into the environment and the outcome of lung
      diseases. Hence the toxicological potential of CBNP on the
      terminal region of the lung has been analyzed using BALB/c
      mice and non-functionalized (Pr907μg-BSA, Pr907μg+BSA),
      surface-functionalized (NA-Pr907μg+BSA, BaP- Pr907μg+BSA,
      PAH-AR7μg+BSA) and surface-adjusted CBNP (PAK-AR15μg+BSA),
      reference particles (DQ127μg-BSA) and several negative
      controls (NaCl70μl-BSA, H2O70μl-BSA, H2O70μl+BSA). The
      administrations of the suspensions were done by oropharyngeal
      aspiration. Pulmonary function measurements were performed
      after a particle retention time of 2 days by noninvasive
      head-out body plethysmography. On day three lungs were taken
      for histological examinations and type II pneumocyte
      isolation. Parallel to cell isolations BAL were collected. On
      the basis of a first experiment, the optimal particle
      retention time of 3 days was determined. During the use of
      different CBNP in short-term experiment, no massive
      structural changes or functional limitations of the terminal
      respiratory tract by surface non-functionalized and
      functionalized particles could be observed. This argues for
      an effective particle clearance by macrophages within the
      alveolar region. However, there were also indications of lung
      homeostasis disturbance. In particular, the mRNA-expression
      of various antioxidants, as well as the expression of
      surfactant proteins and key enzymes of surfactant synthesis
      revealed scattered deviations from the controls. The results
      of the multiple applications of non-functionalized CBNP
      during the long-term exposure indicate a more limited
      clearance. As reflected by increased collagen deposits along
      the bronchioles and blood vessels and increased protein and
      phospholipid concentrations in BAL-samples after multiple
      Pr907μg-BSA aspiration towards the H2O70μl-BSA negative
      control. Recurring reports of harmful air contaminations and
      the growing market for carbon-based NP require further
      toxicological assessments and development of existing
      measurement and analysis for environmental samples. Further
      tests with multiple oropharyngeal aspirations of low doses
      surface functionalized CBNP are needed to assess long-term
      effects. In addition to structural and functional changes in
      the lungs these toxicological evaluations have to verify the
      translocation of chemically functionalized CBNP to other
      organs and translocation associated effects. Further the
      increasing number of lung diseases in the population makes it
      necessary to include investigations on pre-damaged lungs.
      Another challenge of future studies will be the determination
      of precise interactions between chemical functionalized
      particle surfaces and biological fluids to get information
      about basic in vivo mechanisms.
description: Nachhaltige Schädigungen der Lungen
      durch den Eintrag von Schadstoffen über die Außenluft sind
      unumstritten. In den letzten Jahrzehnten konnte der Eintrag
      größerer Schadstoffmengen in die Umwelt in Industrieländern
      wie Deutschland enorm verringert werden. Dennoch kommt es
      immer wieder zu Überschreitungen gesetzlich vorgeschriebener
      Höchstwerte für Feinstaub in Ballungsgebieten. Gegenwärtig
      verhindern komplizierte Analysemethoden eine flächendeckende
      Prüfung der Zusammensetzung der feinsten Partikelfraktion.
      Die verstärkte Einsatzmenge funktionalisierter CBNP in
      zahlreichen Bereichen des Alltags steigert zusätzlich das
      Risiko einer ungewünschten Freisetzung in die Umgebung und
      erhöht so gleichzeitig die Gefahr Lungenerkrankungen
      hervorzurufen bzw. diese zu begünstigen. Um zur
      toxikologischen Risikobewertung von CBNP beizutragen wurden
      in der vorliegenden Studie nicht-funktionalisierte
      (Pr907µg-BSA, Pr907µg+BSA), oberflächen-funktionalisierte
      (NA-Pr907µg+BSA, BaP-Pr907µg+BSA, PAK-AR7µg+BSA) und
      oberflächen-adjustierte CBNP (PAK-AR15µg+BSA) hinsichtlich
      ihrer Toxizität auf den terminalen Bereich der Lungen im
      BALB/c-Mausmodell geprüft und mit den Ergebnissen eines
      Referenzpartikels (DQ127µg-BSA) und mehrerer
      Negativkontrollen (NaCl70µl-BSA, H2O70µl-BSA, H2O70µl+BSA)
      verglichen. Die Verabreichung aller Suspensionen erfolgte per
      oropharyngealer Aspiration. Die Bestimmung der Lungenfunktion
      folgte nach 2-tägiger Partikelretentionszeit durch
      nicht-invasive Head-out Bodyplethysmographie. An Tag drei
      wurden die Lungen für histologische Untersuchungen bzw. für
      die Isolation der stoffwechselaktiven Typ II Pneumozyten
      entnommen. Parallel zur Zellisolierung erfolgte die Gewinnung
      der BAL. Anhand eines Vorversuches wurde zunächst die
      optimale Partikelretentionszeit von drei Tagen ermittelt.
      Während des Einsatzes verschiedener CBNP im
      Kurzzeitexperiment konnten anschließend keine massiven
      strukturellen Veränderungen bzw. funktionellen
      Einschränkungen des terminalen Respirationstraktes durch die
      Oberflächen-funktionalisierungen beobachtet werden. Dies
      spricht für einen effektiven, reibungslosen
      Clearancemechanismus durch Makrophagen im Alveolarbereich.
      Dennoch gab es erste Hinweise auf Störung der
      Lungenhomöostase. Insbesondere die mRNA-Expression
      verschiedener Antioxidantien, sowie die Expression der
      Surfactantproteine und Schlüsselenzymen der
      Surfactantsynthese zeigten vereinzelte Abweichungen gegenüber
      den Kontrollen. Die Ergebnisse der Mehrfachapplikation
      nicht-funktionalisierter CBNP während der Pilotstudie zur
      Langzeitexposition weisen auf eine eingeschränktere Clearance
      hin. Gegenüber den Kurzzeitversuchen zeigten sich
      beispielsweise vermehrte Kollageneinlagerungen entlang der
      Bronchiolen und Blutgefäße sowie erhöhter Protein- und
      Phospholipidkonzentrationen in der BAL nach mehrfacher
      Pr907µg-BSA Aspiration gegenüber der H2O70µl-BSA
      Negativkontrolle. Immer wiederkehrende Berichte über
      gesundheitsgefährdende Verunreinigungen der Luft und der
      stets wachsende Markt für kohlenstoffbasierte NP fordern
      weitere toxikologische Begutachtungen und eine
      Weiterentwicklung der bestehenden Mess- und Analysemethoden
      für Umweltproben. Weitere Tests mit mehrfachen
      oropharyngealen Aspirationen geringer Dosen
      oberflächenfunktionalisierter CBNP sind nötig um
      Langzeiteffekte besser beurteilen zu können. Dabei muss neben
      strukturellen und funktionellen Veränderungen der Lunge auch
      die Translokation der chemisch funktionalisierten CBNP in
      andere Organe geprüft und damit verbundene Effekte in die
      toxikologische Bewertung einbezogen werden. Die zunehmende
      Anzahl von Lungenerkrankungen in der Bevölkerung macht es
      außerdem nötig vorgeschädigte Lungen in die Untersuchungen
      einzubeziehen. Eine weitere Herausforderung künftiger Studien
      wird es sein, die genauen Interaktionen zwischen den chemisch
      funktionalisierten Partikeloberflächen und biologischen
      Fluiden zu bestimmen und so grundlegende Wirkmechanismen in
      vivo aufzudecken.