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Reactive Oxygen Species (ROS) - eine neue Aerosol-Toxizitätsmessung und Aerosol-Lungenzellkulturstudien
Epidemiologische Studien haben konsistent positive Korrelationen zwischen Aerosolpartikelexposition und einer Reihe von negativen gesundheitlichen Auswirkungen gezeigt. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) listet Luftverschmutzungspartikel als das drängendste Problem der öffentlichen Gesundheit auf und macht ca. 5% aller Todesfälle weltweit. Trotz einer großen Anzahl von Studien über die Toxizität von atmosphärischen Partikeln sind die biologischen Wege, die die gesundheitsschädlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung durch Partikel verursachen, wenig bekannt, und es gibt keine schlüssigen Beweise dafür, welche Partikeleigenschaften ihre Toxizität verursachen. Chemische Partikelkomponenten sind wahrscheinlich ein Schlüsselfaktor, sind jedoch schwer genau zu definieren. Die Identifizierung von gesundheitsrelevanten Partikelparametern, Komponenten und letztlich Quellen wäre entscheidend für verbesserte und effiziente Luftverschmutzungsstrategien.
Atmosphärische Aerosolpartikel enthalten eine Reihe von oxidierenden Aerosolkomponenten (d. H. Reaktive Sauerstoffspezies, ROS), die potentiell toxisch sind, da sie biologische Moleküle an der flüssigen Lungenoberflächenschicht oxidieren oder oxidierende Komponenten erzeugen können, sobald sie auf der Lungenoberfläche abgelagert sind. Aus analytischer Sicht ist es sehr schwierig, diese oxidierenden Partikelkomponenten zu quantifizieren, da einige von ihnen kurze Lebensdauern haben, die schnelle Messtechniken erfordern.
(1) Reaktive Sauerstoffspezies, ROS. Wir entwickeln und implementieren ein neuartiges Instrument zur Quantifizierung von ROS als Summenparameter mit einer Technik, die reaktive und kurzlebige ROS-Komponenten unmittelbar nach dem Pumpen in das Instrument erfasst.
Dieses neue Gerät hat eine Zeitauflösung von etwa 5 Minuten und ist empfindlich genug, um die ROS-Konzentrationen und die Entwicklung in Labor- und Feldversuchen zu charakterisieren.
Abbildung 5. Foto des tragbaren, selbst gebauten Online-ROS-Instruments, das für Langzeitmessungen im Feld geeignet ist.
(2) Peroxysäuren-Synthese. Es wird vermutet, dass organische Hydroperoxide und Peroxysäuren Substanzklassen sind, die signifikant zum partikulären ROS beitragen. Jüngste Studien zeigen außerdem, dass diese beiden Verbindungsklassen potentiell an der Bildung neuer Partikel in der Atmosphäre beteiligt sind, was ein wichtiger Aspekt der Klimawirkung von Aerosolen ist.
Wir synthetisieren und charakterisieren atmosphärisch relevante Peroxysäuren, um Standards zu erhalten, die eine eindeutige Identifizierung dieser Verbindungen in organischen Aerosolen ermöglichen und deren atmosphärische und gesundheitliche Bedeutung bewerten.
(3) Nanopartikel - Lungenzellkultur-Online-Abscheidungskammer. Wir haben ein einzigartiges Instrument entwickelt, mit dem Aerosolpartikel im nm-Größenbereich effizient und gleichmäßig auf Zellkulturen abgeschieden werden können. Dieser Prozess ahmt die in vivo physiologischen Bedingungen und die Partikelablagerung in der Lunge genau nach. In Zusammenarbeit mit Zellbiologen und Toxikologen untersuchen wir die Auswirkungen der Partikelzusammensetzung und Partikelquelle auf die biochemischen und physiologischen Reaktionen von Lungenzellen.
Abbildung 6. Nanopartikel-Abscheidungsinstrument, um Partikel gleichmäßig und effizient auf Zellkulturen abzulegen, die unter physiologischen Bedingungen gehalten werden.
Publikationen
- Fuller S.J. et al., Comparison of on-line and off-line methods to quantify reactive oxygen species (ROS) in atmospheric aerosols, Atmos. Environ., 92, 97-103, 2014.
- Platt S.M. et al., Two-stroke scooters are a dominant source of air pollution in many cities, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms4749, 2014.
- Wragg F. P. H. et al., An Automated On-line Instrument to Quantify Aerosol-Bound Reactive Oxygen Species (ROS) for Ambient Measurement and Health Relevant Aerosol Studies, Atmos. Meas. Tech., 9, 4891–4900, 2016.
- Steimer S.S. et al., Mass spectrometry characterization of peroxycarboxylic acids as proxies for reactive oxygen species (ROS) and highly oxygenated molecules (HOMs) in atmospheric aerosols, Anal. Chem., 89, 2873−2879, 2017.
- Mertes P. et al., A novel deposition chamber for nanoparticle – lung interaction studies, J Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery, DOI: 10.1089/jamp.2012.0985, 2013.
- Künzi L. et al., Toxicity of aged gasoline exhaust particles to normal and diseased airway epithelia, Nature Scientific Reports, 5, doi:10.1038/srep11801, 2015.