Nanotoxikologie - Mangerich

Question 1

Welche Größenordnung haben Nanopartikel?

Answer 1

Kleiner als 100 nm (im Pharmabereich kleiner als 1000 nm)

Question 2

Definition Nanopartikel

Answer 2

partikuläre Strukturen, die in einer von drei Dimensionen kleiner als 100 nm sind (im Pharmabereich <1000 nm)

Generell versteht man unter Nanomaterialien (NM) technisch gezielt hergestellte Partikel. Sind von Partikeln abzugrenzen, die durch natürliche Prozesse oder durch menschliche Tätigkeiten generiert wurden.

Question 3

Was gibt es für Formen von Nanopartikeln?

Answer 3

• Nanopartikel: isometrische (3 Dimensionen kleiner als 100 nm)
• Nanofasern: 1D (fibres, tubes): 2 Dimensionen kleiner als 100 nm
• Nanoplättchen: 2D (plates, disks): nur 1 Dimension kleiner als 100 nm (1 äußere Dimension nanoskalig)

Question 4

Was sind besondere Eigenschaften von Nanopartikeln?

Answer 4

• haben in Bezug auf die Masse relativ große spezifische Oberflächen, was in ihrer geringen Primärpartikelgröße begründet ist.
• Nanoskalige Partikel besitzen besondere physikalisch-chemische Eigenschaften, die bei Materialien mit größeren Primärpartikelgrößen
  nicht vorliegen. Dies macht Nanomaterialien interessant für technologische und pharmazeutische Anwendungen.
• Nanomaterialien sind sehr heterogen in Bezug auf ihre chemische Identität. Dies stellt eine immense Herausforderung für die Bewertung von Gesundheitsgefahren und der daraus resultierenden Risiken dar.

Question 5

Was gibt es für unterschiedliche Arten der Endozytose?

Answer 5

• Clathrin-vermittelt
• Caveolin-vermittelt (lipid rafts)
• Clathrin und Caveolin unabhängig
• Phagozytose
• Makropinozytose

Question 6

Was sind mögliche Toxizitätsmechanismen auf zellulärer Ebene?

Answer 6

• Schaden an Zellwand und Plasmamembran
• Wechselwirkung mit Elektronentransport und aerobische Atmung
• Induktion oxidativen Stresses (durch große Oberfläche und chemische Reaktion des Materials selbst (zB Eisen))
• Aktivierung von Zellsignalkaskaden
• Veränderte Ionenhomöostase (zB Zink)
• nicht komplette Aufnahme oder frustrierte Phagozytose
• DNA- und Chromosomenschaden (Genotoxizität)

Question 7

Welche sind toxikologisch relevante Charakteristika von NM?

Answer 7

• Dimension (Größe)
• Morphologie (Plättchen, Tube, isometrisch)
• innere Zusammensetzung
• äußere Zusammensetzung
• Ladung
• Aggregationszustand (Aggregate, Agglomerate, agglomeriertes Aggregat)

Question 8

Welchen Zusammenhang gibt es zwischen der Pathogenität der Fasern und ihrer Morphologie?

Answer 8

Beispiel: je länger die Faser, desto höher die Pathogenität, denn dadurch steigt die Verweildauer

Fasern mit langer Verweildauer sind kanzerogen.

Question 9

Welche chemischer Interaktionen können NP haben, die toxikologisch relevant sind?

Answer 9

• Adsorption: small molecules, proteins (corona formation), lipids (binding, extraction from membranes)
• Dissolution: simple, hydrolytic, oxidative, reductive (O2, ROS, H2O, GSH…)
• chemical phase transformations: oxidation, reaction with sulfide, selenide (NP-sulfide, selenide formation or solid oxide formation)
• redox reactions: mediated by quinone functional groups, electron/hole pairs (Abgabe von e durch Hydroxidgruppen, Aufnahme von e durch electron holes, Kreation von Superoxid und Hydroxylion) –> verantwortlich für genotoxische Wirkung

Question 10

Was gibt es für mögliche gentoxische Mechanismen von NP?

Answer 10

Primäre Genotoxizität
- Indirekt: NPs werden in die Zelle transportiert, Störung der Mitochondrien, Generierung von ROS, zellulärer Stress, Apoptose

• direkt: NPs werden in die Zelle transportiert, gelangen in den Nukleus, verursachen dort DNA-Schaden, Apoptose der Zelle (dieser Weg ist selten)

Sekundäre Genotoxizität:
NPs außerhalb der Zelle aktivieren Phagocyten, diese generieren ROS, ROS bewirkt Nekrose der Zelle oder signalisiert in der Zelle zellulären Stress und bewirkt Apoptose