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Einfluss chronischer Schwermetallinhalation auf Alveolarmakrophagen und Immunsystem des Saeugetierorganismus

Cytologische und biochemische Untersuchung der Alveolarmakrophagen sowie Bestimmung der Serum-Immunglobuline der Immunreaktion auf Fremdkoerper an Ratten nach Langzeitexposition gegenueber Schwermetallsalzen und -oxiden.

Teilprojekt C, Teilprojekt B

Die Klassifizierung von Nanomaterialien, Hilfs- und Arzneistoffen sowie atemwegssensibilisierenden Chemikalien hinsichtlich möglicher inhalationstoxikologischer Effekte stellt einen immer wichtigeren Aspekt im Rahmen einer Sicherheitsbewertung dar. Bisher wird die Sicherheitsevaluierung von Nanomaterialien sowie Hilfs- und Arzneistoffen von in-vivo Verfahren abgeleitet. Zur Erkennung potenzieller Inhalationsallergene werden heute aufgrund der Nichtverfügbarkeit eines spezifischen in-vivo Verfahrens unterschiedliche Tierversuche durchgeführt. Bisherige Anstrengungen zur Entwicklung von Alternativverfahren (3R Prinzip) haben noch keine zufriedenstellenden Verfahren geliefert. Gelingt es, prädiktive Marker und Methoden für die gewählten Stoffgruppen zu finden, wird dies die Zahl der in-vivo Untersuchungen zukünftig reduzieren. Für die betrachteten Stoffgruppen kann der Nachweis einer Entzündungsreaktion und Beeinträchtigung der Epithelbarriere im Alveolarbereich als Indiz für eine Deregulation der Makrophagenaktivierungskaskade mit möglicher systemischer Verfügbarkeit betrachtet werden, was beispielsweise zur Aufnahme durch dendritische Zellen und nachfolgend einer Aktivierung des Immunsystems führt. Im Rahmen von AeroSafe soll eine möglichst einfache Teststrategie für die verschiedenen Stoffgruppen entwickelt werden. Hierfür werden anhand der Evaluierung von fast 30 Stoffen sowohl bekannte Marker als auch neu identifizierte Marker auf ihre in-vivo Aussagekraft und Nutzbarkeit in einer in-chemico/in-vitro Teststrategie untersucht. Konkret werden in AeroSafe neben einem in-chemico Verfahren (P4), 1-Zellsysteme und Co-Kulturmodelle (P1+2) mit steigender Komplexität entwickelt und analysiert (P1-4). Diese Vorgehensweise erlaubt uns die Ermittlung der Modellkomplexität, die für die verschiedenen Stoffgruppen zur frühzeitigen Erkennung von inhalationstoxikologischen Effekten zwingend notwendig ist.

Regulative Mechanismen intrazellulaerer Antioxidantien in Faser- und Staub-exponierten bronchoepithelialen Zellen in vitro, ex vivo und in vivo

Ziel der Studie ist es, die regulativen Mechanismen der Genexpression der wichtigsten Antioxidantien Cu++/Zn++ Superoxid-Dismutase (Cu/ZnSOD) der Mn Superoxid Dismutase (MnSOD) und der Katalase in Bezug 1 ) auf die verwendeten Fasern und Staeube (Krokydolith, Quarz (SiO2), Stein- und Basaltwolle) und die Expositionsdauer und 2) im Hinblick auf die sie positiv beeinflussenden Zytokine zu analysieren. Dazu sind folgende Untersuchungen geplant: a) in vitro Exposition kultivierter BEAS ZB Zellen mit steigenden Faser-/StaubKonzentrationen (24 h+48 h), b) Durchfuehrung der u.g. Tests in der in vivo gewonnenen bronchoalveolaeren Lavage (BAL) und an Bronchialschleimhautbiopsien (Patienten mit einer Anthrakosilikose, Asbeststaub-exponierte Patienten, nicht Faser-/Staub-Exponierte als Kontrolle), und c) ex vivo Kultivierung der gewonnenen alveolaeren Makrophagen (AM) und Exposition von BEAS 2B Zellen mit dem Ueberstand dieser AM. In den o.g. Proben sind folgende Messungen geplant: Bestimmung der Genexpression (Gen-Sonden: Cu/ZnSOD, MnSOD und Katalase) mittels Northern-Blot-Analysen (in vitro Faser-/Staub-exponierte BEAS 2B), in situ Hybridisierungen (Bronchialschleimhaut-Biopsien) und Durchfuehrung der semiquantitativen PCR (Polymerase-Ketten-Reaktion) in den Biopsien ud den mit dem Ueberstand der AM exponierten BEAS 2B Zellen. Dazu ergaenzend sollen die folgenden Antioxidantien und Zytokine quantifiziert (ELISA) werden: Cu/ZnSOD, MnSOD, Katalase, IL1, IL8, TNFalpha (intrazellulaer in beiden BEAS 2B-Ansaetzen, BAL).

Oxidantienmetabolismus und anti-oxidative Schutzmechanismen in staubbelasteten humanen Lungenzellen

Diese Studie hatte zur Aufgabe, Untersuchungen darueber anzustellen, ob kuenstliche Mineralfasern wie Steinwolle und Basaltwolle (BA) und Asbeststaeube und Quarz ihre lungentoxische Wirkung dadurch ausueben, dass sie einen zelleigenen Schutzmechanismus, der fuer das Gleichgewicht zwischen Oxidantien und Antioxidantien verantwortlich ist, aus dem Gleichgewicht bringen. Die Zielzellen, die fuer diese Studie ausgewaehlt wurden, waren Alveolarmakrophagen (AM) und Epithelzellen aus dem Bronchialtrakt. Die Alveolarmakrophagen wurden durch bronchoalveolaere Lavage aus dem Respirationstrakt eines ausgewaehlten Probandenkollektivs gewonnen, wobei die Probanden berufsbedingt zuvor einer Asbest-(Krokydolith, KR) und einer Quarz-(QU)-Exposition ausgesetzt waren. Anschliessend wurden mit diesen Zellen ex-vivo-Versuche durchgefuehrt. Dafuer wurden die von den AM gebildeten Oxidantien gemessen. Die Autoren konnten festhalten, dass KR, QU und BA zeit- und dosisabhaengig die Produktion der zellulaeren Sauerstoffmetabolite H2O2 und O2- sowohl bei der Kontrollgruppe als auch bei der Asbest- und Quarzexposition signifikant beeinflussten. Als Epithelzellen dienten den Autoren eine humane bronchoepitheliale Zellinie, an der in vitro Versuche durchgefuehrt wurden. Hier zeigte sich, dass nach Staub- bzw Faserexposition ebenfalls zellulaere Parameter modifiziert worden waren (Messung des intrazellulaeren Glutathions und der Cu2+ und Zn-Superoxiddismutase). Es wurde geschlossen, dass die Ergebnisse durch den Eisengehalt und die Fasercharakteristik der Fasern und Staeube erklaerbar seien. In beiden Zelltypen hatte Steinwolle den geringsten Effekt auf das System Oxidatien/Antioxidatien. Diese Resultate lassen erkennen, dass die inflammatorischen Effekte kuenstlicher Mineralfasern (Steinwolle, Basaltwolle) je nach der Fasercharakteristik und der chemischen Zusammensetzung sehr unterschiedlich sein koennen.

Teilprojekt C, Teilprojekt A

Die Klassifizierung von Nanomaterialien, Hilfs- und Arzneistoffen sowie atemwegssensibilisierenden Chemikalien hinsichtlich möglicher inhalationstoxikologischer Effekte stellt einen immer wichtigeren Aspekt im Rahmen einer Sicherheitsbewertung dar. Bisher wird die Sicherheitsevaluierung von Nanomaterialien sowie Hilfs- und Arzneistoffen von in-vivo Verfahren abgeleitet. Zur Erkennung potenzieller Inhalationsallergene werden heute aufgrund der Nichtverfügbarkeit eines spezifischen in-vivo Verfahrens unterschiedliche Tierversuche durchgeführt. Bisherige Anstrengungen zur Entwicklung von Alternativverfahren (3R Prinzip) haben noch keine zufriedenstellenden Verfahren geliefert. Gelingt es, prädiktive Marker und Methoden für die gewählten Stoffgruppen zu finden, wird dies die Zahl der in-vivo Untersuchungen zukünftig reduzieren. Für die betrachteten Stoffgruppen kann der Nachweis einer Entzündungsreaktion und Beeinträchtigung der Epithelbarriere im Alveolarbereich als Indiz für eine Deregulation der Makrophagenaktivierungskaskade mit möglicher systemischer Verfügbarkeit betrachtet werden, was beispielsweise zur Aufnahme durch dendritische Zellen und nachfolgend einer Aktivierung des Immunsystems führt. Im Rahmen von AeroSafe soll eine möglichst einfache Teststrategie für die verschiedenen Stoffgruppen entwickelt werden. Hierfür werden anhand der Evaluierung von fast 30 Stoffen sowohl bekannte Marker als auch neu identifizierte Marker auf ihre in-vivo Aussagekraft und Nutzbarkeit in einer in-chemico/in-vitro Teststrategie untersucht. Konkret werden in AeroSafe neben einem in-chemico Verfahren (P4), 1-Zellsysteme und Co-Kulturmodelle (P1+2) mit steigender Komplexität entwickelt und analysiert (P1-4). Diese Vorgehensweise erlaubt uns die Ermittlung der Modellkomplexität, die für die verschiedenen Stoffgruppen zur frühzeitigen Erkennung von inhalationstoxikologischen Effekten zwingend notwendig ist.

Teilprojekt D, Teilprojekt C

Die Klassifizierung von Nanomaterialien, Hilfs- und Arzneistoffen sowie atemwegssensibilisierenden Chemikalien hinsichtlich möglicher inhalationstoxikologischer Effekte stellt einen immer wichtigeren Aspekt im Rahmen einer Sicherheitsbewertung dar. Bisher wird die Sicherheitsevaluierung von Nanomaterialien sowie Hilfs- und Arzneistoffen von in-vivo Verfahren abgeleitet. Zur Erkennung potenzieller Inhalationsallergene werden heute aufgrund der Nichtverfügbarkeit eines spezifischen in-vivo Verfahrens unterschiedliche Tierversuche durchgeführt. Bisherige Anstrengungen zur Entwicklung von Alternativverfahren (3R Prinzip) haben noch keine zufriedenstellenden Verfahren geliefert. Gelingt es, prädiktive Marker und Methoden für die gewählten Stoffgruppen zu finden, wird dies die Zahl der in-vivo Untersuchungen zukünftig reduzieren. Für die betrachteten Stoffgruppen kann der Nachweis einer Entzündungsreaktion und Beeinträchtigung der Epithelbarriere im Alveolarbereich als Indiz für eine Deregulation der Makrophagenaktivierungskaskade mit möglicher systemischer Verfügbarkeit betrachtet werden, was beispielsweise zur Aufnahme durch dendritische Zellen und nachfolgend einer Aktivierung des Immunsystems führt. Im Rahmen von AeroSafe soll eine möglichst einfache Teststrategie für die verschiedenen Stoffgruppen entwickelt werden. Hierfür werden anhand der Evaluierung von fast 30 Stoffen sowohl bekannte Marker als auch neu identifizierte Marker auf ihre in-vivo Aussagekraft und Nutzbarkeit in einer in-chemico/in-vitro Teststrategie untersucht. Konkret werden in AeroSafe neben einem in-chemico Verfahren (P4), 1-Zellsysteme und Co-Kulturmodelle (P1+2) mit steigender Komplexität entwickelt und analysiert (P1-4). Diese Vorgehensweise erlaubt uns die Ermittlung der Modellkomplexität, die für die verschiedenen Stoffgruppen zur frühzeitigen Erkennung von inhalationstoxikologischen Effekten zwingend notwendig ist.

NanoGEM - Nanostrukturierte Materialien - Gesundheit, Exposition und Materialeigenschaften

Staubinduzierte Stimulation von Alveolarmakrophagen zur Bildung aktiver Sauerstoffspezies

Dieses Projekt hatte zur Zielsetzung, Staeube und Flugaschefraktionen verschiedener Herkunft und Zusammensetzung auf ihre stimulierende Wirkung gegenueber Alveolarmakrophagen zu untersuchen, und damit zur Klaerung der Frage beizutragen, ob Luftstaeube und Flugasche aus Kraftwerken, Muellverbrennungsanlagen und Industriebetrieben als inhalative Noxen fuer die menschliche Lunge in Betracht zu ziehen sind. In in vitro-Versuchen wurden gereinigte Alveolarmakrophagen (AM) aus Rinderlungen sowohl mit verschiedenen Staeuben als auch mit reinen Schwermetallverbindungen inkubiert. Die Messung des Aktivierungsgrades der AM erfolgte anhand der staubinduzierten Sekretion reaktiver Sauerstoffspezies, des Wasserstoffperoxid (H2O2) und des Superoxidanion (Ohoch2-). Bei der Auswertung der erhaltenen Daten wurden die Stoffwechselwirkungen mit den Elementgehalten der Staeube korreliert. Cytometrische Untersuchungen der Modulation des intrazellulaeren Cahoch2+-Spiegels sollten Aufschluss ueber eine Beteiligung des Inositolphosphat-Weges an der Aktivierung des 'respiratory burst' geben. Parallel zu den zellbiochemischen Versuchen wurden Staubproben durch Sammlung, Siebung und Sedimentation gewonnen und auf ihre Partikeleigenschaften und ihren Schwermetallgehalt analysiert. Die durch die Staeube verursachte Freisetzung von H2O2 und Ohoch2- war konzentrations- und zeitabhaengig. Allgemein kann festgehalten werden, dass das Verhaeltnis der Produktion der beiden gemessenen Sauerstoffspezies je nach Staubart verschieden war. Reine Quarzstaeube aktivierten am staerksten - nach Stimulation mit Quarzstaub verlief die Konzentrationszunahme von H2O2 und Ohoch2- parallel. Im Gegensatz dazu konnte nach Inkubation mit Luftstaeuben oder Flugasche-Fraktionen keine parallel verlaufende Konzentrationszunahme der beiden Sauerstoffspezies beobachtet werden. Kombinierte Inkubationen von Quarzstaeuben und Ionen (hier: Fe (III)) fuehrten zu einer verstaerkten Bildung im Vergleich zu einer reinen Quarz-Inkubation. Die Aktivierung der AM war darueberhinaus von der extrazellulaeren Anwesenheit von Cahoch2+- und Mghoch2+ -Ionen abhaengig. Durch cytometrische Messungen konnte ein transienter Anstieg des Cahoch2+ -Spiegels nach einer Staubexposition der AM gefunden werden. Dieser effekt war zu verhindern, wenn Cahoch2+ -freies Medium Verwendung fand. Die staubinduzierte verstaerkte Bildung reaktiver Sauerstoff-Spezies gibt Hinweise auf eine moegliche pathogene Wirkung der Staeube.

Zellmembranveraenderungen an Lungenzellen durch umweltrelevante Konzentrationen von Ozon und NO2 - Untersuchungen mittels Atomkraftmikroskopie

Inhalierte Umweltschadstoffe wie Ozon oder NO2 koennen zu pathologischen Reaktionen der Lunge fuehren, in deren Verlauf sich die Morphologie von Lungenzellen wie zB Alveolarmakrophagen (AM) und Lungenepithelzellen veraendern kann. Nach in vitro-Expositionen mit den og Reizgasen konnten sowohl bei AM als auch bei Epithelzellen morphologische Veraenderungen nachgewiesen werden. Derartige Untersuchungen waren bislang allerdings dadurch eingeschraenkt, dass die Zellen nur nach und nicht waehrend der Exposition experimentell zugaenglich waren. Bei der Untersuchung der Schadgas-induzierten Zellschaedigung ist die Morphologie der Cytoplasmamembran von besonderem Interesse, da diese als einer der primaeren Wirkorte oxidativer Gase gilt und ihre Veraenderung als sensitiver Parameter zum Nachweis toxischer Wirkungen angesehen wird. Durch die Entwicklung des Atomkraftmikroskopes (AFM) ist es jetzt moeglich geworden, lebende Zellen mit sehr hoher Aufloesung darzustellen und somit morphologische Veraenderungen der Zelloberflaeche direkt waehrend ihrer Entstehung zu studieren. Darueberhinaus kann das AFM auch als neuartiges, biophysikalisches Messinstrument zur Untersuchung der Viskositaet von Zellmembranen benutzt werden, die sich unter dem Einfluss oxidativer Schadstoffe veraendern kann. Es konnte gezeigt werden, dass es mittels eines AFM moeglich ist, lebende Lungenzellen in hoher Aufloesung darzustellen. Dabei stellte sich heraus, dass sich lebende Zellen im Vergleich mit fixierten Zellen, die elektronenmikroskopisch aufgearbeitet worden waren, viel flacher und glatter darstellen. Im Anschluss daran wurde untersucht, ob die Wirkung von NO2 (0,5 ppm fuer 2 Stunden) auf der Zelloberflaeche zu erfassen war. Mit Hilfe des AFM wurde demonstriert, dass die AM nach einer NO2-Behandlung blaeschenartige Membranausstuelpungen aufwiesen. Die Bronchialepithelzellen zeigten nach Schadgasexposition ebenfalls kleine Membranerhebungen, die jedoch nicht so stark wie bei den AM ausgepraegt waren. Diese Ergebnisse zeigen, dass es mittels AFM moeglich ist, die Dynamik von Zellmembranveraenderungen zu beobachten und die Effekte von niedrigen NO2-Konzentrationen nachzuweisen.

Exposition von humanen Abwehrzellen der Lunge mit innenraumrelevanten Feinstaeuben und Stickstoffdioxid und daraus resultierende Entzuendungsmechanismen

Die Bevoelkerung in gemaessigten Klimazonen verbringt die ueberwiegende Zeit in geschlossenen Raeumen. Die Schadstoffbelastung in Innenraeumen beinhaltet vor allem Feinstaeube und anorganische Reizgase in unterschiedlichen Zusammensetzungen. Alveolarmakrophagen (AM) stehen dabei in permanenten Kontakt mit den Luftverunreinigungen. In einem in-vitro-Modell werden die Auswirkungen der Feinstaubexposition (Printex 90, Flammruss, Titandioxid, Chrysotil B und, wenn moeglich, kuenstliche Mineralfasern) auf AM und ihre Vorlaeuferzellen, die Blutmonozyten (BM) allein, sowie unter additiver Reizgasexposition mit Stickstoffdioxid (NO2) untersucht. Die verschiedenen physiko-chemischen Inhalationsnoxen koennen Entzuendungsreaktionen von Lungenparenchym und Interstitium hervorrufen. Hierbei interessiert uns, wie sich unterschiedliche Feinstaeube unter zusaetzlicher NO2-Exposition auf die Aktivierung der AM und BM auswirken. Es bleibt zu untersuchen, welche Mediatoren freigesetzt werden und wie sie die Induktion und Unterhaltung von Entzuendungsvorgaengen mit den daraus resultierenden Krankheitsbildern bewirken. Zur Durchfuehrung dieser Versuche werden AM und BM einer Suspension, bestehend aus niedrig konzentrierten Feinstaeuben und Kulturmedium, ausgesetzt. Zur Schadgasexposition werden die Zellen auf einer dem Kulturmedium aufliegenden permeablen Membran plaziert und in einem Begasungszylinder dem direkten Kontakt mit NO2 in umweltrelevanten Konzentrationsbereichen exponiert. Es ist beabsichtigt, die bestehende Versuchsanordnung zur Schadgas- und Partikelexposition zu optimieren. Weiterhin sollen entzuendungsinduzierende Mediatoren nach Partikel- und Schadgasexposition von AM und BM bestimmt werden. Hier sind die Freisetzungen von radikalen Sauerstoffmetaboliten und die Zytokine IL-1, IL-6, IL-8 und der Tumor-Nekrose-Faktor alpha (TNF-alpha) sowie TGF-beta zu nennen. Untersucht werden soll, ob die unterschiedlichen Feinstaeube bzw. Fasern verschiedene Freisetzungsmuster der genannten Mediatoren durch AM und BM bewirken. Es soll der Einfluss von einzelnen Feinstaeuben sowie von Feinstaub/NO2-Koexpositionen auf die die Chemotaxis induzierenden Eigenschaften der AM und BM in vitro mit einer Chemotaxis-Kammer untersucht werden. Ebenfalls soll die Phagozytoseaktivitaet der AM und BM vor und nach Exposition mit den oben genannten niedrig konzentrierten Partikeln und Fasern quantifiziert werden. In ersten Versuchen des seit Juni 1994 laufenden Projekts wurden Experimente zur Optimierung der Schadgasexposition der Monozyten/Makrophagen durchgefuehrt. Es wurden unterschiedlich beschichtete Polykarbonatmembranen mit differenten Porengroessen hinsichtlich der Aktivierung, Adhaerenz und zytotoxischen Wirkung auf AM und BM untersucht. Es konnten keine wesentlichen Unterschiede zwischen unbehandelten und mit Humalbumin bzw. Kollagen beschichteten Polykarbonatmembranen beobachtet werden.

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