Nanotekniken blomstrar, men riskbedömning för dessa små partiklar är en mödosam process som innebär stora utmaningar för det tyska federala institutet för riskbedömning (BfR). För att hitta effektivare testmetoder, forskare vid Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) i samarbete med BfR-forskare tittade närmare på de biologiska effekterna. Deras resultat har publicerats i tidskriften Particle and Fiber Toxicology.

Från färgämnen till byggmaterial, och från kosmetiska produkter till elektronik och medicin, nanomaterial finns i många olika applikationer. Men vad är dessa material?

"Nanomaterial definieras rent av sin storlek, "förklarar doktor Kristin Schubert från Institutionen för molekylära systembiologi vid UFZ." Material mellan en och 100 nanometer i storlek kallas ett nanomaterial. "För att föreställa sig deras diminutiva storlek:En nanometer är bara en miljonedel av en millimeter. Eftersom nanomaterial är så små, de kan lätt komma in i kroppen, till exempel genom lungorna, hud eller mag-tarmkanalen, där de kan orsaka negativa effekter. Precis som konventionella kemikalier, nanomaterial måste därför testas för potentiella hälsorisker innan de kan tillverkas industriellt, används och marknadsförs.

För närvarande, test utförs för varje nanomaterial individuellt. Och eftersom även de minsta förändringarna – t.ex. i storlek eller ytegenskaper – kan påverka toxicitet, separata tester behövs också för varje variant av ett nanomaterial. "Riskbedömning för nanomaterial är ibland svårt och mycket tidskrävande, " säger Dr Andrea Haase från BfR. "Och listan över ämnen som ska testas blir längre för varje dag, eftersom nanoteknik växer till att bli en nyckelteknologi med omfattande applikationer. Vi behöver därför snarast hitta lösningar för en mer effektiv riskbedömning."

Hur kan nanomaterial på lämpligt sätt klassificeras i grupper? Finns det likheter i deras effekter? Och vilka materialegenskaper är förknippade med dessa effekter? I deras senaste studie, forskare vid UFZ och BfR och branschrepresentanter började svara på dessa frågor. "Vi fokuserade på de biologiska effekterna och undersökte vilka molekyler och signalvägar i cellen som påverkas av vilka typer av nanomaterial, säger Schubert.

Genom in vitro -experiment, forskarna exponerade epitelceller från råttors lungor för olika nanomaterial och letade efter förändringar i cellerna. Att göra detta, de använde så kallade multiomics-metoder:de identifierade flera tusen cellproteiner, olika lipider och aminosyror, och studerade viktiga signalvägar inom cellen. Med hjälp av en ny bioinformatisk analysteknik, de utvärderade enorma datamängder och fick några intressanta resultat.

"Vi kunde visa att nanomaterial med toxiska effekter initialt utlöser oxidativ stress och att vissa proteiner i processen upp- eller nedregleras i cellen, " förklarar Schubert. "I framtiden, dessa nyckelmolekyler kan fungera som biomarkörer för att snabbt och effektivt upptäcka och ge bevis på potentiella toxiska effekter av nanomaterial. "Om nanomaterialets toxicitet är hög, oxidativ stress ökar, inflammatoriska processer utvecklas och efter en viss punkt, cellen dör.

"Vi har nu en bättre förståelse för hur nanomaterial påverkar cellen, ", säger Haase. "Och med hjälp av biomarkörer kan vi nu också upptäcka mycket lägre toxiska effekter än vad som tidigare varit möjligt." Forskarna identifierade också tydliga kopplingar mellan vissa egenskaper hos nanomaterial och förändringar i den cellulära metabolismen. "T.ex. vi kunde visa att nanomaterial med en stor ytarea påverkar cellen ganska annorlunda än de med en liten ytarea, " säger Schubert. Att veta vilka parametrar som spelar en nyckelroll i toxiska effekter är mycket användbart. Det betyder att nanomaterial kan optimeras under tillverkningsprocessen, till exempel genom små modifieringar, och därmed reducerade toxiska effekter.

"Vår studie har tagit oss flera stora steg framåt, " säger Schubert. "För första gången, vi har utförligt analyserat de biologiska mekanismerna bakom de toxiska effekterna, klassificerade nanomaterial i grupper utifrån deras biologiska effekter och identifierade nyckelbiomarkörer för nya testmetoder." Andrea Haase från BfR är mer än nöjd:"Resultaten är viktiga för framtida arbete. De kommer att bidra till nya koncept för effektiva, tillförlitlig riskbedömning av nanomaterial och ange i vilken riktning vi behöver gå. "