Multi-Organ-Plattform zur Risikobewertung von Nanomaterialien - Fraunhofer IBMT im Projekt HISENTS

Europäische Wissenschaftler entwickeln eine multimodulare Mikrochip-Plattform zur Vorhersage des Verhaltens von Nanomaterialien im Körper.

Nanomaterialien sind längst Bestandteil des Alltags unserer modernen Gesellschaft. Neue Einsatzmöglichkeiten bei stetig steigenden Produktionsmengen führen aber auch zu einer vermehrten Exposition von Mensch und Umwelt. Eine Vorhersage des Verhaltens der Nanomaterialien im Organismus sowie eine umfassende Risikobewertung gestalten sich aufgrund fehlender Vorhersagemodelle aktuell als schwierig.

Wie überwinden die nur wenige Millionstel Millimeter kleinen Partikel die Schutzschichten unseres Körpers? Wie verhalten sich die Partikel im Organismus? Werden die Partikel verstoffwechselt und sind sie gefährlich? Um diese Fragen besser beantworten zu können, entwickeln elf Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft in dem EU-Projekt »HISENTS: High level integrated Sensor for Nanotoxicity Screening« neue innovative Methoden, um das Verhalten der Nanopartikel im Körper detailliert zu erfassen und die hieraus resultierenden Risiken für den Menschen besser prognostizieren und sicher bewerten zu können.

Aufgrund ihrer geringen Größe und der dadurch veränderten physikalischen und chemischen Eigenschaften haben Nanopartikel besondere Funktionalitäten und werden heutzutage in eine Vielzahl an Alltagsprodukten integriert. Nanopartikel sind in Kosmetika, Textilien, Reinigungsmitteln, Sprays, Verpackungen sowie Lebens- und Nahrungsergänzungsmitteln enthalten und gelangen täglich in unseren Körper. Auch die Anwendung von nanoskaligen Partikeln im Pharma- und Medizinsektor ist keine Seltenheit mehr. Therapeutika (wie z. B. Chemo-oder Lichttherapiemedikamente) und Diagnostika (wie z. B. Kontrastmittel) sowie Implantatbeschichtungen basieren häufig auf Nanomaterialien.

Angesichts der zahlreichen Wissenslücken und fehlenden Modellsysteme kann man bislang nur unzureichende Vorhersagen zu Absorption, Verteilung, Metabolismus und Exkretion (Abkürzung ADME für englisch: absorption, distribution, metabolism and excretion) von synthetischen Nanomaterialien im menschlichen Organismus treffen. In der pharmazeutischen Forschung und Medikamentenentwicklung wird das PBPK-Modell (Abkürzung für englisch: physiologically based pharmacokinetic model) als etablierter Ansatz gewählt, um das kinetische Profil von Wirkstoffen mit Blick auf Dosis, Route und Spezies mathematisch vorherzusagen. Hierbei werden die Konzentration im Gewebe und toxikologische sowie pharmakologische Effekte einbezogen. »Bisher existieren nur erste Ansätze eines solchen Modells für Nanomaterialien«, so Dr. Yvonne Kohl, Leiterin der Arbeitsgruppe Nanotoxikologie am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT.

Um ein solches PBPK-Modell für Nanomaterialien zu entwickeln, bedarf es Daten, die das mathematische Modell »füttern«. Mit Hilfe einer multimodularen Mikrochip-basierten Multiorgan-Plattform werden der Weg der Nanomaterialien durch den Körper simuliert und Daten zur Entwicklung eines nanoPBPK-Modells generiert. Zur Realisierung dieser Plattform und des nanoPBPK-Modells startete im April 2016 das EU-Forschungsprojekt »HISENTS«, das von der Europäischen Kommission (EU) im Rahmen des »NanoSafetyCluster«-Programms mit 6,3 Millionen Euro gefördert wird. »HISENTS« ist ein internationales, interdisziplinäres Forschungsprojekt, das unter Leitung von
Prof. Dr. Andrew Nelson der Universität Leeds, gemeinsam mit zehn weiteren Partnern durchgeführt wird. Neben dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT und der Universität Leeds sind Universitäten aus Österreich, Israel und der Slowakei, Forschungseinrichtungen aus Spanien, der Slowakei, Irland und Norwegen sowie die Firma Blueprint Production Design Ltd. aus England beteiligt. Die Projektdauer beträgt 36 Monate.

Ziel ist es, den Effekt von Nanomaterialien auf molekularer, zellulärer und Organ-Ebene zu bewerten. »Die HISENTS-Plattform beinhaltet neun Module, die individuell miteinander verschaltbar sind, um realistische Wege der Nanomaterialien durch den Körper zu simulieren«, so Kohl. Jedes dieser Module repräsentiert eine Barriere des Körpers (Lunge, Gastrointestinaltrakt, Plazenta), ein Organ (Leber, Niere, Blutsystem) oder subzelluläre Kompartimente (Biomembran, DNA, miRNA).

Das Fraunhofer IBMT wirkt maßgeblich an diesem Projekt mit und entwirft, fertigt und validiert die Mikrochip-basierte Multi-Organ-Plattform. »Die technologischen Schwerpunkte der Entwicklungsarbeit liegen auf den miniaturisierten Systemen zur Kultivierung von Zellen für die Simulation der genannten Körperbarrieren und Organe sowie für die Untersuchung der subzellulären Kompartimente. Anstatt die Module in einem Inkubator zu betreiben, statten wir jedes Modul mit einem miniaturisierten Inkubator aus, so dass die Plattform sehr flexibel einsetzbar ist. Darüber hinaus integrieren wir optische und elektrische Systeme zur Charakterisierung der Zellen. Zur Versorgung der einzelnen Module und ihrer Verschaltung untereinander muss eine geeignete Fluidik entwickelt werden«, erläutert Thorsten Knoll, Leiter der Arbeitsgruppe Mikrofluidik und Mikrosensorik.

Neben der multimodularen Plattform entwickelt das Fraunhofer IBMT, im Rahmen des HISENTS-Projekts, neue In-vitro-Modelle zur Untersuchung humantoxikologischer Effekte (wie z. B. Hepatotoxizität) von Nanomaterialien und untersucht die Barrieregängigkeit von Nanomaterialien (Überwindung der Lungen- und der Darm-Barriere), um Aussagen über die Aufnahme in den Körper zu treffen. Die Zellmodelle werden in den neu entwickelten mikrofluidischen Modulen kultiviert und miteinander vernetzt, so dass eine toxikologische Beurteilung der Nanomaterialien entlang des Wegs durch den Körper möglich ist«, so Dr. Yvonne Kohl.

Die multidisziplinäre Aufstellung des HISENTS-Teams und die jeweilige Fachexpertise ermöglichen die Entwicklung der dringend benötigten, miteinander verschaltbaren Organmodell-Module, um experimentelle Daten zum »Füttern« mathematischer Modelle zu generieren , welche für eine sichere und zuverlässige Risikoabschätzung, -vorhersage und -bewertung des Verhaltens von Nanomaterialien im Körper unerlässlich sind.